CC BY
38
УДК 621.43-4
ВЛИЯНИЕ РЕСУРСА МОТОРНЫХ МАСЕЛ НА СОСТАВ ПРОДУКТОВ СТАРЕНИЯ И ПРОТИВОИЗНОСНЫЕ СВОЙСТВА
© Б.И. Ковальский1, В.И. Верещагин2, М.М. Рунда3, В.Г. Шрам4
Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа, 660041, Россия, г. Красноярск, пр. Свободный, 82/6.
Приведены результаты исследований процессов старения синтетического моторного масла Mobil 1 New Life 0W-40 SN/SM/SL/SJ/CF в двигателе внутреннего сгорания в зимний и летний периоды эксплуатации, а именно: исследования влияния климатических условий эксплуатации и ресурса на состояние моторного масла и его трибо-технические свойства; испытания по увеличению ресурса при осуществлении периодического контроля за состоянием моторных масел. Ил. 5.
Ключевые слова: коэффициент поглощения светового потока; состав продуктов старения; кинематическая вязкость; критерий противоизносных свойств.
MOTOR OIL RESOURCE EFFECT ON AGING PRODUCT COMPOSITION AND ANTIWEAR PROPERTIES B.I. Kowalski , V.I. Vereshchagin , M.M. Runda , V.G. Shram
Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas, 82/6 Svobodny pr., Krasnoyarsk, Russia, 660041.
The article provides the research results of the aging processes of Mobil 1 New Life 0W-40 SN/SM/SL/SJ/CF synthetic motor oil in an internal combustion engine in winter and summer operation periods. The authors examine the influence of the climatic conditions and the resource on the state of the motor oil and its tribo-technical properties. Motor oils have been tested in order to increase their resource under periodic monitoring of their state. 5 figures.
Key words: coefficient of light flux absorption; composition of aging products; kinematic viscosity; criterion of anti-wear properties.
Испытания всесезонного синтетического моторного масла Mobil 1 New Life 0W-40 SN/SM/SL/SJ, предназначенного для бензиновых двигателей, проводились с ноября по апрель (зимние), и с апреля по октябрь (летние).
Методика исследования заключалась в периодическом отборе пробы работающего моторного масла массой 50 г из прогретого двигателя с помощью специального шприца с последующим фотометрировани-ем, определением коэффициента поглощения светового потока, измерением кинематической вязкости при температуре 100оС, центрифугированием с повторным фотометрированием и определением концентраций растворимых и нерастворимых продуктов старения, испытанием на трехшариковой машине трения со схемой «шар-цилиндр» и определением противоизносных свойств.
На рис. 1,а приведены зависимости коэффициента поглощения светового потока, характеризующего концентрацию общих продуктов старения, от пробега автомобиля. Зимние испытания начались после пробега автомобиля 7,6 тыс. км и продолжались до пробега 15,2 тыс. км (кривая 1), а летние испытания (кривая 2) продолжались от замены масел до пробега 20,15 тыс. км, причем при пробеге 11,4 тыс. км был осуществлен долив масла объемом 0,8 л. Инструктивный срок замены масла в двигателе согласно рекомендациям завода-изготовителя составляет 10,0 тыс. км.
Согласно полученным данным (рис. 1,а) зависимости коэффициента поглощения светового потока Кп характеризуются двумя участками различной интенсивности изменения коэффициента Кп, что указывает на образование двух видов продуктов старения раз-
1 Ковальский Болеслав Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.: (391) 2062931, e-mail: Labsm@mail.ru
Kowalski Boleslaw, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Fuel Supply, Oil and Lubricants, tel.: (391)2062931, e-mail: Labsm@mail.ru
2Верещагин Валерий Иванович, мастер производственного обучения СФУ, аспирант кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.: (391) 2062931, e-mail: Valeri-2502@mail.ru
Vereshchagin Valery, Master of vocational training of Siberian Federal University, Postgraduate of the Department of Fuel Supply, Oil and Lubricants, tel.: (391) 2062931, e-mail: Valeri-2502@mail.ru
3Рунда Михаил Михайлович, соискатель кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.: (391) 2062931, e-mail: Labsm@mail.ru
Runda Mikhail, Competitor for a scientific degree of the Department of Fuel Supply, Oil and Lubricants, tel.: (391) 2062931, e-mail: Labsm@mail.ru
4Шрам Вячеслав Геннадьевич, аспирант кафедры топливообеспечения и горючесмазочных материалов, тел.: 89504014163, e-mail: Shram18rus@mail.ru
Schram Vyacheslav, Postgraduate of the Department of Fuel Supply, Oil and Lubricants, tel.: 89504014163, e-mail: Shram18rus@mail.ru
Рис. 1. Зависимости концентрации общих Кп (а), растворимых Кпр (б) и нерастворимых Кпн (в) продуктов старения синтетического моторного масла Mobil 1 New Life 0W-40 SN/SM/SJ от пробега автомобиля: 1 - зимние условия эксплуатации; 2 - летние условия эксплуатации
личной оптической плотности. Установлено, что процессы старения масла протекают более интенсивно в зимний период эксплуатации (кривая 1). Так, например, значение коэффициента Кп = 0,3 ед. достигается в зимний период после пробега автомобиля 13,0 тыс. км, а в летний период - после пробега 19,0 тыс. км. Увеличение ресурса в летний период эксплуатации может быть связано с доливом 0,8 л масла после 11,4 тыс. км пробега.
Концентрация растворимых продуктов старения (рис. 1,б) более интенсивно увеличивается в зимний период эксплуатации (кривая 1), а в летний период эксплуатации (кривая 2) она не превышает значения Кпр = 0,1 ед. за 19,0 тыс. км пробега, причем после долива (пробег 11,4 тыс. км) концентрация растворимых продуктов уменьшается. Колебания концентрации растворимых продуктов старения Кпр в процессе эксплуатации вызваны преобразованием их в нерастворимые. Концентрация нерастворимых продуктов старения (рис. 1,в), выраженная коэффициентом Кпн, также подвержена колебаниям из-за производительности системы фильтрации и независимо от условий эксплуатации двигателя сохраняет тенденцию увеличения с увеличением пробега автомобиля.
Для оценки изменения состава продуктов старения в масле при эксплуатации двигателя введен коэффициент К, определяемый отношением концентрации растворимых продуктов к нерастворимым:
К = Кпр / Кпн
(1)
где Кпр и Кпн - соответственно концентрации растворимых и нерастворимых продуктов старения в масле.
Зависимости коэффициента К от концентрации общих продуктов старения Кп представлены на рис. 2. Показано, что четкой зависимости между концентрациями растворимых и нерастворимых продуктов старения не наблюдается. Причем, в летний период эксплуатации двигателя (кривая 2) концентрация растворимых продуктов старения в масле увеличивается более интенсивно в начале эксплуатации двигателя.
Изменение вязкости масла при эксплуатации двигателя оценивалось коэффициентом относительной вязкости Км, определяемым отношением
К, = ^р / ^т,
(2)
где и ^т - соответственно кинематическая вязкость работающего масла и товарного.
Рис. 2. Зависимости коэффициента отношения К концентрации растворимых продуктов старения к концентрации нерастворимых продуктов от коэффициента поглощения светового потока при эксплуатации синтетического моторного масла Mobil 1 New Life 0W-40 SN/SM/SL/SJ/CF в двигателе внутреннего сгорания: 1 - зимние условия эксплуатации; 2 - летние условия эксплуатации
Рис. 3. Зависимости коэффициента относительной вязкости Кр от коэффициента поглощения светового потока при эксплуатации синтетического моторного масла Mobil 1 New Life 0W-40 SK/SM/SL/SJ/CF в двигателе внутреннего сгорания: 1 - зимние условия эксплуатации; 2 - летние условия эксплуатации
Установлено (рис. 3), что в зимний период эксплуатации (кривая 1) вязкость более стабильна и за весь период эксплуатации увеличивается на 16%, а в летний период (кривая 2) вязкость увеличивается, однако после долива (0,8 л) уменьшается. За весь период эксплуатации в летний период (19,0 тыс. км) вязкость увеличилась на 53% (допустимая норма увеличения 30-35%). Поэтому допустимый ресурс синтетического масла по вязкости составляет 18 тыс. км пробега.
Противоизносные свойства работающих масел оценивались по среднеарифметическому значению диаметров пятен износа на трех шарах. Параметры трения: нагрузка - 13Н, скорость скольжения - 0,68 м/с, температура масла в объеме составляла 80оС и в процессе испытания поддерживалась автоматически, время испытания - 2 часа.
Согласно данным (рис. 4,а), в начале эксплуатации двигателя противоизносные свойства синтетического масла понижаются за счет его приспосабливае-мости к условиям эксплуатации и отсутствия необходимой концентрации продуктов старения, однако на них влияют климатические условия эксплуатации. Так, в зимний период эксплуатации противоизносные свойства работавшего масла ниже (кривая 1), чем в летний период (кривая 2). Повышение противоизносных свойств работающих масел начинается в зимний период эксплуатации при значении Кп = 0,125 ед., а в летний период - при Кп = 0,05 ед. После резкого повышения противоизносных свойств наблюдается незначительное их понижение независимо от климатических условий эксплуатации, однако оно наступает при различных значениях коэффициента Кп, который для зимних условий эксплуатации равен 0,175 ед., а для летних - 0,07 ед.
При значении Кп = 0,23 ед. для зимних условий эксплуатации и Кп = 0,16 ед. для летних условий сохраняется тенденция повышения противоизносных свойств, которые превышают противоизносные свойства товарных масел (точка на ординате). Необходимо отметить, что противоизносные свойства товарных масел одной классификации, но разных партий отличаются на 12%.
Влияние продуктов старения на противоизносные свойства работающих масел исследовались зависи-
мостью диаметра пятна износа и от концентрации общих (рис. 4,а) и нерастворимых (рис. 5,а) продуктов. Установлено, что при малых концентрациях нерастворимых продуктов старения независимо от условий эксплуатации двигателя противоизносные свойства работающих масел понижаются, а при их концентрации Кпн = 0,04 ед. сохраняется общая тенденция их повышения.
Для оценки противоизносных свойств работающих масел предложен критерий П, определяемый отношением
П = Кп/U, Пн = Кпн/U ,
(3)
где Кп и Кпн - концентрация общих и нерастворимых продуктов старения; и - диаметр пятна износа (среднеарифметическое значение на трёх шарах), мм.
Критерии П и Пн характеризуют концентрации общих и нерастворимых продуктов старения на номинальной площади фрикционного контакта и приняты безразмерными. Согласно полученным данным (рис. 4,б и 5,б), зависимости критериев противоизносных свойств от концентрации общих и нерастворимых продуктов старения имеют линейный характер независимо от условий эксплуатации.
Уравнения регрессии критериев противоизносных свойств от концентрации общих продуктов старения имеют вид:
для зимних условий эксплуатации (кривая 1)
П = 5,714 (Кп - 0,075) , (4)
для летних условий эксплуатации (кривая 2)
П = 4,5 Кп . (5)
Для зимних условий эксплуатации зависимость П = 1 (Кп) начинается не с нуля из-за начального значения Кп при замене масла, которое составило 0,075 ед.
Рассмотренные уравнения критериев противоизносных свойств от концентрации нерастворимых продуктов старения (рис. 5,б) независимо от условий эксплуатации имеют вид
П = 4,5 КПн . (6)
Коэффициент корреляции равен 0,95.
Рис. 4. Зависимости диаметра пятна износа U (а) и критерия противоизносных свойств П (б) от коэффициента поглощения светового потока при испытании в двигателе внутреннего сгорания синтетического моторного масла Mobil 1 New Life 0W-40 SN/SM/SL/SJ/CF: 1 - зимний период эксплуатации;
2 - летний период эксплуатации
Рис. 5. Зависимости диаметра пятна износа U (а) и критерия противоизносных свойств Пн (б) от концентрации нерастворимых продуктов старения синтетического моторного масла Mobil 1 New Life 0W-40 SN/SM/SL/SJ/CF в двигателе внутреннего сгорания: 1 - зимний период эксплуатации; 2 - летний период эксплуатации
Коэффициент 4,5 характеризует скорость изменения критерия П и чем он больше, тем выше противо-износные свойства испытуемого масла.
Сравнивая уравнения (5) и (6), видно, что скорости изменения критерия противоизносных свойств одинаковы как для концентрации общих продуктов старения, так и для концентрации нерастворимых продуктов, т.е. основное влияние на противоизносные свойства синтетического масла оказывают нерастворимые продукты старения, концентрация которых определяется путем центрифугирования проб работающих масел.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:
1. Применение предлагаемой методики текущего контроля состояния моторных масел в процессе эксплуатации двигателей внутреннего сгорания с применением фотометра, вискозиметра, центрифуги и трехшариковой машины трения позволяет определять состояние работавших масел по вязкости, составу продуктов старения, противоизносным свойствам и корректировать сроки их смены.
2. Проведенными исследованиями установлено, что в зимний период эксплуатации интенсивность процесса старения увеличивается при меньшем пробеге, чем в летний период за счет увеличения концентрации растворимых продуктов, а концентрация нерастворимых продуктов независимо от условий эксплуатации увеличивается после 10,0 тыс. км пробега, при этом ресурс масла можно увеличить в 1,8 раза.
3. Применение коэффициента соотношения между концентрациями растворимых и нерастворимых продуктов старения показало, что в начальный период эксплуатации (пробег 7,5 тыс. км) образуются преимущественно растворимые продукты, являющиеся
основой для образования нерастворимых продуктов.
4. Кинематическая вязкость масла в летний период эксплуатации двигателя увеличивается более интенсивно, чем в зимний, что объясняется температурным режимом работы двигателя, поэтому этот параметр состояния масел необходимо контролировать.
5. Установлено, что в начальный период эксплуатации двигателя противоизносные свойства масла понижаются, а затем повышаются и превосходят про-тивоизносные свойства товарного масла, при этом в летний период эксплуатации повышение наступает при коэффициенте поглощения светового потока Кп = 0,05 ед, а в зимний - при Кп = 0,12 ед.
6. Предложен критерий противоизносных свойств работающих масел, определяемый отношением коэффициента поглощения светового потока к параметру износа, характеризующий условную концентрацию продуктов старения на номинальной площади фрикционного контакта, зависимость которого от коэффициента поглощения светового потока описывается линейным уравнением, что позволяет контролировать текущее значение противоизносных свойств в процессе эксплуатации двигателя, причем противоизносные свойства зависят от климатических условий эксплуатации и повышаются в летний период эксплуатации более интенсивно.
7. Установлено, что зависимость критерия противоизносных свойств работающих масел от концентрации нерастворимых продуктов старения также описывается линейным уравнением, но условия эксплуатации двигателя не оказывают влияния на противоиз-носные свойства, поэтому основное влияние на их изменение оказывает концентрация растворимых продуктов старения в масле.
