CC BY
99
УДК 629.113.004.67
А.С. Денисов, А.О. Носов, А.Р. Асоян ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗМЕНЕНИЯ МОЮЩЕ-ДИСПЕРГИРУЮЩИХ И ВЯЗКОСТНЫХ СВОЙСТВ МОТОРНОГО МАСЛА В ПРОЦЕССЕ РАБОТЫ ФОРСИРОВАННЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Теоретически обоснованы тенденции изменения показателей состояния масла в процессе работы форсированных двигателей при различных условиях долива для компенсации угара.
Состояние моторного масла, форсированные автотракторные двигатели, старение моторного масла.
A.S. Denisov, A.O. Nosov, A.R. Asoyan THEORETICAL ASPECTS OF OIL QUALITIES CHANGE IN THE PROCESS OF HIGH-POWERED DIESELS WORK
Tendencies of oil condition indexes change were theoretically proved in the process of high-power engines work at various circumstances of topping up for burning compensation.
Engine oil quality, high-power cars and tractors engines, engine oil ageing.
Одной из ведущих тенденций совершенствования моторных масел в связи с форсированием двигателей является повышение содержания присадок. Особенно это относится к моюще-диспергирующим присадкам. Назначение моюще-диспергирующих присадок - снижение интенсивности образования углеродистых отложений, главным образом на цилиндропоршневой группе и турбокомпрессоре. В качестве моющих и диспергирующих присадок используют высокощелочные сульфонаты, алкилсалицилаты, а также алкилфеноляты и различные другие соли сульфокислот и карбоновых кислот.
Моющие присадки являются поверхностно-активными веществами (ПАВ), которые предотвращают агломерацию (слипание) нерастворимых продуктов окисления с последующим отложением их на деталях двигателя. Моющие присадки по своему действию делят на детергенты и дисперсанты.
Детергенты (detergents) [1] являются поверхностно-активными веществами, обладающими моющими свойствами, защищающими поверхность деталей от прилипания и скопления на них про-
дуктов окисления. Анионными детергентами обычно бывают маслорастворимые алкилбензолсуль-фонаты, фосфонаты и другие аналогичные соединения. Они имеют щелочные свойства и являются эффективными нейтрализаторами кислых продуктов окисления. По щёлочности, характеризующей эффективность присадок, сульфонаты делятся на нейтральные (10-30 мг КОН/г), щелочные (30-100 мг КОН/г) и высокощелочные (100-300 мг КОН/г). Щелочные присадки особенно необходимы в маслах для дизелей для нейтрализации серной и сернистой кислот, образующихся при сгорании сернистого дизельного топлива.
Сульфонаты, фосфонаты и другие детергенты являются солями металлов, поэтому при сгорании образуют золы. Такие присадки называют высокозольными. В настоящее время наряду с ними используются новые органические синтетические детергенты, которые называются малозольными или беззольными присадками. В современных моторных маслах применяют сложные композиции из обоих детергентов. Особую активность детергенты проявляют в горячем двигателе, что следует учитывать при замене масла.
Дисперсанты (^регеа^) [1] подавляют агломерацию и слипание продуктов окисления, образование шлама и осаждение смолистых отложений на поверхности деталей. В качестве дисперсантов обычно используются полимеры с полярными группами и сукцинимиды. Дисперсаны поддерживают коллоидные частицы продуктов окисления и загрязнений во взвешенном состоянии. В основном они поддерживают чистоту непрогретого двигателя. При эффективной работе дисперсантов моторное масло темнеет, а диспергированные мелкие продукты окисления не забивают фильтры и не осаждаются на горячих деталях двигателя.
Закономерности изменения концентрации присадок в масле в процессе эксплуатации основаны на законах химической кинетики. Химическая кинетика - раздел физической химии, изучающий скорости химических реакций. Скорость химической реакции в растворе определяется изменением числа молекул вещества dn в единицу времени dt в единице объёма V
Знак плюс используют, если скорость определяется по продукту, а минус - по исходному веществу.
Скорость реакции зависит от природы реагирующих веществ, их концентрации, температуры и наличия катализатора. Зависимость скорости реакции от концентрации описывается основным постулатом химической кинетики - законом действующих масс: скорость химической реакции в каждый момент времени пропорциональна текущим концентрациям реагирующих веществ C, возведённым в некоторые степени
где k - константа скорости (не зависящая от концентрации); x, у - некоторые числа, которые называют порядком реакции по веществам A и B, соответственно.
На основе закона действующих масс получена зависимость концентрации исходного вещества от времени
Время, за которое распадается половина вещества, называется периодом полураспада tI/2 и определяется по формуле
(2)
(3)
Интегрируя это уравнение в пределах от 0 до t, получим
(4)
Работа автомобильного двигателя оценивается пробегом автомобиля, который при сложившихся условиях эксплуатации прямо пропорционален времени. Поэтому уравнения (3) и (4) с использованием пробега I примут вид
ЧСА <£!
с =сп*
= к С,
(6)
(7)
Схематично зависимость (7) приведена на рис. 1.
Однако эти уравнения справедливы при постоянном объёме масла в смазочной системе. В процессе эксплуатации автомобиля повышается расход масла на угар, предельное значение которого составляет 2-2,5 % [2]. Так для автомобиля КАМАЗ-6520 с двигателем КАМАЗ-740.51-320 расход топлива составляет 39 л/100 км. При месячном пробеге 4,5-5 тыс. км (по отчётным данным) расход масла на угар составит 35-48 л. Даже если принять средний расход масла на угар в два раз меньше предельного, то расход масла в месяц составит 17-24 л, что соизмеримо с объёмом смазочной системы.
Рис. 1. Закономерность изменения щёлочности моторного масла в процессе работы без долива
Поэтому при составлении исходного дифференциального уравнения расхода щелочной присадки в процессе работы необходимо учитывать параметры долива масла. В процессе эксплуатации двигателя с постоянным количеством масла О в масляной системе (при доливе масла, равном его угару), количество щелочной присадки с зависит от исходного с0 количества, интенсивности расхода ас щелочной присадки, отнесённой по всему количеству масла в системе в долях единицы с, на нейтрализацию продуктов окисления, интенсивности угара Qу и долива Qд масла [1].
За пробег сИ количество щелочной присадки уменьшается на Сс в единице объёма масла или ОСс во всём объёме. Такое уменьшение произойдёт из-за расхода щелочной присадки на нейтрализацию продуктов окисления за этот пробег ассС/, потери щелочной присадки со сгоревшим маслом Qуcdl и поступления щелочной присадки при доливе масла Qуc0dl; поскольку Qу = Qд = Q
— :■ (8)
Интенсивность, долю ас расхода единицы щелочной присадки за единицу пробега на нейтрализацию продуктов окисления принимают пропорциональной содержанию серы в топливе и расходу топлива.
После математических преобразований и решения уравнения вначале относительно I получают затем зависимость щёлочности с от пробега I:
'.д+нс.ч-,
\Ч-¥аеа
(9)
При снижении щёлочности ниже значения сп увеличивается коррозионный износ из-за неполной нейтрализации кислот. Поэтому если уровень первоначальной щёлочности с0 большой, а с > сп при значительном пробеге, то срок замены масла определяется накоплением загрязнений. Схематично процесс изменения щёлочности при доливе масла показан на рис. 2.
С
(<3+«с)?\
Рис. 2. Закономерность изменения щёлочности моторного масла в процессе работы с доливом
В процессе форсирования двигателей, в том числе и использованием турбонаддува, существенно повышается температура деталей, что не учтено в дифференциальном уравнении (8). Скорость большинства реакций увеличивается с ростом температуры (термоактивируемые процессы). Для количественного описания температурных эффектов в химической кинетике используются два основных соотношения - правило Вант-Гоффа и уравнение Аррениуса.
Правило Вант-Гоффа заключается в том, что при нагревании 10оС скорость большинства химических реакций увеличивается в 2-4 раза. Это правило является приближённым, поэтому чаще используют уравнение Аррениуса
где Я - универсальная газовая постоянная; А -множитель, определяемый природой реакции; Еа -энергия активации; Т абсолютная температура в оК.
Если в мало форсированных двигателях температура деталей по мере отложений продуктов окисления масла возрастала на 5-7оС [2], то в форсированных турбонаддувом дизелях - на 20-30 оС. Это необходимо учитывать при составлении дифференциального уравнения (8). Запишем его в виде
Решение уравнения с помощью программного средства «МаЙаЬ 6.5» [3] позволило получить следующее уравнение в общем виде
(10)
СсЕс
(11)
Ъ
(12)
При начальных условиях: при 1=0 С=Со получим следующее выражение
ъ
(13)
Видим, что в уравнение входит функция erf, которая имеет характер кумулятивной кривой. Это свидетельствует о наличии точки перегиба в функции щёлочности от наработки. То есть, с начала работы свежего масла резко снижается его щёлочность, но скорость реакции снижается и стабилизируется. Затем вследствие роста температуры деталей из-за отложений скорость реакции возрастает. Схематично это представлено на рис. 3.
Как видно из выражения (13) оно имеет сложный характер, хотя и получено с учётом допущений. Поэтому для практического прогнозирования щёлочности моторного масла в процессе работы это уравнение целесообразно аппроксимировать полиномом третьей степени, имеющем точку перегиба, как и исходное уравнение
где a, b, c, d - параметры кривой, определяемые по экспериментальным данным методом наименьших квадратов.
Такой характер кривой объясняет такую устойчивую эксплуатационную особенность, что 50 % износа деталей двигателя происходят в последние 20 % его срока службы [4]. Поэтому от наработки до замены масла существенно зависит надёжность двигателя.
Вязкостные присадки применяются для улучшения вязкостно-температурных характеристик. В иностранной литературе их называют улучшающими индекс вязкости или модификаторами индекса вязкости (viscosity index improvers, viscosity index modifiers - VIM). К вязкостным присадкам относятся и депрессанты температуры застывания, действие которых основано на подавлении гелеобразо-вания при низкой температуре из-за кристаллизации парафина.
В качестве вязкостных (загущающих) присадок используют полиизобутилены и полиметакрилаты [1]. Эффект их применения зависит от особенностей масляной основы и объясняется свёртыванием их молекул кольцом при низких температурах и развёртыванием при высоких, что способствует возрастанию вязкости.
С
Рис. 3. Закономерность изменения щёлочности моторного масла в процессе работы с доливом и с учётом влияния температуры деталей
■ 11 ■ r2 + dl3
(14)
Накопление в масле в процессе работы асфальтосмолистых компонентов вызывает повышение его вязкости. Однако вследствие неудовлетворительной работы топливной аппаратуры дизелей, особенно на частичных режимах, часть топлива не сгорает, а попадает в картер двигателя. Вследствие этого вязкость масла снижается в процессе работы.
Для форсированных автотракторных двигателей характерно снижение вязкости масла в процессе работы. Это обусловлено ухудшением состояния топливной аппаратуры. За наработку 16-20 тыс. км, то есть до замены масла, давление впрыска топлива форсунками снижается на 15-20 % [2], что существенно ухудшает качество распыливания и испаряемость. При этом всё большая доля топлива не сгорает, а попадает в картер и разжижая масло.
Поэтому тенденцию снижения вязкости моторного масла в процессе работы можно принять аналогичной тенденции снижения щёлочности, то есть использовать уравнение (14).
Справедливость такого механизма снижения вязкости моторного масла в процессе работы подтверждается и снижением температуры вспышки. Это свидетельствует об увеличении доли лёгких (топливных) фракций в масле. Тенденцию изменения этого показателя в процессе работы масла также можно описать уравнением (14).
Таким образом, изменение показателей состояния моторного масла в процессе работы форсированных двигателей характеризуется тремя фазами вследствие роста температуры из-за отложений на деталях. Это особенно обусловливает срок замены моторного масла.
ЛИТЕРАТУРА
1. Балтенас Р. Моторные масла. Производство. Свойства. Классификация. Применение / Р. Балтенас, А.С. Сафонов, А.И.Ушаков, В. Шергалис. М., СПб.: Альфа-Лаб, 2000. 272 с.
2. Денисов А.С. Изменение технического состояния основных элементов дизелей КАМАЗ-ЕВРО в процессе эксплуатации / А.С. Денисов, В.П. Захаров, А.Р. Асоян // Технологические и организационные проблемы сервиса машин и пути их решения: сб. науч. тр. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т. 2010. С. 16-24.
3. Шампайн Л.Ф. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений с использованием МАТЬАБ: учеб. пособие / Л. Ф. Шампайн, И. Гладвел, С. Томпсон. 1-е изд. СПб.: Лань, 2009. 304 с.
4. Кузьмин Н.А. Процессы и закономерности изменения технического состояния автомобилей в эксплуатации: учеб. пособие / Н.А. Кузьмин; НГТУ. Н. Новгород, 2002. 142 с.
Денисов Александр Сергеевич -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Носов Антон Олегович -
аспирант кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Асоян Артур Рафикович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Alexandr S. Denisov -
Dr.Sc., Professor,
Head of Vehicles and Vehicles Fleet Chair Gagarin Saratov State Technical University
Anton O. Nosov -
Ph.D. fellow of Vehicles and Vehicles Fleet Chair Gagarin Saratov State Technical University
Artur R. Asoyan -
Ph.D., Associated
Professor of Vehicles and Vehicles Fleet Chair Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13
