Исследование моторного масла на основе данных эксперимента и моделирования его диэлектрических свойств

ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

2013 Серия: Физика Вып. 1

УДК 537. 226

Исследование моторного масла на основе данных эксперимента и моделирования его диэлектрических свойств

И. В. Изместьев, В. В. Новиков

Пермский государственный национальный исследовательский университет 614990, Пермь, ул. Букирева, 15 E-mail: izmestiev@psu.ru

Исследованы свойства двух синтетических моторных масел Castrol Magnatec 5W-30 и 5W-40, которые рассматриваются как коллоидные растворы сложного состава. Предложена электрическая модель заполненной маслом ячейки. При температуре 19 0С проведены измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь чистых и эксплуатационных масел. С помощью компьютерного моделирования и данных эксперимента определены соответствующие току абсорбции проводимости и сквозные проводимости масел. При деструкции масла ток абсорбции уменьшается, а сквозная проводимость увеличивается. Удельная проводимость чистых масел составляет несколько нСм/м. В процессе эксплуатации она быстро увеличивается. Две постоянные времени, связанные с электрической моделью, отличаются в несколько раз.

Ключевые слова: синтетические моторные масла; диэлектрические свойства; проводимость

1. Введение

В настоящее время широкое применение находят моторные масла (ММ) на минеральной и синтетической основе. Другими словами базовое масло может быть получено при переработке нефти или в результате химического синтеза. Отдельные синтетические масла обладают свойствами, превышающими свойства минеральных масел. Например, некоторые синтетические масла имеют высокий индекс вязкости, пониженную температуру застывания, повышенную стойкость к высоким температурам и деформацию сдвига, отличаются пониженной летучестью и горючестью. Эти свойства обеспечивают универсальность их применения и повышенную продолжительность срока службы. Отмеченные свойства синтетических масел привлекают к ним внимание исследователей, изучающих моторные масла физическими и химическими методами.

Для контроля качества ММ определяются такие показатели как вязкость, щелочное число, содер-

жание нерастворимых примесей и другие. В предыдущей работе [1] в эксплуатационном полусин-тетическом моторном масле Лукойл-Люкс 5W-40 был обнаружен дебаевский максимум на частоте несколько сот килогерц, появление которого было предложено включить в ряд браковочных показателей.

В базовое масло добавляют ряд присадок, которые должны хорошо в нем растворяться. В результате чистое ММ представляет собой раствор множества не реагирующих между собой компонентов. По главному назначению присадки объединяют в несколько групп [2; 3] : вязкостные присадки, присадки, улучшающие смазочные свойства, антиокислительные присадки, антикоррозионные присадки, моющие присадки и др. В результате в число основных качественных показателей ММ входит общее щелочное число, которое показывает что среди компонентов имеются поверхностно активные вещества, которые составляют основу ингибиторов коррозии и присадок против ржавления. Среди моющих присадок име-

© Изместьев И. В., Новиков В. В. ,2013

ются сульфонаты, обладающие щелочными свойствами, которые являются эффективными нейтрализаторами продуктов окисления, появляющихся при работе двигателя.

Поверхностно активные вещества представляют собой слабые электролиты. В результате их диссоциации в базовом масле возникают как положительные, так и отрицательные ионы, возможно мицеллообразование [4]. При исследовании масел методами диэлектрометрии экспериментатор сталкиваемся с необходимостью учета ионной и электрофоретической проводимостей, так как носителями тока могут быть ионы (образующиеся вследствие диссоциации присадок), либо более крупные (коллоидные) заряженные частицы [5]. Коллоидные частицы адсорбируют находящиеся в ММ свободные ионы, приобретая заряд. Как свободные ионы, так и коллоидные частицы двигаются в направлении электрического поля, внося вклад в электрический ток.

После подключения к заполненному ММ конденсатору источника постоянного напряжения возникающий ток постепенно уменьшается (рис. 1). Такой спад может быть вызван разными причинами [6]:

а) приэлектродной поляразией - в случае ионной проводимости;

б) накоплением зарядов на границах раздела макрочастиц и связааным с ним перераспределением электрического поля в случае неоднородных диэлектриков;

в) электроочисткой - необратимым удалением носителей заряда (ионов, коллоидных частиц) и разрядкой их на электродах;

г) установлением релаксационной поляризации с течением времени, что определяет убывание поляризационного тока.

Из перечисленных причин убывания тока достаточно подробно изучена последняя. Причины а), б) и в) исследованы еще недостаточно. Они приводят к возникновению ионной и электрофоретической проводимости [6], релаксационной поляризации и связанному с ними тока абсорбции [5].

2. Электрическая модель моторного масла

При включении источника постоянного напряжения и в цепь (рис. 2), содержащую заполненный диэлектриком конденсатор в первые моменты времени возникает ток абсорбции, который затем уменьшается до величины, определяемой сквозной проводимостью О моторного масла

*»= иО.

Часто ток абсорбции полагают равным [5]

*аЬ, = ^ ехр

где 5 - соответствующая току абсорбции проводи-

мость, - время, в течение которого этот ток уменьшается в «е» раз. Процессы при наличии тока абсорбции можно представить графически на рис. 1.

Формулы

Us+i„

-t

Рис. 1. Зависимость протекающего через заполненный диэлектриком конденсатор тока от времени

электрических процессов в заполненном диэлектриком конденсаторе. Особенность ее состоит в том, что при существующем, вообще говоря, распределении времен релаксации здесь учитывается лишь эффективное время ть. Видно, что при при іаь^О, а ¿(0^- іх. Формулам (1) , (2) и рис. 1 соответствует электрическая модель, приведенная на рис. 2, где С0 и См емкости на низких и высоких частотах соответственно.

Рис. 2. Электрическая модель конденсатора с диэлектриком

Полный комплексный ток ячейки с диэлектриком при постоянном напряжении в частотной области можно представить формулой

I = и

+ G +

5 + ]С

Определив активную (10) и реактивную (1Г) составляющие тока, найдем тангенс угла диэлектриче ских потерь

tgs=-T=

6)2t2(G + s) + G «[sTj + C0 (2Tj2 +1)]

on

r

86

И. В. Изместьев, В. В. Новиков

где тх=^8. Кроме этого, известно [5], что на высоких частотах емкость конденсатора с диэлектриком (С*) по сравнению с ее величиной при постоянном напряжении (Со) уменьшается, так что

С 0 = С„ + 5^.

При анализе свойств диэлектрика в частотной области, когда существуют лишь потери от электропроводности, справедлива формула [5; 6]

7

что при эксплуатации обоих ММ s уменьшается, а

tg 8 =

1.8 • 1010

f

где f - частота в Гц; у - удельная объемная активная проводимость при постоянном токе, См/м; є -диэлектрическая проницаемость диэлектрика.

3. Диэлектрические свойства масел на синтетической основе

В работе исследованы свойства двух синтетических моторных масел Castrol Magnatec 5W-30 и 5W-40, как чистых, так и в процессе эксплуатации. Измерения выполнены при температуре 19 0С с помощью прицезионного анализатора Wayne Kerr 6440B в интервале частот от 20 Гц до 3 МГц при напряжении переменного тока 1 В. В качестве измерительной ячейки взят подстроечный воздушный конденсатор КПВ емкостью 50пФ, который заполнялся маслом. В табл. 1 приведены основные

Таблица 1. Основные свойства моторных масел

свойства этих масел по данным компании-изготовителя. Поскольку кинематическая вязкость определяется по формуле у=ц/р, где п - динамическая вязкость, а р - плотность вещества, то при одинаковой плотности большей кинематической вязкости соответствует и большая величина динамической вязкости.

На рисунке 3 для примера приведены записи частотных зависимостей tgS для исследованных масел. Путем решения уравнения для tgS (см. (4) с учетом экспериментальных результатов графическим методом получены проводимости 5, О и времена релаксации = С^/б и т2 = С0/О. В качестве С0 взята величина емкости заполненной маслом ячейки при 20 Гц, а С* - при частоте 3 МГц. Результаты решения приведены в табл. 2. Из таблиц 1 и 2 видно, что более вязкое чистое масло 5W-40 имеет большие проводимости 5 и О. Оказывается,

ю

0.2

0

а) 2

ю

Р

0.5

0 в) 2

0.5

4 Ш Гц)

4 lg

0 б) 2

ю

0.5

0

г) 2

4 Ig

4 Ig

Рис. 3. Частотные зависимости тангенса угла диэлектрических потерь заполненной маслом ячейки для двух масел при19 °С: а) и в) - чистое, б) и г) - эксплуатационное 5Ж-30 и 5Ж-40 соответственно

Таблица 2. Соответствующая току абсорбции проводимость я, сквозная проводимость G и времена релаксации г\ и т2 исследованных масел

Тип масла Плотность при 15 0С, г/мл Кинематическая вязкость при 40 0С, мм2/с Общее щелочное число, мг КОН/г

5W-30 A3/B4 0.85 65.8 11.3

5W-40 C3 0.85 75.5 7.4

Тип масла s, мСм G, нСм т1, нс т2, мкс

5"^30 Чистое 109 84.2 1.02 1420

Эксплуа- тационное 45.1 216 2.57 650

5"^40 Чистое 169 107 0.655 1120

Эксплуа- тационное 37.7 192 3.05 697

сквозная проводимость G увеличивается. При этом эффективное время релаксации т\ увеличивается, а т2 уменьшается. Считаем, что Т]_ определяется ди-польной релаксацией. Исходя из дебаевской формулы

тх= 3цУ / kT,

где У - эффективный объем изменяющихся при эксплуатации молекул базового масла, к - постоянная Больцмана, Т- абсолютная температура. Видно, что произведение nV в чистых маслах меньше, а при эксплуатации оно увеличивается в обоих случаях. Если учесть, что оба масла получены с использованием одной и той же технологии «Intelligent Molecules», то, вероятно, базовые масла одинаковые. Если так, то при эксплуатации и сопровождающем ее окислении молекул базового масла [2; 3] вязкость увеличивается, что приводит в конце концов к образованию нерастворимых в масле осадков.

Сквозная проводимость G определяется концентрацией носителей заряда (ионов и мицелл) в образующемся коллоидном растворе. Несмотря на увеличивающуюся вязкость среды, которая приво-

дит к уменьшению подвижности носителей тока, произведение концентрации их (п) на подвижность (м) увеличивается, поскольку проводимость пропорциональна произведению тр, где е - переносимый частицей заряд. Кроме этого время свободного пробега носителей тока, определяющего т2, при эксплуатации ММ уменьшается.

Используя формулу (6) и данные эксперимента, можно определить удельную проводимость того или иного масла при температуре эксперимента. Для этого определялась диэлектрическая проницаемость (е) как отношение измеряемой емкости заполненной маслом ячейки к емкости конденсатора до его заполнения. Тогда

7 = 8/^ 5/1.8 • 1010.

Результаты расчета приведены в табл. 3.

Таблица 3. Удельная проводимость моторных масел при 19 0С. Экспериментальные значения е и tgд взяты на частоте 100 Гц

Видно, что удельная проводимость эксплуатационного масла 5W-30 увеличилась в 2.65, а 5W-40 в 1.88 раза по сравнению с чистыми маслами, что практически совпадает с числами, определяющими рост сквозной проводимости G (см. табл. 2).

4. Заключение

Синтетические моторные масла Castrol Ма^аіес 5W-30 и 5W-40 представляют собой коллоидные раствора сложного состава с ионной и электрофоретической проводимостью. Проводимость чистого масла 5W-40, имеющего большую вязкость, оказывается больше проводимости масла 5W - 30. В результате рассмотрения соотношения

(4) как уравнения с учетом экспериментальных данных и предложенной электрической модели заполненной маслом ячейки (рис. 2) определены:

- соответствующая току абсорбции проводимость

(s),

- сквозная проводимость моторного масла (G),

- эффективные времена релаксации вращательного движения дипольных включений (ri),

- времена поступательного движения носителей тока (r2), определяемые их рекомбинацией на электродах.

Оказалось, что при эксплуатации моторных масел 5W-30 и 5W-40 s уменьшается, G увеличивается, r1 увеличивается, а r2 уменьшается. По измеренным величинам диэлектрической

проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь определены удельные проводимости чистых и эксплуатационных масел при 19 0С. Результаты определяются изменениями вязкости и концентрации носителей тока в процессе деструкции ММ. Дебаевский максимум на частотных зависимостях тангенса угла диэлектрических потерь изученных эксплуатационных масел вплоть до 3 МГ ц не обнаружен. Масла Castrol Magnatec 5W-30 и 5W-40 можно использовать еще некоторое время [1]. Такой вывод находится в согласии с результатами элементарного тестирования на диспергирующую способность [2].

Список литературы

1 Изместьев И.В., Коняев С.А. Изменение диэлектрических свойств некоторых моторных масел при их деструкции // Вестник Перм. унта. 2012. Сер.: Физика. Вып. 1. С. 85-90.

2 Балтенас Р., Сафонов А.С., Ушаков А.И., Шер-галис В. Моторные масла. М.; СПб.: Альфа-Лаб, 2000. 272 с.

3 Гнатченко И.И., Бородин В.А., Репников В.Р. Автомобильные масла, смазки, присадки. М.: АСТ; СПб.: Полигон, 2000. 360 с.

4 Мицеллообразование, солюбилизация и микроэмульсии. М.: Мир, 1980. 598 с.

5 Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982. 320 с.

6 Борисова М.Э., Койков С.Н. Физика диэлектриков. Л.: Изд-во ЛГУ, 1979. 240 с.

Тип масла є tgd у, нСм/м

5'^30

Чистое 2.31 0.578 7.42

Эксплуа-

тационное 2.63 1.346 19.7

5”^40

Чистое 2.29 0.735 9.35

Эксплуа-

тационное 2.57 1.229 17.6

88

H. B. H3Mecmbee, B. B. Hobukob

Examination of engine oil on the basis of experiment data and modelling of its dielectric properties

I. V. Izmestiev, V. V. Novikov

Perm State University, Bukirev St. 15, 614990, Perm E-mail: izmestiev@psu.ru

Properties of two synthetic engine oils Castrol Magnatec 5W-30 and 5W-40 considered as the colloid solutions of the complex composition are explored. The electrical analogue of the mesh filled by oil is offered. At temperature 19 0C measurements are lead permittivity and a tangent of a dielectric loss angle of pure and operational oils. By means of computer model operation and data of experiment conductances of oils corresponding to absorbing and through current are certain. At destruction oils the current of absorption decreases, and through conductance is incremented. The specific conductivity of pure oils makes some nS/m. While in service it is promptly incremented.

Two stationary values of time related to an electrical analogue, differ in some times.

Keywords: synthetic engine oils; the dielectric properties; conductance