СИСТЕМА СМАЗКИ, ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО И СПОСОБ УДАЛЕНИЯ ВОДОРОДНЫХ ИОНОВ ИЗ МОТОРНОГО МАСЛА
LUBRICATION SYSTEM, CONTAINING ION EXCHANGER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к системе смазки для двигателя внутреннего сгорания, причем такая система содержит ионообменник, двигатель внутреннего сгорания содержит систему смазки, транспортное средство содержит двигатель внутреннего сгорания, и к способу удаления водородных ионов из моторного масла, предназначенного для системы смазки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время действуют высокие стандарты относительно двигателя внутреннего сгорания, выбрасывающего настолько малые количества экологически вредных выбросов, насколько возможно; при этом желательно увеличивать интервалы между событиями обслуживания транспортного средства. Также желательно выполнять обслуживание как можно большего числа компонентов во время одного и того же события обслуживания. Для того чтобы двигатель удовлетворял этому требованию, требования, относящиеся к маслу, используемому, чтобы смазывать и охлаждать двигатель, являются строгими. Хорошо функционирующий двигатель внутреннего сгорания потребляет меньше топлива и выбрасывает меньшее количество веществ, которые наносят вред окружающей среде. Для того, чтобы двигатель внутреннего сгорания выбрасывал меньшее количество загрязнений, например, давление и температура, при которых происходит сгорание, могут быть повышены. В этом случае, компоненты в двигателе и моторное масло должны удовлетворять еще более строгим требованиям. Двигатели в транспортном средстве для перевозки тяжелых грузов подвергаются существенному напряжению, поскольку они должны обеспечивать очень большую мощность для транспортного средства и его груза, который должен транспортироваться желаемым образом.
Моторное масло используется в качестве смазки в двигателях внутреннего сгорания. За счет контакта с кислотными газами сгорания, моторное масло, которое окисляется и деградирует за счет этого, может становиться коррозионноактивным, что негативно влияет как на трибологические (смазывающие) характеристики самого моторного масла, так и на поверхность системы смазки.
Для того чтобы улучшать характеристики моторного масла, различные присадки добавляются в моторное масло. Среди прочих, добавляются регулирующие кислотность (буферные) присадки, но регулирующие вязкость, антиокислительные и противоизносные присадки также добавляются, чтобы работать с высокими давлениями и температурами. Эти присадки расходуются со временем, и когда количество присадки в моторном масле упало до некоторого уровня, моторное масло должно быть заменено. Следствием расходования присадок, среди прочего, является то, что трибологические характеристики моторного масла ухудшаются и, в наихудшем случае, моторное масло вызывает коррозийный износ компонентов, с которыми оно приходит в соприкосновение. Присадки важны для того, чтобы моторное масло функционировало желательным образом, но они также ведут к повышенным уровням золы в потоке выхлопных газов. Чрезмерно высокие уровни золы в выхлопных газах приводят в результате к более высокой нагрузке на компоненты очистки выхлопных газов, например, сажевый фильтр. Следовательно, необходимо сохранять количество присадок в масле настолько низким, насколько возможно.
Сегодня, существует технология, COT (технология масла без присадок), которая непрерывно очищает масло во время работы. Система устанавливается как перепускной канал, и масло проходит через мелкоячеистый фильтр для улавливания частиц, где очень маленькие твердые загрязняющие вещества устраняются, а также через испаряющее устройство, которое отделяет жидкие загрязняющие вещества, имеющие более низкую точку испарения, чем у моторного масла. Эта технология, однако, не влияет на повышенную кислотность моторного масла.
В документе WO2013028122 описано устройство для уменьшения кислотности в моторном масле. Устройство содержит контейнер, который содержит катионообменник в форме небольших частиц. Катионообменник в документе состоит из частиц твердого вещества, например, с карбоновой/силиконовой базовой структурой, которая может улавливать положительные ионы. Катионообменник является моновалентным и может, таким образом, связывать свободные водородные ионы из моторного масла. Некоторое количество моторного масла может протекать через контейнер, а контейнер помещается в нормальный поток моторного масла, но изменения конструкции в масляной системе могут быть необходимы, чтобы предоставлять место для контейнера. Контейнер имеет дополнительный недостаток, помимо громоздкости, в том, что он может увеличивать встречное давление в масляной системе. Кроме того, контейнер этого типа предшествующего уровня техники должен быть оборудован, например, мелкоячеистой сеткой, чтобы устранять загрязнение частицами ионообменника масла в системе. Соответственно, эффективность ионообменника может становиться более низкой, чем теоретическая эффективность.
Соответственно, существует необходимость эффективно уменьшать кислотность моторного масла (масла). В то же время, существует необходимость уменьшать кислотность моторного масла посредством системы, которая требует настолько малых изменений конструкции, насколько возможно. Кроме того, существует необходимость избегать потерь мощности, которые могут быть вызваны встречным давлением в нормальном потоке масла, поскольку это может вести к повышенному расходу топлива.
Одной целью изобретения, таким образом, является исправление проблем, существующих в технологии предшествующего уровня техники. В частности, целью изобретения является предоставление ионообменника в системе смазки без каких-либо существенных изменений конструкции, в то же время добиваясь эффективного ионного обмена в системе смазки без отрицательного влияния на эффективность двигателя.
Дополнительной целью является получение системы смазки с ионообменником, который может быть регенерирован простым способом.
Эти цели достигаются посредством системы смазки, которая определяется в пункте 1 формулы изобретения, и способа удаления водородных ионов из моторного масла, предназначенного для системы смазки, который определяется в пункте 13 формулы.
Согласно изобретению, цели, упомянутые выше, достигаются посредством системы смазки для двигателя внутреннего сгорания, причем эта система смазки содержит множество компонентов, содержащих поддон картера, масляный насос, выполненный с возможностью подачи моторного масла из поддона картера далее в систему смазки, охлаждающее устройство для охлаждения моторного масла, масляный фильтр для фильтрации моторного масла и главный маслопровод, выполненный с возможностью перемещения моторного масла в системе смазки к подвижным частям системы и двигателя внутреннего сгорания. Каждый из компонентов содержит контактную поверхность, выполненную с возможностью нахождения в контакте с моторным маслом. Согласно изобретению по меньшей мере один из компонентов содержит контактную поверхность с модифицированной поверхностью, содержащую ионообменник, который иммобилизирован на контактной поверхности. Термин "ионообменник", когда используется в этой заявке, означает вещества, которые являются молекулами, и которые могут иметь одно или несколько изменений в своей структуре, положительных или отрицательных. Ионообменник имеет по меньшей мере одну позицию с ионной связью в своей молекулярной структуре. Ионообменник может, например, быть органической солью, основанием, биомолекулой, но не ограничивается этими молекулами.
Ионообменник в системе смазки является предпочтительно катионообменником с по меньшей мере одной функциональной группой, которая может улавливать положительные водородные ионы в моторном масле, и которая испускает положительные ионы другого типа в моторное масло. Предпочтительно катионообменник является моновалентным. Таким образом, максимальный обмен водородными ионами может происходить в масле, так что кислотность масла может быть уменьшена. Катионообменник предпочтительно является слабым катионообменником, так что более эффективный обмен водородными ионами может быть достигнут в масле, в то время как на другие присадки в моторном масле оказывается минимальное воздействие.
Контактная поверхность компонентов может состоять из металла, так что может быть получен компонент, поверхность которого просто модифицировать и который выдерживает высокие температуры и давление.
Контактная поверхность может также состоять из полимерного материала, такого как пластик. Пластик является гибким и может легко приспосабливаться к ограниченным пространствам и формироваться в желаемую форму. Пластики также легко модифицируют поверхность.
Согласно одному варианту осуществления охлаждающее устройство может содержать контактную поверхность с модифицированной поверхностью. Охлаждающее устройство содержит множество каналов, и масло может циркулировать по каналам, так что большая контактная поверхность для масла может быть получена в небольшом объеме. Таким образом, может быть получен эффективный ионообмен.
Согласно другому варианту осуществления поддон картера может содержать контактную поверхность с модифицированной поверхностью. Контактная поверхность с модифицированной поверхностью может быть предоставлена простым образом на контактной поверхности поддона картера. Дополнительно, все масло в системе будет приходить в соприкосновение с поддоном картера, и, следовательно, все масло может приходить в соприкосновение с ионообменником, и, соответственно, может возникать максимальная величина катионообмена.
Согласно дополнительному варианту осуществления, в котором главный маслопровод соединен через каналы с подшипниками на коленчатом валу, подшипники размещаются таким образом, что они содержат контактную поверхность с модифицированной поверхностью. Подшипники могут быть изготовлены из различных материалов, и, следовательно, контактная поверхность с модифицированной поверхностью может быть получена гибким образом.
Предпочтительно, система смазки также содержит устройство регенерации, соединенное с компонентом, который содержит контактную поверхность с модифицированной поверхностью. Устройство регенерации может содержать перепускной клапан, чтобы приводить масло за компонент, или альтернативно клапанный механизм ниже и выше по потоку от компонента, для того, чтобы предотвращать поток масла через компонент. Насосное устройство может быть соединено с компонентом через соединительное устройство, чтобы подавать соляной раствор через компонент, причем этот соляной раствор регенерирует ионообменник. Насосное устройство может быть внешним и может быть размещено так, что оно соединено с системой, только когда необходимо. Поскольку ионообменник находится на контактной поверхности, снятие компонента не требуется, и, соответственно, ионообменник может быть восстановлен простым способом, например, когда транспортное средство обслуживается, например, когда заменяется масло. В одном варианте осуществления модифицированная контактная поверхность содержится в охлаждающем устройстве, и устройство регенерации соединено с охлаждающим устройством. Таким образом, устройство регенерации может быть соединено с системой простым образом.
Изобретение также относится к двигателю внутреннего сгорания, содержащему систему смазки, как описано выше. Изобретение также относится к транспортному средству, содержащему двигатель внутреннего сгорания.
Изобретение также относится к способу устранения водородных ионов из масла, предназначенного для системы смазки. Способ содержит этапы
i. предоставления моторного масла, предназначенного для системы смазки;
ii. предоставления системы смазки, которая содержит множество компонентов, содержащих поддон картера, масляный насос, выполненный с возможностью подачи моторного масла из поддона картера далее в систему смазки, охлаждающее устройство для охлаждения моторного масла, масляный фильтр для фильтрации моторного масла и главный маслопровод, выполненный с возможностью перемещения моторного масла в системе смазки к подвижным частям системы и двигателя внутреннего сгорания, при этом каждый из компонентов содержит контактную поверхность, выполненную с возможностью нахождения в контакте с моторным маслом;
iii. предоставления контактной поверхность с модифицированной поверхностью в по меньшей мере одном из компонентов, содержащих моновалентный катионообменник, который иммобилизирован на контактной поверхности;
iv. проведения моторного масла по меньшей мере через один из компонентов, содержащих контактную поверхность с модифицированной поверхностью, так что положительные водородные ионы в моторном масле заменяются положительными ионами другого типа, и кислотность моторного масла, таким образом, снижается.
Посредством настоящего изобретения возможно добиваться эффективного ионообмена в моторном масле двигателя внутреннего сгорания, например, в транспортном средстве, таком как грузовик или автобус. Контактная поверхность с модифицированной поверхностью предоставляет возможность эффективной интеграции с маслом в системе, и, соответственно, получается эффективный ионообмен, в то время как необходимость в изменениях конструкции в системе смазки может быть существенно уменьшена или даже устранена. Посредством настоящего изобретения влияние на масляный поток является минимальным, и, соответственно, потери мощности могут быть минимизированы, и риск повышенного расхода топлива снижается. Ионообмен продлевает срок службы моторного масла путем устранения окисляющих веществ, так что возможны более длительные интервалы обслуживания.
Дополнительные преимущества и цели изобретения описываются ниже в подробном описании изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже следует описание, в качестве примера, предпочтительных вариантов изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых:
Фиг. 1 показывает схематичный вид сбоку транспортного средства, содержащего систему смазки для двигателя внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению,
Фиг. 2 показывает схему соединения для системы смазки согласно настоящему изобретению,
Фиг. 3 показывает схематичный вид сбоку двигателя внутреннего сгорания, содержащего систему смазки согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения,
Фиг. 4 показывает вид сбоку поддона картера,
Фиг. 5 показывает общий вид охлаждающего устройства для масла,
Фиг. 6 показывает схематичный чертеж этапов, чтобы иммобилизировать ионообменник на поверхности.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение описывается ниже со ссылкой на систему смазки и способ, которые были описаны, в целом, выше. Система смазки согласно изобретению предназначается для двигателя внутреннего сгорания, который может находиться в транспортном средстве.
Фиг. 1 показывает схематичный вид сбоку примерного транспортного средства, причем это транспортное средство содержит систему 4 смазки для двигателя 2 внутреннего сгорания с поддоном 2 картера в непосредственном контакте с двигателем 2 внутреннего сгорания. Двигатель 2 внутреннего сгорания соединен с коробкой 6 передач, которая дополнительно соединена с ведущими колесами 8 транспортного средства 1 через трансмиссию. Транспортное средство также содержит шасси 10.
СИСТЕМА СМАЗКИ
Система смазки используется в двигателях внутреннего сгорания, чтобы смазывать подвижные части в системе и в двигателе внутреннего сгорания посредством моторного масла, также называемого "маслом" в этой заявке, и которое содержит подходящие присадки для этой цели. Система смазки содержит множество компонентов: по меньшей мере, поддон картера, предназначенный для хранения моторного масла, масляный насос, выполненный с возможностью подачи моторного масла из поддона картера далее в систему смазки, охлаждающее устройство для охлаждения моторного масла, масляный фильтр для фильтрации моторного масла и главный маслопровод, выполненный с возможностью перемещения моторного масла в системе смазки к подвижным частям системы и двигателя внутреннего сгорания.
Поддон картера может быть размещен в непосредственном соединении с блоком цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Когда картер двигателя размещается в непосредственном соединении с блоком цилиндров двигателя внутреннего сгорания, моторное масло может тогда подаваться из и возвращаться в картер двигателя от подвижных частей двигателя простым способом.
Моторное масло подается дальше из поддона картера посредством масляного насоса, который может, например, быть пульсирующим насосом. Пульсирующий насос создает напорное течение, колеблющееся по времени, так что выпускное давление насоса изменяется, но является достаточным для смазки подвижных частей в системе и в двигателе внутреннего сгорания.
Охлаждающее устройство для моторного масла может быть размещено ниже по потоку от масляного насоса и клапана холодного пуска, который используется при холодных пусках, чтобы вести масло обратно в поддон картера, прежде чем достигается рабочая температура. Охлаждающее устройство содержит трубки, облегчающие охлаждение посредством воздуха, или посредством соединения охлаждающего устройства с системой охлаждения, например, с системой охлаждения двигателя, так что масло охлаждается, когда оно циркулирует в охлаждающем устройстве.
При нормальной работе масло подается из охлаждающего устройства в масляный фильтр, размещенное ниже по потоку от охлаждающего устройства. Масляный фильтр очищает масло от частиц, например, сажи, посредством фильтрующего элемента. Предпочтительно фильтрующий элемент размещается с перепускным клапаном, назначением которого является управлять количеством масла, проходящего через фильтр. Таким образом, меньшее количество масла может быть подано через фильтрующий элемент, например, если фильтр становится слишком загрязненным перед заменой/очисткой, не приводя в результате к слишком высокому встречному давлению в системе смазки.
Ниже по потоку от масляного фильтра может быть размещен преобразователь давления масла, чтобы управлять давлением в масле. Охлажденное масло может затем предоставляться далее, например, для охлаждения поршня. Масло может предоставляться из масляного фильтра напрямую, через главный маслопровод, к другим подвижным частям двигателя или к другим компонентам системы смазки, таким как приводы клапанов, компрессоры, насосы высокого давления и т.д.
Фиг. 2 показывает схему соединения для примерной системы 4 смазки для двигателя 2 внутреннего сгорания согласно настоящему изобретению. Масляная система 4 содержит поддон 20 картера, масляный насос 22, охлаждающее устройство 24 и масляный фильтр 26. Поддон картера содержит моторное масло 21. Масляный насос 22 соединен с главным трубопроводом 40 системы смазки, который перемещает масло через систему 4 смазки к подвижным частям двигателя 2 внутреннего сгорания. Масляный насос 22 нагнетает масло из поддона 20 картера, через охлаждающее устройство 24, размещенное ниже по потоку, и масляный фильтр 26, и далее к подвижным частям 28, например, коленчатому валу (не изображен) и другим потребителям, таким как приводы клапанов, компрессоры, насосы высокого давления. Масляный насос 22 может быть пульсирующим насосом и может, например, приводиться в действие посредством трансмиссии двигателя или посредством электромотора. Масляный фильтр 26 содержит фильтрующий элемент 32, через который масло из поддона 20 картера фильтруется. Перепускной клапан 36 размещается в соединении с масляным фильтром 26, чтобы приводить масло за масляный фильтр 26, когда необходимо, например, если количество масла, проходящего через фильтрующее устройство 26, должно управляться. Перепускной клапан 36 может, например, быть электронно управляемым клапаном 36, и он размещается в перепускном трубопроводе 38, чтобы управлять потоком масла.
Примерная система 4 на фиг. 2 также показывает, что клапан 42 холодного старта может быть размещен ниже по потоку от масляного насоса 22 для того, чтобы приводить масло обратно в поддон 20 картера через ответвляющийся трубопровод 52, прежде чем будет достигнута рабочая температура.
Ниже по потоку от охлаждающего устройства 24 предохранительный клапан 44 давления может быть размещен через ответвляющийся трубопровод 53 для того, чтобы осуществлять рециркуляцию части масла в поддон 20 картера через трубопровод 54 рециркуляции, если давление в системе 4 повышается. Альтернативно, масло может, через ответвляющийся трубопровод 55, приводиться к центрифуге 46 для очистки масла, которая очищает масло от частиц, и затем масло возвращается в поддон 20 картера через трубопровод 56 рециркуляции.
При нормальной работе масло подается от охлаждающего устройства 24 к масляному фильтру 26, который размещается ниже по потоку от охлаждающего устройства 24. Масляный фильтр 26 очищает масло от частиц, например, сажи. Предпочтительно, масляный фильтр 26 размещается с перепускным клапаном 36, как описано выше.
Ниже по потоку от масляного фильтра 26 может быть размещен преобразователь 48 давления масла, чтобы управлять давлением в масле. Через ответвляющийся трубопровод 58 охлажденное и отфильтрованное масло может затем предоставляться дальше к устройству 60 охлаждения поршней, которое охлаждает и смазывает поршни. Устройство 60 охлаждения поршней активируется, когда давление масла становится достаточно высоким при обычной работе, и когда клапан 68 выше по потоку от устройства 60 охлаждения поршней открывается. Это означает, что при нормальной работе масло всегда идет к устройству 60 охлаждения поршней, и клапан 68 открыт. Если давление масла становится слишком высоким, активируется ограничитель 83, который пропускает масло насквозь и возвращает масло в поддон 20 картера. Масло может быть возвращено из устройства 60 охлаждения поршней, обратно в поддон 20 картера, через трубопровод 59 рециркуляции.
Через главный масляный трубопровод 40 масло может также пропускаться непосредственно от масляного фильтра 26 к другим подвижным частям 28 двигателя 2, таким как коленчатый вал, привод клапана, компрессор, насос высокого давления и т.д. Масло от этих компонентов 28 может возвращаться назад в поддон картера через трубопроводы 62 и 64 рециркуляции.
Система смазки на фиг. 2 также содержит очиститель 70 отделения коленчатого вала, назначением которого является очистка газа отделения коленчатого вала, который является маслянистым газом. Часть масла из главного трубопровода 40 может приводиться к очистителю через ответвляющийся трубопровод 51. Очиститель может функционировать так, что он, например, отделяет более тяжелые частицы и небольшие масляные капли от газа посредством центрифугирования. Газ выводится из очистителя, и масло возвращается назад в поддон 20 картера через трубопровод 72.
Система смазки на фиг. 2 также содержит множество ограничителей 81, 82 и 83. Например, назначением ограничителя 81, который помещается ниже по потоку от масляного насоса 22, является обеспечение сопротивления в масляном потоке, чтобы улучшать функционирование масляного насоса 22. Назначением ограничителей 81, 82 и 83 является предотвращение слишком большого избыточного давления в системе. При увеличении давления до чрезмерного уровня в системе смазки, ограничители 81, 82 и 83 функционируют как открытые клапаны, пропускающие масло насквозь и возвращающие масло в поддон 20 картера.
Фиг. 3 показывает схематичный чертеж двигателя 2 внутреннего сгорания, который содержит систему смазки согласно настоящему изобретению, например, систему на фиг. 2. Двигатель 2 внутреннего сгорания содержит блок 80 цилиндров. Главный маслопровод 40 расположен, например, просверлен, по всей длине блока 80 цилиндров и соединен через каналы с подвижными частями двигателя, такими как подшипники на коленчатом валу (не изображены). Масляный насос 22 соединен с главным трубопроводом 40 системы смазки, который перемещает масло через систему 4 смазки к подвижным частям двигателя 2 внутреннего сгорания. Масляный насос 22 нагнетает масло из поддона 20 картера через охлаждающее устройство 24 и масляный фильтр 26, размещенное ниже по потоку от масляного насоса 22. Охлаждающее устройство 24 может, например, охлаждаться воздухом, или оно может быть соединено с охладителем 71 двигателя.
Предпочтительно, компонент системы смазки, контактная поверхность которого является поверхностью, модифицированной посредством иммобилизации ионообменника на контактной поверхности, выбирается из компонентов системы смазки, состоящих из поддона картера, охлаждающего устройства, масляного фильтра, главного маслопровода и подшипников на коленчатом валу, соединенных с главным трубопроводом; и один или множество компонентов могут содержать контактную поверхность с модифицированной поверхностью.
В примерном варианте осуществления, изображенном на фиг. 2 и фиг. 3, поддон 20 картера содержит контактную поверхность 200 с модифицированной поверхностью, которая содержит ионообменник, иммобилизированный на поверхности, согласно изобретению.
Фиг. 4 показывает поддон 20 картера более подробно в поперечном сечении в продольном направлении поддона картера. Поддон 20 картера содержит контактную поверхность 200 с модифицированной поверхностью, которая содержит ионообменник, закрепленный на поверхности, согласно изобретению.
Контактная поверхность является поверхностью в соприкосновении с маслом. Если контактная поверхность размещается в поддоне картера, контактная поверхность покрывает по меньшей мере площадь ниже уровня масла, а предпочтительно, площадь ниже максимального уровня масла.
Фиг. 5 показывает общий вид охлаждающего устройства 24, содержащего несколько каналов 240. Охлаждающие устройства зачастую изготавливаются из алюминия, а алюминий является металлом, который может иметь легко модифицируемую поверхность. В этом варианте осуществления верхняя поверхность 260 и каналы 240 содержат контактную поверхность 200 с модифицированной поверхностью, содержащую ионообменник, иммобилизированный на поверхности, согласно изобретению.
ИОНООБМЕННИКИ
Как описано ранее, ионообменник или ионообменные материалы относятся к молекулам со способностью связывать положительные или отрицательные ионы (катионо- и анионообменники, соответственно). Катионообменник может захватывать положительные ионы одного типа, в то время как он испускает положительные ионы другого типа. Аналогично, анионообменник захватывает отрицательные ионы одного типа, в то время как он испускает отрицательные ионы другого типа. Ионы, захваченные/испущенные ионообменником, называются противоионами.
В настоящем изобретении одной целью ионообменника, или ионообменного материала, является уменьшение кислотности в масле. Следовательно, ионообменник должен взаимодействовать с водородными ионами в масле, но важно, что ионообменник взаимодействует минимально с присадками в масле, чтобы избегать деактивации полезных присадок в масле. Это, в свою очередь, может вести к ухудшению функциональных и трибологических характеристик масла. Для того чтобы минимизировать риск адсорбции присадок на ионообменнике, следовательно, предпочтительно, чтобы ионообменник был моновалентным катионообменником, назначением которого является захват водородных ионов до такой большой степени, насколько возможно. Моновалентный катионообменник может замещать водородные ионы в моторном масле другими ионами неокисляющегося типа. Ниже следуют два примера того, как катионообменник может выглядеть.
R – это молекула, с которой ионообменник связан, и может быть любой матрицей, которая функционирует как ионообменник. Примером матрицы может быть полистирол. Противоионом в этих двух случаях является Na+.
Противоионы моновалентного катионообменника, главным образом, являются моновалентными. Противоионы катионообменника могут быть, например, щелочными металлами. Противоионы катионообменника могут, например, быть выбраны среди Na+ и K+, которые зачастую используются сегодня в катионообменниках. Примерами функциональных групп в ионообменнике являются, например, COO-, SO3-, AsO3-, C6H4O-, HPO2-, S-, SeO3-, но также возможны другие функциональные группы.
Существует две формы ионообменников, заряженные и незаряженные. Заряженными катионообменниками являются, например, [COO]-, [S03]-, а в незаряженных катионообменниках противоион связывается через ионные связи с ионообменником, например, [COO]Na, [SO3]Na.
Моторное масло окисляется через контакт с кислотными газами сгорания, т.е., уровень свободных водородных ионов в моторном масле увеличивается. Катионообменник имеет способность связывать эти водородные ионы, что ведет к уменьшению кислотности моторного масла и повышенному щелочному числу.
Ионообменник в настоящем изобретении может быть сильным или слабым катионообменником. pKa-значение является константой ионного равновесия, которая для водных растворов описывает pH, при котором существует равновесие между протонированной, т.е., незаряженной, формой ионообменника и его депротонированной, т.е., заряженной формой. Примерами депротонированной формы катионообменника являются COO-, SO3- и HPO2-, а примерами соответствующих протонированных форм являются COOH, SO3H и H2PO2. Это означает, что слабые катионообменники теряют свой заряд при низком pH, в то время как сильные катионообменники сохраняют свой заряд. Сильные катионообменники имеют pKa ниже 0, в то время как слабые катионообменники имеют pKa между 0 и 7.
В настоящем изобретении катионообменник предпочтительно является слабым катионообменником, который может обеспечивать более высокий обмен водородными ионами в моторном масле, чем сильный катионообменник. Слабые и сильные ионообменники и их соответствующий обмен водородными ионами в моторном масле были изучены, среди прочих, в тезисе "Ceco, Mima; Master's Thesis, 28 June 2013: Evaluation and optimisation of cation exchange materials for life-span optimisation of engine oil".
Также важно, что ионообменник способен справляться с высокими температурами и давлениями. Одним примером слабого ионообменника является уксусная кислота:
Уксусная кислота имеет pKa, приблизительно равное 4,7-4,8. Также возможно использовать другие слабые ионообменники в настоящем изобретении.
МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ
Как описано выше, система смазки для двигателя внутреннего сгорания содержит множество компонентов, назначением которых может быть, например, сохранение, перемещение или обработка масла в системе смазки, и каждый из этих компонентов содержит структурную контактную поверхность, выполненную с возможностью нахождения в контакте с моторным маслом. Вместо размещения отдельного контейнера, содержащего ионообменник в форме частиц в системе смазки, согласно изобретению контактная поверхность по меньшей мере одного из компонентов системы смазки является поверхностью, модифицированной посредством связывания ионообменника с поверхностью.
Термин "контактная поверхность" означает поверхность, которая является частью обычной конструкции компонента, и контактная поверхность предназначается, чтобы находиться в соприкосновении с маслом в системе смазки. Например, контактная поверхность может быть всей, или частью, внутренней поверхности поддона картера, которая находится в соприкосновении с маслом, когда масло хранится в поддоне картера.
Термин "модификация поверхности" означает, что характеристики контактной поверхности изменяются посредством химической реакции или обработки, например, путем связывания молекул на поверхности. Согласно настоящему изобретению связывание ионообменника выполняется путем иммобилизации, т.е., привязывания, катионообменника к контактной поверхности. Как упомянуто выше, если кислотность масла должна быть уменьшена, используется моновалентный катионообменник с по меньшей мере одной функциональной группой, которая может захватывать водородные ионы масла и испускать положительные ионы другого типа масла.
Иммобилизация может выполняться посредством традиционных способов, которые хорошо известны, например, в биотехнологии. Посредством иммобилизации различные молекулы могут быть привязаны или присоединены к неподвижному носителю или поверхности. Молекулы могут быть ионообменниками, например, моновалентными катионообменниками. Неподвижный носитель может быть изготовлен, например, из металла или полимерного материала, такого как пластик.
Согласно настоящему изобретению иммобилизация может быть выполнена множеством различных способов, и технология связывания, по существу, не является принципиальной по отношению к изобретению. Целью иммобилизации является то, чтобы ионообменник, т.е. молекула с функциональными группами, был привязан к контактной поверхности компонента. Молекулы могут, например, быть привязаны к контактной поверхности посредством ковалентного связывания. Связывание может быть либо непосредственным, либо опосредованным через одну или несколько связующих молекул, т.е. промежуточных молекул между ионообменником и контактной поверхностью.
Главным образом, способ для иммобилизации ионообменника на контактной поверхности содержит этапы первой активации групп в контактной поверхности, т.е. подложке, для того, чтобы способствовать адсорбции ионообменника на поверхность. Активация может быть выполнена посредством различных способов, например, посредством PVD (физическое парофазное осаждение)-технологии покрытий на металлических поверхностях или посредством оплавления на полимерных поверхностях. Затем, активированная металлическая поверхность может вступать в реакцию, например, с ионообменником и/или со связующими молекулами. Ионообменник и/или связующие молекулы могут быть нанесены в одно и то же время, или поодиночке, путем нанесения связующих молекул первыми. На следующем этапе активированные группы деактивируются на поверхности для того, чтобы предотвращать иммобилизацию других молекул, отличных от ионообменника, на контактной поверхности. На последнем этапе контактная поверхность сушится и промывается, и контактная поверхность затем готова для использования.
Примеры различных способов соединения, показывающие, как молекулы могут быть обездвижены на различных полимерных поверхностях или металлических поверхностях, описываются более подробно в книге "Buddy D. Ratner et al.; Biomedical engineering; Elsevier, p 330-334", которая также опубликована в Интернете через Google Books.
Фиг. 6 схематично показывает принцип иммобилизации ионообменника на металлической или полимерной поверхности. Этап A) показывает, что контактная поверхность 200' в компоненте 400 активируется посредством, например, ионизирующего излучения, такого как кислородная плазма 90', которая предоставляется посредством устройства 90, предназначенного для этой цели. Этап B) показывает, что контактная поверхность 200' была активирована и содержит группы 201, которые могут вступать в реакцию с ионообменником 300 непосредственно или через связующие молекулы (не изображены). Этап C) показывает, что активированные группы 201 вступили в реакцию с ионообменником 300, который, таким образом, был иммобилизирован или привязан к контактной поверхности и, соответственно, имеет сформированную контактную поверхность 200 с модифицированной поверхностью, содержащую ионообменник 300, иммобилизированный на поверхности.
Больше примеров того, как молекулы могут быть иммобилизированы на полимерных поверхностях, описывается в "Leute A. et al.; Static SIMS Investigation of Immobilised Molecules on Polymer Surfaces; Advanced Materials, 1994, 6, No. 10, p. 775-780" и "Tabata, Y. et al.; Immobilisation of collagen onto polymer surfaces having hydroxyl groups; Biomaterials 1986, Vol 7 May 1986; p. 234-238".
Дополнительные примеры способов соединения, показывающие более подробно, как органические молекулы могут быть иммобилизированы на различных металлических поверхностях, описываются, например, в "Touahir, L, et al.; Molecular monolayers on silicon substrates for biosensors; www.elsevier.com/locate/bioelechem" и "Schickle, K. et al. Towards osseointegration of bioinert ceramics: Can agents be immobilised on alumina substrates using self-assembled monolayer technique?; www.sciencedirect.com; Journal of the European Ceramic Society 22 (2013) 2705-2713", и "Nanci et al.; Chemical modification of titanium surfaces for covalent attachment of biological molecules; 1998 John Wiley&Sons, Inc. J Biomed Mater Res., 40, 324-335, 1998".
РЕГЕНЕРАЦИЯ ИОНООБМЕННИКОВ
Ионообменники могут быть регенерированы и могут, соответственно, быть использованы неоднократно следом за регенерацией. Регенерация влечет за собой то, что способность ионообменника заменять желаемые ионы восстанавливается.
Ионообменники могут, согласно настоящему изобретению, быть регенерированы посредством размещения устройства регенерации (не изображена на чертежах), соединенной с компонентом, который содержит контактную поверхность с модифицированной поверхностью. Структура может содержать перепускной клапан, чтобы проводить масло за компонент. Преимуществом в данном случае является то, что регенерация может быть выполнена без отключения в ином случае системы смазки. Другой альтернативой является размещение клапанного механизма как ниже, так и выше по потоку от компонента, чтобы предотвращать поток масла через компонент. Таким образом, простая конструкция может быть получена, и регенерация может быть выполнена, например, когда транспортное средство обслуживается. В обоих случаях размещается насосное устройство, которое может быть присоединено к компоненту через соединительное устройство, чтобы подавать соляной раствор через компонент. Соляной раствор может затем регенерировать ионообменник посредством своего протекания через компонент, пока активные группы в ионообменнике не активируются снова. Компонент затем опорожняется от соляного раствора и заполняется маслом. Клапаны переключаются снова, так что масло в системе смазки может протекать через компонент. Например, соляной раствор может быть щелочным раствором с высоким содержанием соли. Типичное pH-значение для такого раствора равно 8-10. Поскольку соляной раствор в устройстве регенерации должен протекать через компонент с контактной поверхностью с модифицированной поверхностью, регенерация становится эффективной.
Изобретение было описано выше, как применяемое в системе смазки для двигателя внутреннего сгорания в транспортном средстве. Настоящее изобретение не ограничивается, однако, вышеописанными вариантами осуществления, а может быть использовано в других применениях, где аналогичные проблемы и условия превалируют. Изобретение может, например, быть использовано в двигателях, предназначенных для морского флота или промышленной эксплуатации, где, аналогично, может существовать риск окисления масла, и где не существует пространства, или возможности, для изменений конструкции. Изобретение соответственно ограничивается только так, как изложено в прилагаемой формуле изобретения.