УСТАНОВКА ДЛЯ ОЦЕНКИ МОЮЩИХ СВОЙСТВ МАСЕЛ С ПРИСАДКАМИ
EVALUATION UNIT OF DETERGENT PROPERTIES OF OILS WITH ADDITIVES

Изобретение относится к области анализа материалов, преимущественно смазочных масел, в частности для оценки влияния масел на поверхности деталей двигателей внутреннего сгорания в зонах высоких температур, и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности для оценки моющих свойств масел при их допуске к производству и применению в технике.
На современном этапе развития экономики России возрастают требования к эффективности использования и надежности автомобильной техники: повышению маневренности, увеличению запаса хода, снижению расхода топлива, обеспечению требуемого уровня безотказности, долговечности и ремонтопригодности. Это достигается за счет конструктивного совершенствования двигателей внутреннего сгорания и улучшения качества применяемых смазочных материалов.
Модернизация конструкции и совершенствование рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания, в частности дизелей, основаны на использовании турбонаддува, внедрении рециркуляции отработавших газов, повышении энергии впрыска топлива с одновременным уменьшением угла опережения впрыска. Это сопровождается возрастанием нагрузок, скоростей скольжения и температур узлов трения. Ужесточение условий применения обуславливает возрастание требований к уровню эксплуатационных свойств моторных масел.
Наиболее нагретыми поверхностями двигателя являются детали цилиндропоршневой группы и коленчатого вала, их температура определяется конструктивными особенностями двигателя. В результате воздействия высоких температур происходит окисление масла в объеме и тонком слое, которое сопровождается образованием различного рода отложений. Наличие отложений приводит к заполировке цилиндров и повышению температур в зоне трения, вследствие чего возможно как нарушение работоспособности двигателя, так и его аварийный выход из строя [Сафонов А.С, Ушаков А.И., Золотов В.А. и др. Моторные масла для автотракторных двигателей. Свойства. Классификация. Ассортиментные группы. - С.-Петербург, НПИКЦ, 2004 г., с.6-9].
Основным эксплуатационным свойством масел, характеризующим их моющие свойства, является склонность к образованию на боковой поверхности поршня лаковых отложений, образующихся в процессе работы двигателей внутреннего сгорания. Процесс образования лаковых отложений на поршне обусловлен частичной высокотемпературной деструкцией и окислением масляной пленки на поверхности поршня кислородом воздуха и аналогичным процессом в газовой фазе.
Выпускаемый в настоящее время ассортимент современных масел резко изменился, по сравнению с ассортиментом, который был 15 лет назад. Современные масла являются композиционными материалами, которые состоят из базовой основы и пакетов присадок, причем базовая основа может быть из минерального или синтетического сырья. Изменение базовых основ и пакетов присадок повлекло за собой изменение склонности масел к образованию высокотемпературных отложений (ВТО).
За счет применения современных пакетов присадок в моторных маслах при проведении испытаний на поверхности поршня образуются лаковые пленки, которые дают незначительные отложения (по цветовой оценочной шкале не более 1,0 балла), что не позволяет проводить их дифференциацию с применением существующих приборов и методами.
Перед авторами стояла задача - разработать устройство, позволяющее повысить точность и достоверность оценки моющих свойств масел за счет приближения условий испытаний к реальным условиям эксплуатации двигателей внутреннего сгорания.
В результате проведенного анализа источников патентной и научно-технической литературы были выявлены следующие технические решения, частично реализующие поставленную задачу.
Так, известен способ, реализованный на установке, состоящей из масляного бака, насоса, электродвигателя, фильтра, ротаметра, нагревательного устройства, регистрирующего прибора, манометра, дроссельных клапанов, холодильника и штихпробера [авт.св. №1337769, G01N 33/30, 1987].
Установка реализует способ, заключающийся в прокачивании с помощью насоса со скоростью 1,95-2,05 л/ч нагретого масла вдоль оценочной трубки при диапазоне изменения температуры масла от 40°C (первая термопара) до 240°C (шестая термопара). Количество отложений оценивают по яркости света, отраженного от поверхности оценочной трубки. Яркость отраженного света от оценочной трубки до испытания (эталонное масло) и после испытания анализируемого масла записывают на одну и ту же диаграмму. Площадь между полученными кривыми характеризует количество отложений на участке поверхности трубки. Температуру начала образования отложений определяют по той же диаграмме. Чем меньше площадь отложений, тем лучше моющие свойства масла.
Недостатками известной установки являются высокая трудоемкость и сложность работ при подготовке оценочной трубки, что сказывается на достоверности и сходимости получаемых результатов. Кроме того, условия проведения и режимные параметры испытаний на установке отличаются от реальных условий, поскольку охватывают не весь диапазон рабочих температур, при которых происходит образование ВТО на деталях двигателей внутреннего сгорания (например, температура днища поршня достигает 400°C, температура поршневых колец составляет 300-350°C).
Известен также способ, заключающийся в последовательном нанесении дозированных объемов испытуемого масла (с получением каждого слоя толщиной 80-90 мкм и окислении каждого слоя в течение 145-155 с) на нагретый до 315-325°C датчик. Процесс проводят с последующим термостатированием каждого слоя масла в окисляющей среде и изоляцией последнего слоя масла объемом испытуемого масла. Этот способ реализуется с использованием прибора, содержащего датчик с полированной рабочей поверхностью, нагревательный муфель, дозатор масла и конденсатор масляных паров. Для нанесения дозированных объемов испытуемого масла на рабочую поверхность датчика используют калиброванную пипетку.
Оценку склонности масел к образованию высокотемпературных отложений осуществляют по интенсивности окраски рабочей поверхности датчика, рассчитываемой по следующей формуле:
,
где I - интенсивность окраски, балл;
i
S - площадь, занимаемая лаком одного цвета, %;
i
k - индивидуальный коэффициент цвета лака [авт.св. №1642387, G01N 33/30, 1988].
На основании проведенных испытаний были получены диапазоны значений интенсивности (I) окраски рабочей поверхности датчика: для масел группы Б установлен диапазон 47-53, группы B - диапазон 36-43, группы Г - диапазон 25-33, группы Д - диапазон 7-14.
Условия проведения испытаний данного метода являются достаточно трудоемкими (необходимо наносить не менее 3-х слоев) и требуют особой точности (толщина оцениваемого слоя достаточно мала) при их проведении, что сказывается на достоверности и сходимости получаемых результатов.
Наряду с перечисленными техническими решениями широкое применение получил метод оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений, реализованный на приборе "наклонная плита", который состоит из масляного бака, электродвигателя, разбрызгивателя, нагревателя, алюминиевой пластины и датчика температуры [Решение ГМК при Госстандарте России №23/1-54 от 14.02.80]. Метод заключается в периодическом набрызгивании масла в течение 6 ч на нагретую до температуры 270°C алюминиевую пластину, установленную в масляной бане под углом 25°C к горизонтальной плоскости. По истечении 6 ч определяют количества отложений по разности весов пластины после и до испытания.
Основным недостатком метода является неадекватное воспроизведение реальных условий работы масла в масляных системах двигателей, в которых для смазки деталей двигателя подача масла осуществляется по каналам смазки смазочной системы двигателя.
Известны стенды, содержащие малогабаритные или полноразмерные двигатели, для оценки склонности масел к образованию ВТО, которые воспроизводят условия процессов, протекающих в зоне поршневых колец (зона ВТО) на металлических поверхностях деталей двигателей.
Стендовые испытания проводятся на малогабаритных (отсек двигателя ЗиЛ-130, метод НАМИ-1 М; одноцилиндровый двигатель Petter, метод Petter W1) или полноразмерном двигателе (ВАЗ-2106, метод ВАЗ-04), которые состоят из двигателя с цилиндропоршневой группой, топливного бака, нагрузочного устройства, пульта управления, датчиков контроля режимных параметров.
Оценку склонности масел к образованию ВТО осуществляют по нескольким показателям: подвижность поршневых колец, суммарная загрязненность поршня (метод НАМИ-1 М); увеличение вязкости масла (метод Petter W1); увеличение вязкости масла, подвижность поршневых колец, отложения на юбке поршня, отложения на перемычках поршня, средний износ кулачков распределительного вала (метод ВАЗ-2106).
Однако все указанные выше стендовые методы являются очень дорогостоящими и длительными по времени (40-120 ч) [Сафонов А.С, Ушаков А.И., Золотов В.А. и др. Моторные масла для автотракторных двигателей. Свойства. Классификация. Ассортиментные группы. С.-Петербург, НПИКЦ, 2004 г., с.123-125].
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению и взятой за прототип является одноцилиндровая установка ПЗВ (реализует способ по ГОСТ 5726-53, Приложение 1), содержащая цилиндр, в котором размещен поршень, соединенный с шатуном через поршневой палец. Возвратно-поступательный механизм шатуна соединен с электродвигателем через ременную передачу. На боковой поверхности поршня имеются четыре кольцевые проточки, в которых, с заданным зазором n=0,13±0,01 мм относительно верхней горизонтальной поверхности, размещены компрессионные кольца и маслосъемные кольца.
Цилиндр совмещен с картером, в который заливают испытуемое масло. Для нагрева масла в нижней части картера установлен нагреватель. В верхней части цилиндра имеются два сквозных отверстия: одно - для подвода нагретого воздуха к головке цилиндра, а другое - для отвода отработавших газов. Для нагрева середины и головки цилиндра установлено еще два независимых нагревателя.
1
2
3
Для измерения температуры T испытуемого масла используют термопару, которая размещена в корпусе картера на специальном приливе. Температуру T середины цилиндра и температуру T головки 14 цилиндра контролируют термопарами, которые установлены соответственно в средней и верхней частях цилиндра. Для автоматизации процесса установка содержит программный блок управления последовательностью операций.
За цилиндром, в котором размещен поршень, находится механизм открытия (закрытия) впускного и выпускного клапанов. Механизм открытия (закрытия) впускного и выпускного клапанов имеет патрубки, сообщенные через соответствующие отверстия с каналами подвода нагретого воздуха и отвода отработавших газов в головке цилиндра. Нагрев воздуха осуществляется с помощью нагревателя.
В механизме открытия (закрытия) впускного и выпускного клапанов смонтированы впускной клапан и выпускной клапан. Торцы штоков клапанов опираются на соответствующие толкатели, которые имеют заданную длину L=0,22 мм. Для возвращения клапанов в исходное положение на штоках этих клапанов закреплены пружины заданной жесткости. Толкатели клапанов взаимодействуют с плечами коромысла, колебание которого обеспечивает кулачок, соединенный с приводом. Температуру воздуха на всасывании контролируют дополнительной термопарой.
К входам блока управления подключены датчики температуры, а выходы блока управления связаны с управляющими входами нагревателей и привода.
Оценку лакообразования, полученного на боковой поверхности поршня в результате испытания, осуществляют путем сопоставления данного поршня с цветной эталонной шкалой в баллах [ГОСТ 5726-53 «Масла смазочные с присадками. Метод оценки моющих свойств» - прототип].
Описание отложений, полученных на основе результатов испытаний масел с присадками, приведено в ГОСТ 5726-53 (Приложение 2) и представлено ниже в таблице 1.
Таблица 1
Описание отложений на боковой поверхности поршня после испытаний*
Описание отложений на боковой поверхности поршня и юбке поршня
Оценка отложений, балл
Чистый поршень (без отложений)
0
Верхняя часть боковой поверхности поршня покрыта лаком светло-желтого цвета. Поверхность юбки поршня покрыта лаком светло-желтого цвета.
1
Верхняя часть боковой поверхности поршня покрыта лаком светло-коричневого цвета. Поверхность юбки поршня покрыта лаком светло-коричневого цвета.
2
Верхняя часть боковой поверхности поршня покрыта лаком (или нагаром) коричневого цвета. Поверхность юбки поршня наверху покрыта лаком коричневого цвета, внизу - лаком светло-коричневого цвета.
3
Верхняя часть боковой поверхности поршня покрыта лаком (или нагаром) темно-коричневого цвета. Поверхность юбки поршня наверху покрыта лаком (или нагаром) темно-коричневого цвета, внизу - коричневого цвета.
4
Верхняя часть боковой поверхности поршня покрыта лаком (или нагаром) черного цвета. Поверхность юбки поршня наверху покрыта лаком (или нагаром) черного цвета, внизу - темно-коричневого цвета.
5
Вся боковая поверхность поршня покрыта лаком (или нагаром) черного цвета.
6
* При получении результата по лакообразованию на поршне, промежуточного между двумя следующими друг за другом оценками, приведенными в таблице, лакообразование оценивается соответственно в 0,5; 1,5; 2,5; 3,5; 4,5; 5,5 баллов.
Эта установка не позволяет проводить дифференциацию современных товарных моторных масел по уровню моющих свойств из-за низкой скорости тепломассообмена между камерой сгорания и картером, а также незначительным промежутком времени пребывания паров и капель масла при высокой температуре в присутствии кислорода.
Технический результат изобретения - повышение точности и достоверности результатов оценки моющих свойств применяемых моторных масел за счет создания условий испытаний, близких к реальным условиям эксплуатации цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке для оценки моющих свойств масел с присадками, содержащей четырехтактный одноцилиндровый двигатель, в цилиндре которого размещен связанный с приводом посредством ременной передачи поршень с кольцевыми проточками на внешней поверхности, компрессионные и маслосъемные кольца, размещенные в кольцевых проточках с заданным зазором n относительно верхней горизонтальной поверхности кольцевых проточек, механизм открытия (закрытия) клапанов, толкатели которых имеют заданную длину L и посредством пружин и коромысла связаны с кулачком привода, блок управления работой установки, к входам которого подключены датчики температуры головки и середины цилиндра двигателя, испытуемого масла, находящегося в картере, и воздуха во всасывающей магистрали, а выходы соединены с нагревателями головки и середины цилиндра двигателя, испытуемого масла, находящегося в картере и воздуха во всасывающей магистрали, согласно изобретению величины зазоров между верхней горизонтальной поверхностью каждой кольцевой проточки и поверхностью соответствующего ей кольца принимают в диапазоне 0,17-0,19 мм, а длина толкателя выпускного клапана составляет (0,95-0,97) L длины толкателя впускного клапана.
На фиг.1 представлена блок-схема установки для оценки моющих свойств масел с присадками;
фиг.2 - механизм открытия (закрытия) клапанов установки (в разрезе) (в момент выпуска);
фиг.3 - поршни с отложениями после испытаний масел, соответствующие цветовой шкале в баллах:
3а - поршень с отложениями, соответствующими 0 баллов;
3б - поршень с отложениями, соответствующими 1 баллу;
3в - поршень с отложениями, соответствующими 2 баллам;
3в - поршень с отложениями, соответствующими 3 баллам;
3д - поршень с отложениями, соответствующими 4 баллам;
3е - поршень с отложениями, соответствующими 5 баллам;
3ж - поршень с отложениями, соответствующими 6 баллам;
Установка содержит цилиндр 1, в котором размещен поршень 2 соединенный с шатуном 3 через поршневой палец 4. Возвратно-поступательный механизм шатуна 3 соединен с электродвигателем 5 через ременную передачу 6.
В поршне 2 имеются четыре проточки 7, в которых, с заданным зазором n относительно горизонтальной поверхности, размещены компрессионные кольца 8 и маслосъемные кольца 9. Цилиндр 1 совмещен с картером 10, в который заливают испытуемое масло 11. Для нагрева масла 11 в нижней части картера 10 установлен нагреватель 12. В верхней части цилиндра 1 имеются два сквозных отверстия 13: одно - для подвода нагретого воздуха к головке 14 цилиндра 1, а другое - для отвода отработавших газов (на фиг.1 видно одно отверстие 13). Для нагрева середины и головки 14 цилиндра 1 установлены нагреватели 15 и 16 соответственно. Нагреватель 15 размещают на внешней стороне цилиндра 1 по центру и на длине равной высоте поршня. За поршнем 2 в цилиндре 1 размещен механизм 17 открытия (закрытия) впускного и выпускного клапанов.
1
2
3
Для измерения температуры T испытуемого масла 11 используют термопару 18, которая размещена в корпусе картера 10 на специальном приливе. Температуру T середины цилиндра 1 контролируют термопарой 19, температуру T головки 14 цилиндра 1 - термопарой 20, которые установлены соответственно в средней и верхней частях цилиндра 1.
Для автоматизации процесса установка содержит программный блок 21 управления последовательностью операций. Блок 21 управления выполнен, как вариант, на базе компьютера "Pentium II" с памятью на жестком диске - 20 GB, оперативной памятью - 64 Мб, частотой процессора - 600 Гц, CD-ROM. Для работы установки разработана программа проведения испытаний моторных масел.
За цилиндром 1, в котором размещен поршень 2, находится механизм 17 открытия (закрытия) впускного и выпускного клапанов. Механизм 17 открытия (закрытия) впускного и выпускного клапанов имеет патрубки 22 и 23, сообщенные через соответствующие отверстия 13 с каналами в головке 14 цилиндра 1. Нагрев воздуха осуществляется с помощью нагревателя 24.
4
В механизме 17 открытия (закрытия) впускного и выпускного клапанов смонтированы впускной клапан 25 и выпускной клапан 26. Торцы штоков клапанов опираются на толкатели 27 и 28, которые имеют заданную длину L. Для возвращения клапанов 25, 26 в исходное положение на штоках этих клапанов закреплены пружины 29 и 30 заданной жесткости. Толкатели 27 и 28 взаимодействуют с плечами 31 и 32 коромысла, колебание которого обеспечивает кулачок 33, соединенный с приводом 5. Температуру T воздуха на всасывании контролируют термопарой 34.
1
2
3
4
К входам блока 21 подключены датчики температуры T, T, T, T (термопара типа TXK(L), диапазон измерения от -200 до +800°C).
Выходы блока 21 связаны с управляющими входами нагревателей 12, 15, 16, 24 (например, ТЭН мощностью 150 Вт) и привода 5 (например, электромотор постоянного или переменного тока мощностью не менее 1 кВ, с частотой вращения 2500±50 об/мин).
На основании проведенных исследований было установлено, что для увеличения скорости тепломассообмена между камерой сгорания и картером 2 раза необходимо установить величину зазора n в диапазоне 0,17-0,19 мм.
Как показали результаты испытаний, при изменении длины толкателя 28 выпускного клапана 26 на величину, соответствующую (0,95-0,97) L длины толкателя 27 впускного клапана 25, обеспечивается высота подъема выпускного клапана на 1,0-1,4 мм, что увеличивает время пребывания паров и капель масла при температуре 350-400°C в присутствии кислорода воздуха и способствует его более глубокому окислению.
Работа установки включает последующие этапы:
- подготовку к испытанию;
- сборку двигателя;
- проведение испытания.
Подготовка к испытанию
3
Отбор проб на испытание проводят в соответствии с ГОСТ 2517, объем средней пробы масла М-10 Д(м) составляет (250±5) см. Пробу масла М-10 Д(м) отбирают в стеклянные емкости, промытые испытуемым маслом. Емкость, используемую для отбора пробы масла, предварительно промывают растворителем, высушивают, а затем ополаскивают испытуемым маслом.
Масло М-10 Д(м), подлежащее испытанию, фильтруют через фильтровальную бумагу в мерный цилиндр объемом 500 мл.
Подготовка установки включает в себя:
- подготовку поршневых колец 8,9;
- подготовку толкателей 27,28.
Подготовка поршневых колец 8,9 заключается в обеспечении с заданного зазор n=0,17-0,19 мм относительно верхней горизонтальной поверхности кольцевых проточек 7 и достигается их шлифовкой.
Подготовка толкателей 27 и 28 заключается в уменьшении длины толкателя 28 выпускного клапана 26 на величину (0,05-0,03) L, толкателя 27 впускного клапана 25.
Сборка двигателя состоит из следующих операций:
а) установки поршневых колец 8,9 в соответствующие канавки поршня 2;
б) установки поршня 2 и цилиндра 1;
3
в) заливки в картер 10 двигателя 250 см испытуемого масла М-10 Д(м).
Проведение испытания
3
В картер 11 установки, подготовленный к испытаниям, заливают масло М-10 Д(м) в количестве 250 см.
Испытания масла М-10 Д(м) проводят в режиме, представленном в таблице 2.
Таблица 2
Режимные параметры испытаний
Режимный параметр
Значение
Частота вращения коленчатого вала, мин<sup>-1</sup>
2500±50
Температура головки цилиндра, °C
300±2
Температура середины цилиндра, °C
225±2
Температура масла в картере, °C
125±2
Температура воздуха на всасывании, °C
220±2
Включить нагреватель 16 головки цилиндра, нагреватель 15 середины цилиндра и нагреватель 12 масла в картере 10. После того как температура головки 14 цилиндра 1 достигнет 250°C, а температура середины цилиндра - 1-190°C, включить нагреватель воздуха 24 и запустить двигатель.
После пуска двигателя установку вывести на режим. Продолжительность испытания составляет 2 ч и исчисляется с момента выхода установки на режим по всем параметрам. Время прогрева двигателя в продолжительность испытания не включают. Во время проведения испытаний каждые 30 мин режимные параметры испытания фиксируют в протоколе испытания.
По окончании испытания остановить двигатель, отключить его от сети, слить масло М-10 Д(м) из картера (в горячем состоянии), после этого отключить электронагреватели 12, 15, 16, 24 и отсоединить патрубки 22 и 23. Произвести частичную разборку двигателя, для чего снять цилиндр 1, поршневой палец 4, поршень 2 с поршневыми кольцами 8, 9.
Отложения, полученные на боковой поверхности поршня 2, в результате испытания масла М-10 Д(м) сравнивают с цветной эталонной шкалой (фиг.3) и делают вывод: анализируемое масло М-10 Д(м) по полученным отложениям соответствует 1,0 баллу.
з
2
2
2
з
з
На данной установке были проведены испытания товарных образцов моторных масел М-6/10В, М-10 В, М-8 Г(к), М-10 Г(к), М-8 Д(м), М-10 Д(м), М-4з/14Д, М-5/10Д, М-5/16Д(рк). Результаты испытаний приведены в таблице 3.
Как видно из таблицы 3, прототип не позволяет дифференцировать масла различных групп по уровню моющих свойств (столбец 12, табл.3.), а результаты, получаемые на заявляемой установке, отличаются от результатов прототипа (столбец 11, табл.3), причем в некоторых случаях разница результатов значительная (столбец 11, строка 2, 9 табл.3).
Данные результаты были получены за счет ужесточения условий работы масла в установке (увеличения скорости тепломассообмена между камерой сгорания и картером, а также времени пребывания паров и капель масла при температуре 350-400°C в присутствии кислорода).
Таблица 3
Результаты испытаний товарных образцов моторных масел на заявляемой установке (А) и по прототипу (Б)
№ п/п
Марка масла
Зазор между верхней горизонтальной поверхностью кольцевых проточек 7 и поршневыми кольцами 8,9, мм
Длина толкателей 27, 28 клапанов 25, 26, мм
Высота подъема выпускного клапана 26, мм
Моющие свойства, баллы
А
Б
А
Б
А
Б
А
Б
Толк. 27
Толк. 28
Толк. 27
Толк. 28
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
1
М-6<sub>з</sub>/10 В
0,200
1,00
1,5
2
M-10B<sub>2</sub>
0,200
1,00
3,0
3
М-8Г<sub>2</sub>к
0,207
1,00
1,5
4
М-10Г<sub>2</sub>к
0,210
1,40
1,0
5
М-8Д(м)
0,18±0,01
0,13±0,01
0,22
0,208
0,22
0,22
1,37
3,0±0,2
1,5
0,5
6
М-10Д(м)
0,208
1,37
1,0
7
М-4<sub>з</sub>/4Д
0,210
1,40
1,5
8
М-5<sub>з</sub>/10Д
0,209
1,39
1,5
9
М-5<sub>з</sub>/16Д(рк)
0,210
1,40
3,5
Таким образом, применение изобретения позволит:
- повысить точность и достоверность оценки моющих свойств моторных масел за счет создания условий испытаний, близких к условиям эксплуатации цилиндропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания;
- повысить корреляцию с результатами испытаний на двигателях.