CC BY
11
УДК 621.892.2
МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ МОТОРНЫХ МАСЕЛ И ИХ ТЕМПЕРАТУРНОЙ ОБЛАСТИ
Б.И. Ковальский, Н.Ю. Безбородов, В.И. Верещагин, О.Н. Петров, В.Г. Шрам, Е.Г. Кравцова
Представлены результаты исследования синтетического моторного масла ALPHA S 5W-30 SN по определению показателей термоокислительной стабильности, включающих оптическую плотность, испаряемость, коэффициент термоокислительной стабильности, относительную вязкость и температурную область их проявления. Определены температуры начала процессов окисления и температурных преобразований в масле, а также критические температуры этих процессов.
Ключевые слова: оптическая плотность, испаряемость, коэффициент термоокислительной стабильности, время термостатирования, температуры начала процессов окисления и испарения, критические температуры окисления и испарения.
При выборе моторных масел для двигателей внутреннего сгорания конструкторы и технологи пользуются их классификацией по классам вязкости и группам эксплуатационных свойств. Температурную область работоспособности определяют по температуре вспышки, а вязкостно температурные свойства - по индексу вязкости. Эти данные приводятся в сертификате качества нефтепродукта.
Целью настоящих исследований является расширение информации о качестве смазочных масел за счёт представления данных о показателях термоокислительной стабильности и температурной области их изменения при термостатировании.
Для исследования выбрано всесезонное синтетическое моторное масло ALPHA'S 5W-30 SN, предназначенное для бензиновых ДВС.
В качестве средств измерения и контроля применялись: прибор для термостатирования масел; фотометр для прямого фотометрирования окисленных масел при толщине фотометрического слоя 2 мм и электронные весы. Техническая характеристика приборов приведена в монографии [1].
Согласно методике проба масла массой 100±0,1 г заливалась в стеклянный стакан прибора для термостатирования и последовательно термо-статировалась при температурах 180, 170 и 160 °С с перемешиванием механической мешалкой с частотой вращения 300 об/мин. В процессе испытания температура и частота вращения мешалки поддерживались автоматически. Через определённое время испытания стеклянный стакан с пробой окисленного масла взвешивался, определялась масса испарившегося масла G, отбиралась часть пробы для прямого фотометрирования и определения оптической плотности D при толщине фотометрированного слоя 2 мм:
о = (1)
где 300 - показания фотометра при отсутствии масла в кювете, мкА; П -показания фотометра при заполненной маслом кювете, мкА.
Часть пробы окисленного масла (9 г) используется для измерения кинематической вязкости при 100 °С и определения коэффициента относительной вязкости
(2)
т
где т и т - соответственно кинематическая вязкость окисленного масла и товарного, мм2/с.
Термоокислительная стабильность исследуемого масла ПТОС определялась суммой
Птос = О + (3)
где К(У - коэффициент испаряемости
^ = —, (4)
G м w
где т - масса пробы испарившегося масла, г; м - масса пробы масла до
испытания, г.
На рис. 1 представлены зависимости оптической плотности от времени и температуры испытания.
Рис. 1. Зависимости оптической плотности от времени и температуры испытания синтетического моторного масла ALPHA S 5W- 30 SN: 1 -180 °С; 2 -170 °С; 3 -160 °С; 4 -190 °С
Данные зависимости использованы для определения времени достижения определённых значений оптической плотности 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 при температурах 180, 170 и 160 °С, определения десятичного логарифма этого времени и построения графических зависимостей десятичного логарифма времени достижения установленных значений оптической плотности от температуры испытания исследуемого масла (рис. 2).
Согласно данным зависимости lg tD = f (T, t) имеют линейный характер и позволяют определить значения lg tD для температур больше температуры 180 °С, а определив антилогарифм этих значений, определяется время достижения установленных значений оптической плотности. Например,
420
значение ^ для температуры 190 °С при э = 0,5 составит 0,61, а антилогарифм определяет время испытания, равное 4,07 часа. Таким образом, можно построить графическую зависимость оптической плотности для температуры испытания 190 °С (кривая 4, рис. 1).
Рис. 2. Зависимости десятичного логарифма времени достижения установленных значений оптической плотности э от температуры испытания синтетического моторного масла ЛЬРИЛ $ 30 1 - э = 0,05; 2 - э = 0,1; 3 - э = 0,2; 4 - э = 0,3; 5 - э = 0,4; 6 - э = 0,5
Важными эксплуатационными показателями качества смазочных масел являются температуры начала процессов окисления и критические температуры. На рис. 3 представлена зависимость оптической плотности от температуры за время испытания 20 часов. Данная зависимость описывается полиномом второй степени, а регрессионное уравнение имеет вид
э = 5,125 • 10-4Т2 - 0,1641Т +13,154 , (5)
Коэффициент корреляции составил 0,9.
Рис. 3. Зависимость оптической плотности от температуры за время испытания 20 часов синтетического моторного масла
ALPHA S 5W-30 SN
Решая уравнение (5), определим температуру начала процесса окисления, которая составила 160 °С. Как показатель температуру начала процессов окисления необходимо использовать для сравнения масел одного назначения и их соответствия классификации по группам эксплуатационных свойств.
Для определения критической температуры процессов окисления необходимо использовать графическую зависимость (кривая 1, рис. 2) десятичного логарифма времени достижения оптической плотности значения равного 0,05, от температуры испытания и по точке пересечения данной зависимости с осью температуры определить критическую температуру для исследуемого масла, которая составила 208,5 °С. В этой связи для сравнения различных масел одного назначения необходимо принять постоянным время испытания и время достижения оптической плотности значения равного 0,05.
На рис. 4 представлены зависимости испаряемости исследуемого масла от времени и температуры испытания. Показано, что с понижением температуры испытания испаряемость уменьшается так, 14 граммов масла испаряется при температурах 180 °С за 39 часов; 170 °С - 68 часов, а при 160 °С - 115 часов, т.е. с понижением температуры испытания от 180 до 160 °С время испарения увеличивается в 2,95 раза. Данные зависимости использованы для определения времени достижения установленных значений испаряемости 2; 4; 6; 8 и т.д., определения его десятичных логарифмов и построение графических зависимостей десятичных логарифмов времени достижения установленных значений испаряемости от температуры испытания.
е
22 ■
18 ■
14
10
6 ■
2 ■
0 I—,------------= -
10 30 50 70 90 110
Рис. 4. Зависимости испаряемости от времени и температуры испытания синтетического моторного масла ЛЬРИЛ $ -30 1 -180 °С; 2 -170 °С; 3 -160 °С; 4 -190 °С
Зависимости = / (Т, г) (рис. 5) описываются линейными уравнениями, поэтому позволяют определить значения для других температур, а антилогарифмы этих значений определяют время достижения установленных значений испаряемости при других температурах.
Важными эксплуатационными показателями качества смазочных масел для их сравнения и соответствия классификации по группам эксплуатационных свойств являются, температура начала процессов испарения и критическая температура, при которой масло нельзя использовать т.к. на поверхностях трения оно будет испаряться. Для определения температуры начала процессов испарения построена зависимость испаряемости от температуры испытания после восьми часов испытания (рис. 6).
Рис. 5. Зависимости десятичного логарифма времени достижения установленных значений испаряемости от температуры испытания синтетического моторного масла ЛЬРИЛ $ 5Ж-30 SN: 1 - О = 1 г; 2 - О = 4 г; 3 - О = 6 г; 4 - О = 8 г; 5 - О = 10 г; 6 - О = 12 г; 7 - О = 14 г; 8 - О = 18 г; 9 - О = 18 г
Рис. 6. Зависимость испаряемости во время испытания в течение 8 часов от температуры термостатирования синтетического моторного масла ALPHA S 5W-30 SN
Данная зависимость описывается полиномом второй степени, а регрессионное уравнение имеет вид
В = 0,00125Т2 - 0,3435Т + 25,315. (6)
Коэффициент корреляции составил 0,996.
Решая уравнение (6), определим температуру начала испарения исследуемого масла, которая составила 137,3 °С
Критическая температура испаряемости определялась по точке пересечения зависимости га = / (Т, /) (рис. 5) с осью температуры, которая составила 191,5 °С.
На рис. 7 представлены зависимости коэффициента относительной вязкости от времени и температуры испытания исследуемого масла. Установлено, что независимо от температуры испытания в первые восемь часов
423
испытания кинематическая вязкость понижается, а затем для температуры испытания 180 оС она увеличивается, а для температуры 170 °С она стабилизируется. Участок стабилизации вязкости для температуры 180 °С наступает в период времени от 32 до 48 часов, а для температуры 170 °С от 40 до 64 часов, после чего для обеих температур наблюдается увеличение вязкости, причём более интенсивное для температуры испытания 180 °С (кривая 1).
t, ч
0 10 20 30 40 50 60 70 S0 90 100 110 120
Рис. 7. Зависимости коэффициента относительной вязкости от времени и температуры испытания синтетического моторного масла ALPHA S 5W-30 SN: 1 -180 оС; 2 -170 оС
Более удобно для сравнения различных масел одного назначения пользоваться коэффициентом термоокислительной стабильности ПТОС учитывающим процессы окисления и испарения. На рис. 8 представлены зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от времени и температуры окисления синтетического моторного масла ALPHA'S 5W-30 SN. Показано, что с понижением температуры испытания скорости изменения коэффициента ПТОС уменьшается. Так, время достижения коэффициента ПТОС = 0,8 при температурах составило: 180 °С - 58 часов, 170 °С - 112 часов, 160 °С - 213,8 часа, т.е. при уменьшении температуры испытания от 180 до 160 °С время термостатирования увеличилось в 3,69 раза.
Зависимости (рис. 8) использованы для определения времени достижения определённых значений коэффициента ПТОС: 0,05; 0,2; 0,3; и т.д., определение десятичного логарифма этого времени (lg ПТОС) и построение графической зависимости десятичного логарифма времени достижения установленных значений коэффициента ПТОС от температуры испытания (рис. 9).
Согласно полученным данным эти зависимости имеют линейный характер, что позволяет определить значения lg ПТОС и время термостатирования для других температур.
Важными эксплуатационными показателями качества смазочных масел являются температуры начала преобразований и критические температуры с учётом процессов окисления и испарения.
Рис. 8. Зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от времени и температуры испытания синтетического моторного масла ЛЬРИЛ $ 5Ж-30 SN: 1 -180 °С; 2 -170 °С; 3 -160 °С
Рис. 9. Зависимость десятичного логарифма времени достижения коэффициента установленных значений коэффициента термоокислительной стабильности от температуры испытания синтетического моторного масла ALPHA S 5W-30 SN: 1 - ПТОС = 0,05; 2 - Птос =0,1; 3 - Птос = 0,2; 4 - ПТОс = 0,3; 5 - ПТОс = 0,4; 6 - ПТОс = 0,5; 7- ПТОС = 0,6; 8 - ПТОС = 0,7; 9 - ПТОС = 0,8
На рис. 10 представлена зависимость коэффициента термоокислительной стабильности от температуры и времени испытания, по которой определялось время начала процессов преобразования в исследуемом масле. Данная зависимость описывается полиномом второй степени, а регрессионное уравнение имеет вид
ПТОС = 0,003Г - 0,46. (7)
Коэффициент корреляции составил 1.
^10с
0.09-
о.оз-
0.07-
0.05-
0.01-
04150
Т.°С
150
170
ISO
Рис. 10. Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности от температуры испытания синтетического моторного масла ALPHA S 5W-30 SN (время испытания 8 часов)
Решая уравнение (7), определим температуру начала процессов преобразования в испытуемом масле, которая составила 153,3 °С
Критическая температура преобразований в исследуемом масле определялась при значении коэффициента ПТОС = 0,05 по зависимости
lg ПТОС (рис. 9, прямая 1). Данная зависимость пересекает ось времени при температуре 224,5 °С, которая является критической, т.к. за один час термо-статирования коэффициент ПТОС увеличился до значения 0,05.
Выводы. В результатате проведённых исследований предложены следующие показатели термоокислительной стабильности, включающие оптическую плотность, испаряемость, кинематическую вязкость и коэффициент термоокислительной стабильности, а также температуры начала процессов окисления, испарения, изменения коэффициента термоокислительной стабильности и критические температуры этих процессов, что позволяет сравнивать различные масла, более точно определять группу эксплуатационных свойств и обоснованно выбирать смазочные масла в зависимости от температурных условий работоспособности механических систем.
1. Ковальский Б.И. Методы и средства повышения эффективности использования смазочных материалов. Новосибирск: Наука, 2005. 341 с.
Ковальский Болеслав Иванович, д-р техн. наук, профессор, ¡лЬмпатаИ.ги, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Список литературы
Безбородов Юрий Николаевич, д-р техн. наук, профессор, Lahsm a.mail. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Верещагин Валерий Иванович, канд. техн. наук, доцент, Valeri-2502@mail. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Петров Олег Николаевич, канд. техн. наук, доцент, Petrov oleqa,mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Шрам Вячеслав Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент, shram IHrusamail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Кравцова Екатерина Геннадьевна, канд. техн. наук, доцент, rina_986@mail. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа
METHOD FOR DETERMINING THE INDICATORS OF THERMO-OXIDATIVE STABILITY OF MOTOR OILS AND THEIR TEMPERATURE AREA
B.I. Kovalsky, N. Yu. Bezhorodov, V.I. Vereshchagin, O.N. Petrov, V.G. Shram, E.G. Kravtsova
The paper presents the results of the study of synthetic motor oil ALPHA S 5W 30 SN to determine the indicators of thermal oxidative stability, including optical density, evaporation, thermal oxidative stability coefficient, relative viscosity and temperature range of their manifestation. The temperatures of the onset of oxidation processes and temperature transformations in the oil, as well as the critical temperatures of these processes, are determined.
Key words: optical density, evaporation, coefficient of thermo-oxidative stability, time of temperature control, temperatures of the onset of oxidation and evaporation processes, critical temperatures of oxidation and evaporation.
Kowalski Boleslav Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Lahsmamail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Bezborodov Yuriy Nikolayevich, doctor of technical sciences, professor, Labsmamail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Vereshchagin Valery Ivanovich, candidate of technical sciences, docent, Valeri-2502@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Petrov Oleg Nikolayevich, candidate of technical sciences, docent, Petrov oleqamiail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and
Gas,
Shram Vyacheslav Gennadevich, candidate of technical sciences, docent, shram I Hrusamail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Kravtsova Ekaterina Gennadevna, candidate of technical sciences, docent, rina_986@mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas
