Методы выявления возможных причин потери моторным маслом рабочих характеристик Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 665.6

11 2 2 М.Е. Федосова , А.Е. Федосов , Л.А. Бердников , С.В. Ильянов ,

2 3

К.А. Горбунов , А.И. Шишкин

МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ ВОЗМОЖНЫХ ПРИЧИН ПОТЕРИ МОТОРНЫМ МАСЛОМ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Дзержинский политехнический институт (филиал) Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева1,

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева2,

ОАО «Авиабор», г. Дзержинск

Рассматривается проблема выявления причин отказов двигателей внутреннего сгорания вследствие ухудшения основных физико-химических характеристик моторного масла. С помощью метода ИК-спектроскопии определены химические составы горюче-смазочных материалов до и после эксплуатации, выявлены основные механизмы химического взаимодействия компонентов масла и присадки, определены физико-химические свойства моторного масла, являющиеся приоритетными для нормальной работы двигателей внутреннего сгорания.

Ключевые слова: моторное масло, присадки к моторному маслу, вязкостные свойства масла, химическая реакция, образование высокомолекулярных эфиров.

Моторные масла - это группа масел, которые используются для смазывания двигателей внутреннего сгорания. Моторные масла являются продуктами переработки нефти [1]. Состоят они из основы - базового масла - и присадок. Свойства масла определяются, прежде всего, химическим составом основы, присадки же предназначены для корректировки и улучшения этих характеристик. С помощью присадок можно значительно повысить эксплуатационные свойства моторных масел, даже изготовленных из не самых лучших базовых масел. При длительной эксплуатации, особенно при высоких нагрузках, присадки разрушаются, и конечное качество моторного масла, проработавшего в двигателе более половины положенного срока, определяется качеством базового масла [3].

Технология получения товарных масел довольно сложная и трудоемкая. Базовое масло получают смешиванием дистиллятного (полученного из мазута) и остаточного (полученного из гудрона), прошедших соответствующие виды очисток от нежелательных компонентов (смол, сернистых соединений, высокозастывающих компонентов и др.). Затем к базовому маслу, отвечающему требованиям стандарта по ряду физико-химических показателей качества, добавляют комплекс присадок. При добавлении присадок учитывают их совместимость, т.е. присадки должны выполнять только функции, для которых они предназначены, не ухудшая других качеств масла и не влияя на действие других присадок. Кроме того, присадки не должны выпадать в осадок и разлагаться при хранении масел. Учитываются и эксплуатационные факторы работы масел: температура, давление, наличие цветных металлов и сплавов, вид топлива и др. Поэтому состав присадок (соответственно и масел) для двигателей (бензиновых и дизельных, малофорсированных и высокофорсированных, турбонаддув-ных и без турбонаддува) различен.

К современным моторным маслам предъявляются определенные требования, главными из которых являются следующие:

1) высокие моющая, диспергирующе-стабилизирующая, пептизирующая и солюбили-зирующая способности по отношению к различным нерастворимым загрязнениям, обеспечивающие чистоту деталей двигателя;

2) высокая термическая и термоокислительная стабильность, позволяющая использо-

© Федосова М.Е., Федосов А.Е., Бердников Л.А., Ильянов С.В., Горбунов К.А., Шишкин А.И., 2014.

вать масла для охлаждения поршней, а также повышать предельный нагрев масла в картере и увеличивать срок между заменами;

3) хорошие противоизносные свойства: эти свойства обеспечиваются прочностью масляной пленки, необходимой вязкостью при высокой температуре и высоком градиенте скорости сдвига, а также способностью химически модифицировать поверхность металла при граничном трении и нейтрализовать кислоты, образуемые при окислении масла [2], и др.

Один из показателей качества масла - его вязкость (сила внутреннего трения). От ее значения зависят техническое состояние двигателя, расход топлива и масла. По вязкостным показателям подбирается масло для определенного двигателя в зависимости от конструкции, технического состояния, условий эксплуатации, сезонности и других факторов. Значение вязкости масла входит в его маркировку в виде цифрового индекса, например, М-8В-1, М-10Г2, где цифры 8 и 10 обозначают значение кинематической вязкости (мм /с), при 100 °С. Использование маловязких масел (тем более загущенных — всесезонных) позволяет экономить топливо. Но, с другой стороны, использование маловязкого масла может стать причиной повышенного износа деталей, в том числе абразивного, увеличения расхода масла на угар. Например, расход масла М-5з/12Г1 на угар больше по сравнению с расходом на угар масла М-12Г1. Но применение масел с повышенной вязкостью связано с увеличением механических потерь, ухудшением пуска двигателя, увеличением пусковых износов. Масла подбирают такой вязкости, которая обеспечивала бы надежную смазку, небольшой расход на угар, легкий пуск двигателя, отвод теплоты и др. Оптимальное значение вязкости масла в каждом конкретном случае обеспечивает минимальный износ деталей двигателя, достаточную скорость подачи масла к цилиндрам, максимальный отвод теплоты (масло отводит 1,5-4,5 % теплоты, выделяемой при сгорании топлива), уплотнение зазоров (обеспечивает минимальный прорыв отработавших газов в масляный картер и расход масла на угар). Масла в зависимости от вязкостных свойств используются при зимней и летней эксплуатации. Использование зимой летних сортов масел ведет к дополнительному расходу топлива до 8 %; использование зимних масел летом - к повышенному износу двигателя, увеличению расхода масла на угар.

От значения вязкости зависит прокачиваемость по масляной системе, отвод тепла от трущихся поверхностей, их чистота. Это обеспечивает масло с меньшей вязкостью. Для уплотнения зазоров в изношенных двигателях при работе с повышенными давлениями требуются масла с более высокой вязкостью.

Вязкость не является величиной постоянной, она изменяется с изменением температуры. Качественными маслами являются те, которые имеют небольшую вязкость при отрицательных температурах и обеспечивают хорошую текучесть, минимальные пусковые изно-сы, а при рабочих температурах имеют высокую вязкость (независимо от температуры вязкость остается стабильной) и хорошие смазочные свойства. Для характеристики вязкостно-температурных свойств масел существует ряд показателей: значение вязкости при температурах 100, 50, 0, -18 °С, соотношение вязкостей при различных температурах, вязкостно-температурные коэффициенты, индексы вязкости. Международным показателем вязкостно-температурных свойств масел является индекс вязкости.

Индекс вязкости - безразмерная условная величина, характеризующая степень изменения вязкости с изменением температуры, наклон вязкостно-температурной кривой. Чем меньше изменяется вязкость с изменением температуры, тем выше индекс вязкости. Качественными маслами по вязкостно-температурным свойствам являются масла с индексом вязкости выше 100. В первую очередь это всесезонные с индексом вязкости выше 125. Сезонные масла - зимние и летние - могут иметь индекс вязкости менее 100.

Работа современных двигателей внутреннего сгорания невозможна без надежного функционирования системы смазки. Однако свойства масел могут изменяться в достаточно широких пределах под влиянием различных факторов. Наиболее распространенными факторами, влияющими на основные свойства масла, являются не только исходное качество базо-

вого масла, условия его эксплуатации, но и другие причины, например, добавление владельцем автомобиля неподходящих для данного масла присадок. Такие воздействия на смазочную систему автомобиля часто приводят к серьезным поломкам двигателя.

Установление механизма выхода двигателя из строя в таком случае является трудной задачей, решить которую невозможно без применения высокоточных методов химического анализа.

Для определения механизма поломки двигателя, связанного с сильным загустением масла и, как следствие, невозможностью выполнения им прямых функций, авторами применен способ ИК-спектроскопии [4]. Для описания наиболее вероятного механизма химического взаимодействия компонентов добавленной присадки с компонентами моторного масла в данном случае требуется проведение анализа нескольких проб смолообразных отложений из различных частей системы смазки и двигателя автомобиля. Для решения поставленной задачи были получены образцы из поддона двигателя внутреннего сгорания (№ 1); масла непосредственно из двигателя внутреннего сгорания (№ 2); масла из масляного фильтра (№ 3) и непосредственно с его поверхности (№ 4); исходной присадки, залитой в систему смазки двигателя, (№ 5); неиспользованного «свежего» моторного масла той же марки (№ 6).

Все исследования по определению преобразования масла после добавления несовместимой присадки в двигателе внутреннего сгорания проводили с использованием ИК-спектроскопии на приборе Spectrum BX II (производитель Perkin Elmer) с использованием кювет из хлорида натрия.

"25:

2.0 -Т5Г- со тц Г

1 t ю т

1.0 . 0.5 ■ 1 о й ш 0 г- £ CN 1 S 1 СМ &> г 1 ^ т-1 5! тЛ Г s У ЧЛГ II (ill 1 Ml

'Ч/ 1 1 М ^ \ 8» /Ч J со СО CN ?

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

№\епитЬег (ст-1)

Рис. 1. ИК-спектры образцов № 1-4

Проба отработанного масла представляет собой сложную смесь большого числа соединений, включая само исходное масло, добавки, продукты химической деградации и примеси. ИК-спектр такой пробы является суперпозицией спектров отдельных компонентов и состоит из большого числа перекрывающихся пиков.

При анализе отработанного масла особое внимание уделяется изменениям, происходившим с момента заливки «свежего» масла. По этой причине необходимо было иметь ИК-спектр «свежего», неиспользованного масла, который применяется в дальнейшем в качестве

спектра сравнения. Сравнение ИК-спектров «свежего» масла и масла из двигателя внутреннего сгорания позволяет определить возможные превращения, происходящие в масляной системе двигателя внутреннего сгорания.

При исследовании представленных образцов все из них были разделены на две группы: первая группа - масло из двигателя внутреннего сгорания (образец № 2 и образцы № 1, 3, 4), вторая группа - образец нового масла (образец № 6) и присадка (образец № 5). На рис. 1 представлены ИК-спектры образцов из первой рассматриваемой группы (образцы № 1-4).

Анализируя область спектра от 500 до 2000 см- и от 2500 до 3500 см-1, можно заметить, что образцы имеют одинаковые полосы поглощения, что свидетельствует об их одинаковом химическом строении. Различия между образцами № 1 -4 наблюдается только в интен-сивностях пиков в области от 500 до 2000 см-1 и от 2500 до 3500 см-1, что объясняется различным содержанием смолообразных продуктов. Учитывая, что химический состав образцов № 1-4 идентичен, для уменьшения массива обрабатываемых визуальных данных в дальнейших сравнениях ИК-спектров за представительный примем спектр образца № 2.

На рис. 2 представлены ИК-спектры образцов нового масла (образец № 6), присадки (образец № 5) и представительной пробы № 2.

-

2.0 - Г

1.5 - 1 ю т

SB (D СМ т (N /\ E5Ö Р3

0.5 - J U W ^ 1 ^ 1 т о 8 Ц/л ю8

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

№\\епитЬег (ст-1)

Рис. 2. ИК-спектры образцов № 2, № 5, № 6:

образец № 2 - отработанное масло из двигателя внутреннего сгорания; образец № 5 - присадка, залитая в двигатель внутреннего сгорания; образец № 6 - «свежее» масло

Следует особенно отметить, что в представленных на исследование образцах № 5 и № 6 отсутствует вода. ИК-спектр воды имеет интенсивный легкораспознаваемый пик в области частот от 3000 до 3600 см-1, соответствующий валентным колебаниям ОН-групп, участвующих в водородной связи. На рис. 2 подобной картины не наблюдается, что позволяет однозначно судить об отсутствии воды в образцах № 5 и № 6. Однако следует отметить, что на рис. 1 в указанной области спектра имеются пики малой интенсивности. Это объясняется наличием небольшого количества воды в отработанном масле, что

свидетельствует о некотором времени его использования, так как вода - один из продуктов окисления углеводородов, являющихся основным компонентом масел и топлив.

Анализируя ИК-спектры образцов № 2-№ 6, можно видеть в образце № 2 не наблюдается интенсивных пиков поглощения, характерных для присадки (образец № 5), но есть новые пики в области от 1000 до 1500 см-1, подобных пиков поглощения нет и в образце № 6. Это свидетельствует о возможности протекания химической реакции между компонентами присадки (образец № 5) и масла из двигателя автомобиля. Полосы поглощения новых химических соединений (область от 1000 до 1500 см-1, образец № 2) и соединений, подвергшихся превращению из образца № 5, сведены в табл. 1.

Таблица 1

Полосы поглощения новых химических соединений

Полосы поглощения веществ, подвергшихся превращению из образца № 5 Полосы поглощения веществ, образовавшиеся в образце № 2

Длина волны, см-1 Группы и типы колебаний Длина волны, см-1 Группы и типы колебаний

1267 Rcн2a 1242 -СOO- (эфирная группа)

923 - 1192 -СOO- (эфирная группа)

735 ^-а 1151 -СOO- (эфирная группа)

667 ^-а 1064 -СOO- (эфирная группа)

613 ^-а 988 -ТО^

750 5-(Ш2)3-

722 5-(Ш2)П-

Из табл. 1 видно, что в условиях эксплуатации масла и присадки (образец № 5) произошла реакция свободных кислот, образующихся при окислении масла с хлорорганическими соединениями углеводородов, которые являются основой присадки, в результате чего образовались высокомолекулярные сложные эфиры. В общем виде схему превращения присадки (образец № 5) и образования новых продуктов (образец № 2) можно представить так:

Продукты окисления масла кислого характера

Присадка

Сложные высокомолекулярные эфиры

Моторное масло характеризуется сложным химическим составом, определяющим основные свойства масла: вязкость, индекс вязкости, плотность, общее кислотное число, температуру вспышки и др. Соответствие этих основных свойств необходимым параметрам, отраженных в технической документации завода-изготовителя масла, в инструкции по применению масла, должно обеспечивать корректную работу смазочной системы и нормальную работу двигателя. В случае, когда химический состав масла меняется (с течением времени - процесс естественного старения масла - или по причине протекания химической реакции между компонентами масла и компонентами присадки), основные свойства масла могут значительно изменяться, что приводит к некорректной работе смазочной системы двигателя и к отказу двигателя.

Применяя указанный факт к данному случаю, можно сделать вывод: в моторное масло, обладающее определенным химическим составом (рис. 2), была добавлена присадка, в результате чего химический состав масла изменился вследствие расходования исходных компонентов масла и образования сложных высокомолекулярных эфиров. Изменение химического состава масла повлекло изменение его свойств, особенно вязкостных,

поскольку такие вещества, как сложные высокомолекулярные эфиры легко склонны к агломерации, укрупнению, и вместе с тем практически не растворимы ни в одном растворителе, что в совокупности приводит к значительному увеличению вязкости. Таким образом, основной параметр масла - вязкость - был изменен в результате протекания химической реакции, масло не могло больше выполнять своих функций, в результате чего произошел отказ в работе двигателя.

Библиографический список

1. Топлива, смазочные материалы и технические жидкости / В.В. Остриков [и др.]. - Тамбов: ТГТУ, 2008.

2. Динцес, А.И. Синтетические смазочные масла / А.И. Динцес, А.В. Дружинина. - М: Химия, 1958.

3. Андреев, Г.П. Современные автомобильные моторные масла: учеб. пособие / Г.П. Андреев. -Орел: ОрёлГТУ, 2005.

4. Применение методов молекулярной и атомарной спектроскопии к исследованию продуктов нефтепереработки, нефтехимии и катализаторов // Труды ВНИИНП. 1976. Вып. 19. - 106 с.

Дата поступления в редакцию 20.09.2014

M.E. Fedosova1, A.E. Fedosov1, S.V. Ilyanov2, L.A. Berdnikov2, K.A. Gorbunov2, A.I. Shishkin3

METHODS OF IDENTIFY POSSIBLE CAUSES LOSS ENGINE OIL'S PERFORMANCE CHARACTERISTICS

Dzerzhinsk polytechnic institute (branch) Nizhny Novgorod state technical university n. a. R.E. Alexeev1, Nizhny Novgorod state technical university n. a. R.E. Alexeev , OJSC AVIABOR3

Objective: To define the mechanism of chemical interaction between incompatible motor oils and additives. Design / methodology / approach: Mechanism revealed by IR spectroscopy; chemical composition studies of the engine oil and the additive before and after operation were conducted; chemical composition of the precipitate was determined; mechanism of chemical interaction of working fluids was determined on the basis of the data obtained. Conclusion: As a result of incompatible motor oils and additives viscosity motor oil has increased significantly since high molecular weight esters formed; in the end, all this has led to engine failure.

Results and their field of application: The identification of mechanisms allows us to understand what components are additive adversely affect the properties of engine oil and adjust retseputry additives for motor oil. Originality / value: This work differs from the similar use of modern analytical techniques.

Key words: motor oil, additives for motor oil, viscosity properties of chemical reaction, the formation of high molecular weight esters.