Методика определения критерия термоокислительной стабильности отработанных моторных масел

В. И. Верещагин, Б. И. Ковальский
Сибирский федеральный университет

 

 

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КРИТЕРИЯ
ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ
ОТРАБОТАННЫХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ

 

 

Предложена методика определения критерия термоокислительной стабильности отработанных моторных масел, приведены результаты испытания частично синтетических моторных масел класса вязкости 10W-40

Ресурс работающего моторного масла зависит от конструкции двигате­ля, степени его форсирования, технического состояния цилиндропоршневой группы, режимов работы двигателя, состояния системы смазки и охлаждения, а так же от качества самого масла. В процессе эксплуатации двигателя мотор­ные масла загрязняются продуктами окисления, износа, а также неполного сгорания топлива. Эти факторы оказывают существенное влияние на ресурс самого масла.

В настоящее время ресурс моторного масла устанавливается заводами изготовителями на основе моторных и полигонных испытаний, и регламенти­руется в километрах пробега или моточасах. Такая система не совершенна, так как не учитывает выше указанные факторы. Например, на ресурс работы моторного масла оказывает влияние система доливов (вследствии угаров) и герметичности масляной системы. При частых доливах масло частично вос­станавливает свои свойства, а значит, ресурс его работы увеличивается, одна­ко существующая система планово-предупредительных ремонтов (ППР) это­го обстоятельства не учитывает, а моторные масла не вырабатывают назна­ченный ресурс. В рамках больших механизированных систем, например, бро­нетанкового соединения или объединения, это может обернуться существен­ными материально-техническими и финансовыми потерями.

Отработанные моторные масла испытывались при температуре 180°С и часто­те вращения в механической мешалке 300 об/мин. Масса испытуемой пробы состав­ляла 100 г, время испытания 20 ч, причём промежуточные пробы для анализа отбира­лись через 3,8,14 и 20 часов. Оценка термоокислительной стабильности проводилась по вязкости, изменению оптических свойств и летучести.

Точки на ординате соответствуют исходному значению коэффициента поглощения светового потока отработанного масла, слитому при тех­обслуживании двигателя на пункте технического обслуживания. Как видно из рисун­ка 1, начальные оптические свойства отработанных масел колеблются в диапазоне от 0,17 ед. до 0,32 ед. Данный диапазон можно уменьшить при применении фотометри­ческого метода на пункте технического обслуживания. Однако при термическом воз­действии на отработанные масла в течение 3 часов диапазон оптических свойств из­меняется от 0,3 ед. до 0,57 ед., причём для всех исследованных масел это изменение происходит скачкообразно. Авторы объясняют это внутренней энергией смазочного материала, которая зависит от отработанного ресурса, условий и режимов эксплуата­ции двигателя. Действительно, амплитуда скачка в изменении коэффициента К_п зави­сит от сопротивляемости исследуемого масла окислению, которая определяется концентрацией антиокислительных присадок.

Результата испытания показывают, что процесс ста­рения моторных масел в двигателях внутреннего сгорания носит индивидуальный ха­рактер и определяется конструктивными особенностями двигателя, производительно­стью системы смазки и охлаждения, условиями и режимами эксплуатации, а также техническими состояниями топливной аппаратуры и цилиндропоршневой группы. Поэтому моторное масло является не только элементом сложной механической сис­темы, но и индикатором её технического состояния и режима эксплуатации.

При статистической обработке результатов измерения коэффициента поглоще­ния светового потока можно определить допустимый диапазон его изменения с це­лью обоснования сроков смены масел по степени их загрязнения.

По состоянию моторного масла можно судить о производительности системы смазки (масляного фильтра). Для этого моторные масла центрифугировались (частота вращения ротора 8000 об/мин.) после чего фотометрировались. Разность между ко­эффициентами поглощения светового потока до и после центрифугирования характеризует состояние фильтрующих элементов системы смазки. Так, если до цен­трифугирования значения коэффициента поглощения светового потока находились в диапазоне от 0,17 ед. до 0,59 ед., то после центрифугирования от 0,08 ед. до 0,27 ед. Кроме того, если разность между коэффициентами поглощения светового потока до и после центрифугирования незначительна, это свидетельствует о наличии в масле моющих присадок и хороших его диспергирующих свойствах. Такое состояние мо­торных масел не способствует загрязнению двигателя.

Изменения вязкости отработанных масел при их окислении оценивалось относительной вязкостью Ар

Др= Цо / Цисх                                   (3.1)

где Цо и Цисх - соответственно вязкость окисленного отработанного масла и вязкость исходного отработанного масла.

После трех часов испытания относительная вязкость изменяется от 1,0 до 1,3 ед. Скачкообразное изменение вязкости объясняется внутренней энергией отработан­ного масла и его сопротивлением окислению. Чем меньший ресурс отработало масло в двигателе, тем меньше увеличивается его вязкость.

Влияние продуктов окисления на относительную вязкость исследовалось в за­висимости от её коэффициента поглощения светового потока. Четкой зависи­мости между этими показателями не установлено, в виду влияния на вязкость и опти­ческие свойства продуктов неполного сгорания топлива и износа модифицированных слоёв на поверхностях трения. Однако после 3-х часов испытания вязкость одинакова у масел 1-8, что указывает на однотипный характер изменения вязкости в результате эксплуатации двигателей. Очевидные различия наблюдаются для масла 2.

Летучесть отработанных масел при испытании на термоокислительную ста­бильность косвенно характеризует износ цилиндропоршневой группы. Зависимости этого показателя от времени испытания, где наблюдается общая тенденция увеличения этого показателя от времени испытания. После трёх ча­сов испытания летучесть для исследуемых отработанных масел находится в диапазо­не от 2,5 до 5 г.

Поскольку вязкость исследуемых масел относится к одному классу (10W- 40), то на летучесть оказывают влияние износ цилиндропоршневой группы, и чем он больше, тем больше значение летучести.

В работе в качестве критерия летучести предложен коэффициент лету­чести Ко, определяемый по формуле

Ко=т/М

где т и М - соответственно массы и испарившегося масла и оставшейся пробы, г.

Данный критерий используется как составляющий элемент энергии превраще­ния при испытании отработанных масел на термоокислительную стабильность.

Согласно принципу самоорганизации дисперсных систем, каковым яв­ляется смазочный материал, подводимая тепловая энергия не может беско­нечно им поглощаться, поэтому часть её преобразуется в другие виды энер­гии, в частности в продукты окисления и в испарившуюся часть. Данная пре­образованная энергия называется энергией превращения и определяется из выражения.

Е„=К_П + К₀                               (3.3)

где Е_п - коэффициент энергии превращения; К_п - коэффициент поглощения светового потока; К₀ - коэффициент летучести.

Коэффициент Е_п - является безразмерным и характеризуется тепловой энергией, ушедшей на образование продуктов окисления и испарения.

Зависимости коэффициента энергии, превращения от времени испыта­ния имеют аналитическое выражение второго порядка видя

Е_п = at² + Bt + с

где а и в - коэффициенты, характеризующие интенсивность окислительного процесса;

С - коэффициент, характеризующий начальное энергетическое состоя­ние отработанного масла

Связь между коэффициентами энергии превращения и коэффициентом погло­щения светового потока характеризует количество тепловой энергии, необходимой для образования определённой концентрации продуктов окисления. Данная зависимость имеет линейный характер вида

Е„ = аК„ + в

где а - коэффициент, характеризующий угол наклона зависимости Е_п = f (К_п) или скорость изменения энергии превращения в зависимости от значений ко­эффициента поглощения светового потока; в - коэффициент, характеризую­щий начальные оптические свойства отработанных масел.

Разработанный критерий термоокислительной стабильности отработан­ных моторных масел позволяет применять в условиях эксплуатации автотранспорта новый эксплуатационный показатель, характеризующий количество тепловой энергии необходимой для образования определенной концентрации продуктов окисления. Для применения разработанной методики испытания работающих моторных масел на эксплуатационных предприятиях необходимо их оснастить прибором для определения термоокислительной стабильности, вискозиметром, фотометром и центрифугой. Данные приборы просты, в эксплуатации не требуют высококвалифицированных специалистов, однако внедрение их в эксплуатацию позволит повысить эффективность использования смазочных материалов и снизить эксплуатационные затраты.