CC BY
23
УДК 621.892.8-721
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРНОЙ ДЕСТРУКЦИИ МИНЕРАЛЬНОГО МОТОРНОГО МАСЛА ТАС Н1РШ \0W-40 8Ь
Е.А. Ермилов, Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, В.А. Балясников
Представлены результаты исследования влияния процессов окисления и температурной деструкции на оптические свойства, кинематическую вязкость, испаряемость и противоизносные свойства минерального моторного масла. Установлено, что процессы температурной деструкции замедляют скорость изменения оптической плотности, испаряемость и увеличивают кинематическую вязкость и противоизнос-ные свойства, однако при оптической плотности больше 0,47 процессы температурной деструкции преобладают над процессами окисления.
Ключевые слова: оптическая плотность, испаряемость, коэффициент относительной вязкости, показатели термоокислительной стабильности и температурной деструкции, приращение скорости процессов окисления и температурной стойкости, показатели противоизносных свойств при окислении и температурной деструкции.
При эксплуатации двигателя внутреннего сгорания на поверхностях трения одновременно протекают процессы окисления, температурной деструкции и химические реакции металлов с их продуктами и присадками. Однако доминирующее влияние одного из процессов на физико-химические и противоизносные свойства масел изучены недостаточно. Поэтому целью настоящих исследований является определение доминирующего влияния продуктов окисления или температурной деструкции на изменение оптических свойств, испаряемости, кинематической вязкости и противоизносных свойств минерального моторного масла НШЬО 10Ш-40 8Ь.
Методика предусматривала применение следующих средств контроля и испытания: прибора для оценки термоокислительной стабильности, прибора для оценки температурной стойкости, малообъемного вискозиметра, фотометра, трехшариковой машины трения, оптического микроскопа «Альтами МЕТ 1М» и электронных весов. Технические характеристики приборов приведены в работах [1-3].
Методика испытания минерального моторного масла НШЬО 10Ш-40 8Ь на термоокислительную стабильность предусматривала два этапа. На первом этапе проба масла массой 100±0,1 г заливались в стеклянный стакан прибора для оценки термоокислительной стабильности и термостатировалось при температуре 170 0С с перемешиванием стеклянной мешалкой с частотой вращения 300 об/мин. После каждых 8 часов испытания стакан с окисленным маслом взвешивался для определения массы
испарившегося масла, отбиралась часть пробы (2 г) для прямого фотомет-рирования и определения оптической плотности Б при толщине фотомет-рируемого слоя 2 мм:
л = (1)
где 300 - задаваемый ток фотометра при пустой кювете, мкА; П - показатель фотометра при фотометрировании термостатированных масел, мкА.
Часть пробы окисленного масла (9 г) использовалась для измерения кинематической вязкости. После измерения указанных показателей окисленные масла сливались в стакан, который повторно взвешивался, и испытания продолжались до достижения значений оптической плотности Б 0,5...0,6.
Второй этап заключался в оценке противоизносных свойств окисленных масел на трехшариковой машине трения со схемой «шар-цилиндр». Проба окисленного масла массой 20 г отбиралась в момент достижения оптической плотностью Б значений приблизительно равных 0,1; 0,2; 0,3; ...; 0,6, после чего проба масла в стакане доливалась товарным маслом до первоначальной массы 100±0,1 г.
Параметры трения составляли: нагрузка 10 Н, линейная скорость вращения цилиндра 0,68 м/с, температура масла в объеме 80 0С, время испытания 1,5 часа. Противоизносные свойства оценивались по среднеарифметическому значению диаметра пятна износа на трех шарах с двух опытов.
Методика испытания температурной стойкости предусматривала два этапа. На первом этапе проба масла массой 100±0,1 г заливались в стеклянный стакан прибора для оценки температурной стойкости и термо-статировалось при температуре 170 ос без перемешивания при атмосферном давлении с конденсацией паров и отводом конденсата. После каждых 8-ми часов испытания стакан с термостатированным маслом взвешивался для определения массы испарившегося масла, отбиралась часть пробы для прямого фотометрирования и определения оптической плотности Б по формуле (1). Часть пробы окисленного масла использовались для измерения кинематической вязкости.
После измерения указанных показателей термостатированное масло с фотометра и вискозиметра сливалось в стакан, который повторно взвешивался, и испытания продолжались до достижения оптической плотностью Б значений, равных 0,5. 0,6.
Второй этап заключался в оценке влияния продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства. Для этого масло испытыва-лось по вышеописанной технологии с определением тех же показателей, и дополнительно отбиралась проба масла массой 20 г для испытания на трехшариковой машине трения с теми же параметрами трения. Проба термостатированного масла массой 20 г отбиралась в момент достижения оп-
тической плотностью Б значений, приблизительно равных 0,1; 0,2; 0,3; ...; 0,6, а проба масла в стакане прибора для оценки температурной стойкости доливалась товарным маслом до первоначальной массы 100±0,1 г.
На рис. 1 представлены зависимости оптической плотности, испаряемости и коэффициента относительной вязкости от времени испытания исследуемого минерального моторного масла при температурной деструкции (кривая 1) и окислении (кривая 2). Согласно данным (рис. 1, а) в начальный период испытания в течение 16 часов интенсивность процессов окисления и температурной деструкции одинакова, дальнейшее увеличение времени испытания от 16 до 84 часов вызывает понижение интенсивности процессов температурной деструкции (кривая 1) над процессами окисления, что объясняется отсутствием перемешивания масла при термо-статировании. Однако после 84 часов испытания интенсивность процессов температурной деструкции превышает процессы окисления. Так, значение оптической плотности Б=0,56 достигается за 128 часов при окислении и за 112 часов при температурной деструкции.
Испаряемость масла (рис. 1, б) значительно уменьшается при процессах температурной деструкции. Так, за 112 часов испытания испаряемость составила при окислении 10,8 граммов (кривая 2), а при температурной деструкции 4,3 грамма (кривая 1). Это объясняется тем, что при температурной деструкции масло не перемешивалось и контакт с кислородом воздуха практически отсутствовал.
Изменение кинематической вязкости при термостатировании оценивалось коэффициентом относительной вязкости Кц, определяемым отношением
Кт=7Т^ > (3)
т ИСХ
где цТ - вязкость термостатированного масла при окислении или темпера-
2 2 турной деструкции, мм /с; цИСХ - вязкость товарного масла, мм /с.
Согласно данным (рис. 1, в) при окислении (кривая 2) и температурной деструкции (кривая 1) сохраняется общая тенденция увеличения коэффициента Кц, при термостатировании, однако продукты температурной деструкции повышают кинематическую вязкость менее интенсивно. Так, после 112 часов испытания коэффициент Кц при окислении - от 1 до 1,122, а при температурной деструкции увеличился до 1,089. Это объясняется различием в составе продуктов окисления и температурной деструкции, т.к. при окислении в масле образуются кислые продукты, которые отсутствуют при деструкции.
На рис. 2 представлены зависимости показателей П термоокислительной стабильности (кривая 2) и температурной деструкции (кривая 1), определяемые выражением [4]
П = В + К
О =
(4)
где К0 - коэффициент испаряемости,
т
КО = —
О м
(5)
где т - масса испарившегося масла при окислении или температурной деструкции, г; М - масса пробы масла перед испытаниями за определенное время термостатированния, г.
а
б
в
Рис. 1. Зависимости коэффициента поглощения светового потока (а), испаряемости (б) и коэффициента относительной вязкости (в) от времени и температуры испытания (170 С) минерального моторного масла Zic HILFO10W-40 SL: 1 - при температурной деструкции; 2 - при окислении
Рис. 2. Зависимости показателей температурной стойкости (кривая 1) и термоокислительной стабильности (кривая 2) от времени и температуры испытания 170 0сминерального моторного масла Zic HILFO10W-40 SL
Показатель П характеризует количество тепловой энергии, поглощенной смазочным маслом при термостатировании и образовании определенной концентрации продуктов окисления или температурной деструкции и испарения. Согласно данным (рис. 2) в течение всего испытания процессы температурной деструкции протекают с меньшей интенсивностью, чем процессы окисления (кривая 2).
Для сравнения интенсивности процессов окисления и температурной деструкции предложен параметр приращения скорости этих процессов АУб, определяемый выражением
аув = (Л2 - А)/<. (6)
На рис. 3 представлены зависимости приращений скорости процессов окисления и температурной деструкции за определенные отрезки времени испытания. Согласно данным установлена общая тенденция увеличения приращений скоростей процессов окисления и температурной деструкции в начальный период термостатирования, однако интенсивность процессов окисления (кривая 2) выше, чем процессов температурной деструкции. Такое увеличение приращения скоростей вызвано ростом концентрации продуктов окисления и деструкции в масле.
Вторые участки зависимостей АУБ от времени испытания характеризуются значительными колебаниями приращения скоростей как процессов окисления, так и процессов температурной деструкции, что объясняется образованием продуктов этих процессов с большей энергоемкостью. В этот период времени испытания исследуемого масла первичные продукты, образующиеся в начальный период, концентрация которых непрерывно росла, переходят в более энергоемкие, требующие больше тепловой энергии для их образования, а так как выделяемая тепловая энергия постоянна, то время образования энергоемких продуктов увеличивается, вызывая уменьшение приращения скорости процессов окисления и температурной деструкции. Переход первичных продуктов окисления и деструкции в энергоемкие наступает после 56 часов испытания.
Важным показателем эксплуатационных свойств моторных масел являются их противоизносные свойства, обеспечивающие надежность двигателей. В этой связи важно установить доминирующее влияние на проти-воизносные свойства продуктов окисления или температурной деструкции. В данной работе предложен показатель противоизносных свойств Ппс, определяемый выражением
Ппс = Л И, (7)
где И - среднеарифметическое значения диаметра пятна износа на трех шарах, мм.
Данный показатель характеризует концентрацию продуктов окисления или температурной деструкции на номинальной площади фрикционного контакта.
На рис. 4 представлены зависимости показателя противоизносных свойств от оптической плотности.
ДУо
Рис. 3. Зависимости приращения скоростей температурной деструкции (кривая 1) и окисления (кривая 2) от времени и температуры испытания 170 С минерального моторного масла
Zic HILFO10W-40 SL
Рис. 4. Зависимости показателя противоизносных свойств при температурной деструкции (кривая 1) и окислении (кривая 2) от оптической плотности и температуры испытания 170 С минерального моторного масла Zic HILFO 10W-40 SL
Установлено, что данные зависимости описываются линейными уравнениями
Ппс =ad, (8)
где а - скорость изменения показателя Ппс.
Регрессионные уравнения зависимостей имеют вид для процессов температурной деструкции Ппс = 3,625D, процессов окисления (кривая 2) ППС = 3,368D.
Коэффициент корреляции составил 0,989 и 0,998 соответственно.
190
Согласно данным (рис. 4) противоизносные свойства при температурной деструкции превышают противоизносные свойства окисленных масел в 1,08 раза, кроме того, при температурной деструкции моторного масла значения показателя Ппс более стабильны.
На основании проведенных исследований установлено следующее.
1. Процессы температурной деструкции оказывают меньшее влияние на оптические свойства минерального моторного масла НШЬО 10Ш-40 8Ь, уменьшают скорость испарения и увеличивают кинематическую вязкость.
2. Предложен показатель интенсивности процессов окисления и температурной деструкции, определяемый приращением скорости этих процессов за установленное время испытания, позволяющий утверждать образование двух видов продуктов различной энергоемкости.
3. Установлено, что продукты температурной деструкции повышают противоизносные свойства в 1,08 раза по сравнению с продуктами окисления.
Список литературы
1. Ковальский Б.И. Методы и средства повышения эффективности использования смазочных материалов. Новосибирск: Наука, 2005. 341 с.
2. Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных материалов по параметрам термоокислительной стабильности и температурной стойкости: монография / Ю.Н. Безбородов, Б.И. Ковальский, Н.Н. Малышева, А.Н. Сокольников, Е.Г. Мальцева. Красноярск: СФУ, 2011. 366 с.
3. Методы контроля и диагностики эксплуатационных свойств смазочных масел: монография / Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, О.Н. Петров, В.Г. Шрам. Красноярск: СФУ, 2015. 154 с.
4. Пат. 2371706 Российской Федерации: МПК в0Ш 25/00. Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов / Б.И. Ковальский, Е.А. Вишневская, Ю.Н. Безбородов, Н.Н. Малышева; заявитель и патентообладатель Красноярский государственный технический университет. № 2008115037/28 от 16.04.2008; опубл. 27.10.2009. Бюл. №30.
Ермилов Евгений Александрович, асп., еуегтИоуатаИ.ги, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Ковальский Болеслав Иванович, д-р техн. наук, проф., ¡лЬмп а таИ.ги, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Безбородов Юрий Николаевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ¡лЬмпатаИ.ги, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Балясников Валерий Александрович, асп., kanzas29@mail. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа
THE ASSESSMENT OF INFLUENCE OF TEMPERATURE ON PROCESSES OF OXIDATION AND THERMAL DESTRUCTION OF FULL SYNTHETIC MOTOR OIL ZIC
HIFLO 10W-40 SL
Е.А. Ermilov, B.I. Kovalsky, Y.N. Bezborodov, V.A. Balyasnikov
The results of the study of influence of the processes of oxidation and thermal destruction on the optical properties, the kinematic viscosity, volatility and anti-wear properties of full synthetic motor oil are presented. It was found, that the processes of thermal destruction have reduced the rate of change of optical density, volatility, and have increased the kinematic viscosity and anti-wear properties, however the processes of thermal destruction have dominated at the processes of oxidation, when optical density is more 0,47.
Key words: optical density, volatility, coefficient of ratable viscosity, index of ther-mooxidation stability and thermal withstandability, increment velocity of processes of oxidation and thermal destruction, index of anti-wear properties.
Ermilov Evgeny Aleksandrovich, postgraduate, evermilovamail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Kovalsky Boleslav Ivanovich, doctor of technical scienses, professor, Labsmamail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Bezborodov Yury Nikolaevich, doctor of technical scienses, professor, head of chair, Labsma mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Balyasnikov Valery Aleksandrovich, postgraduate, kanzas29@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas
