УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩЕЕ КАТИОННЫЙ ИОНООБМЕННИК ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ КИСЛОТНОСТИ МОТОРНОГО МАСЛА, И ДВИГАТЕЛЬ С ТАКИМ УСТРОЙСТВОМ
DEVICE CONTAINING CATION ION EXCHANGER FOR REDUCTION OF ACIDITY OF MOTOR OIL, AND ENGINE WITH SUCH DEVICE

Область техники
Изобретение относится к устройству для уменьшения кислотности моторного масла и двигателю с таким устройством. Изобретение, в частности, относится к устройству, которое использует ионообменники для уменьшения содержания ионов водорода в моторном масле для двигателя внутреннего сгорания большегрузного транспортного средства.
Уровень техники
В настоящее время существует большая потребность в двигателях, которые выбрасывают как можно меньше веществ, вредных для окружающей среды, и в то же время желательно увеличивают промежуток времени между операциями обслуживания. Для двигателя, чтобы достичь этого, нужно, чтобы масло, используемое для его смазки и охлаждения, соответствовало высоким требованиям. Должным образом функционирующий двигатель внутреннего сгорания расходует меньше топлива и выбрасывает меньшее количество веществ, которые вредны для окружающей среды. Чтобы обеспечить возможность, например, двигателя внутреннего сгорания, выбрасывающего меньшие количества загрязнителей, желательно повысить температуру и давление, при которых осуществляется сгорание. Это предполагает еще более высокие требования к компонентам двигателя, в числе прочего к моторному маслу. Двигатели большегрузных транспортных средств подвергаются особенно сильным нагрузкам, поскольку они должны обеспечивать очень большое количество энергии, позволяющее транспортному средству ехать и перевозить свой груз в желаемом направлении.
Моторное масло используется в качестве смазки в двигателях внутреннего сгорания. Контакт с кислыми газообразными продуктами сгорания подкисляет данное масло, которое в результате этого ухудшается и может стать коррозионным, с последующим негативным воздействием как на его трибологические (смазочные) характеристики, так и на поверхностные слои смазочной системы.
Различные присадки используют для улучшения характеристик моторного масла, содержащие, в числе прочего, регулирующие кислотность (буферные) присадки, но также и регулирующие вязкость, противоокислительные и противоизносные присадки, позволяющие справиться с высокими давлениями и температурами, при которых работает двигатель. Эти присадки расходуются с течением времени, и когда их содержание в масле достигает определенного уровня, масло нужно менять. Последствия расходования присадок включают ухудшение трибологических характеристик масла, и в самом худшем случае масло может вызывать коррозийный износ компонентов, с которыми оно соприкасается. Присадки важны для обеспечения возможности масла выполнять свои функции желательным образом, но они также приводят к повышенным содержаниям сажи в потоке выхлопных газов. Слишком высокие содержания сажи в выхлопных газах приводят к повышенной нагрузке на компоненты, очищающие выбросы, например фильтр частиц.
Ионообменники являются твердыми материалами (нерастворимыми матрицами), часто с каркасом на основе углерода/кремния, которые обладают способностью связывать положительные или отрицательные ионы (соответственно, катионообменники и анионообменники). Катионообменник может удерживать положительные ионы одного типа при одновременном высвобождении положительных ионов другого типа. Аналогичным образом, анионообменник удерживает отрицательные ионы одного типа при одновременном высвобождении отрицательных ионов другого типа. Ионы, удерживаемые/высвобождаемые ионообменником, называются противоионами.
В настоящее время существует новая технология, СОТ (clean oil technology, технология чистого масла), согласно которой масло непрерывно очищается в процессе работы. Система реализована в виде перепускного канала, и масло проходит не только через фильтр тонкой очистки, который удаляет очень мелкие твердые загрязнители, но также и через блок испарения, который отделяет жидкие загрязнители, имеющие более низкое давление паров, чем масло. Данная технология, однако, не имеет дела с повышающейся кислотностью масла.
В WO 2004/094381 А1 описано регулирование кислотности и мониторинг смазочных жидкостей, используемых в воздушных компрессорах винтового или центробежного типа. Смазочные жидкости, используемые в таком компрессоре, не подвергаются воздействию такой агрессивной среды, какой подвергается моторное масло, и, следовательно, не имеют такого большого содержания присадок или вредных частиц. Однако они непрерывно подвергаются определенной кислотной нагрузке, и согласно WO 2004/094381 A1 предлагается справляться с этим с помощью анионообменников.
В GR 1004835 B1 описана фильтрация и регулировка кислотности моторного масла с помощью ионообменников. Регулирование кислотности происходит в отдельном устройстве, расположенном снаружи транспортного средства, и масло должно быть как можно более чистым, т.е. без присадок или загрязняющих веществ, остающихся в нем. Это означает, что присадки, которые являются дорогостоящими и отличают хорошее моторное масло от менее качественного, будут удалены, а также одновременно и другие присадки в масле. Результатом будет являться чистое и относительно недорогое наливное масло.
Задачи изобретения
Задачей изобретения является решение проблем существующего уровня техники. В частности, задачей изобретения является создание устройства для уменьшения кислотности моторного масла в двигателе большегрузного транспортного средства, причем такое устройство удлиняет срок службы масла, удаляя подкисляющие вещества без удаления полезных присадок. Другой задачей является создание такого устройства в нормальном потоке масла.
Сущность изобретения
В соответствии с изобретением вышеуказанные задачи решены с помощью устройства для уменьшения кислотности моторного масла, содержащего контейнер, через который определенное количество масла может течь, причем контейнер содержит ионообменник. Ионообменник является одновалентным катионообменником, и устройство расположено в нормальном потоке масла.
Одновалентный катионообменник обладает способностью связывать положительные ионы. Поэтому он будет связывать свободные ионы водорода из моторного масла, не влияя на содержание присадок, и, следовательно, может удлинить срок службы масла. Тот факт, что устройство содержит одновалентный катионообменник, также делает возможным использование меньших содержаний присадок в моторном масле, что приводит к пониженному содержанию сажи в потоке выхлопных газов, и масло становится менее дорогим.
Тот факт, что контейнер находится в нормальном потоке масла, означает, что его установка не предполагает никаких дополнительных линий или устройств. Он помещен в компоненте, уже присутствующем в системе подачи смазочного масла, устраняя проблему нахождения подходящего пространства, которая в противном случае обычно возникает в двигателях, особенно двигателях транспортных средств.
Промежуток времени между операциями обслуживания также становится длиннее, если кислотность масла можно уменьшать во время работы двигателя, а не только в момент обслуживания. Двигатель таким образом может находиться в эксплуатации в течение большей части своего срока службы. Например, там, где двигатель установлен в большегрузном транспортном средстве, используемом в коммерческой деятельности, очень важно, чтобы транспортное средство провело как можно меньше времени в мастерских.
Присадки могут рассматриваться как внутренняя действующая система, являющаяся частью масла. В противоположность этому катионообменник согласно изобретению может рассматриваться как внешняя действующая система, поскольку катионообменники находятся в контакте с маслом, но не являются частью его состава. Катионообменник может быть установлен в части смазочной системы двигателя и не сопровождать поток масла через систему.
В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения относительное содержание одновалентного катионообменника к общему количеству моторного масла, в котором регулируют кислотность в устройстве, составляет до 10 вес.%, и в соответствии с другим вариантом осуществления оно составляет до 2 вес.%. Низкие содержания катионообменника также приводят к уменьшению кислотности масла. Количество масла, в котором регулируют кислотность, является количеством, присутствующим в смазочной системе. Изобретение также работает при более высоких относительных содержаниях катионообменника, например до 20 вес.% или до 25 вес.%.
Согласно другому варианту осуществления изобретения по меньшей мере часть или целые стенки контейнера снабжены перфорациями, отверстиями или полупроницаемыми мембранами. Части стенок или целые стенки контейнера могут также быть выполнены в виде сетки. Катионообменники помещают в контейнер, чтобы предотвратить загрязнение ими масла. Нежелательно, чтобы они были свободными в смазочной системе, скорее чтобы предотвратить их циркуляцию с маслом в системе. Для того чтобы масло вступило в контакт с катионообменниками, стенки контейнера должны быть проницаемыми для масла, чтобы оно могло проникнуть в контейнер и вступить в контакт с катионообменниками. Когда масло находится в контакте с катионообменниками, ионы водорода обмениваются на противоионы в контейнере. Обеспечение целой стенки или частей стенок контейнера участками, которые являются проницаемыми для масла, облегчает ему проникновение внутрь и наружу из контейнера. Доля поверхности контейнера, которая пропускает моторное масло внутрь, также влияет на скорость, с которой может осуществляться обмен ионами.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения контейнер принимает форму корпуса масляного фильтра двигателя, и в этом случае ионообменник объединен с обычным масляным фильтром двигателя. Тот факт, что масляный фильтр легко заменить, означает, что также легко заменить ионообменник.
Изобретение относится также к двигателю, снабженному устройством для уменьшения кислотности моторного масла, и к транспортному средству с таким двигателем.
Описание чертежей
На фиг.1 схематически изображено транспортное средство с двигателем в соответствии с изобретением.
На фиг.2 представлено схематическое изображение поперечного сечения через масляный поддон с устройством в соответствии с изобретением.
На фиг.3а-3с схематически изображены различные варианты контейнера в соответствии с первым вариантом осуществления изобретения.
На фиг.4а-4b схематически изображены различные варианты контейнера в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения.
На фиг.5 графически проиллюстрирован пример соотношения между содержанием буферных присадок и кислотностью моторного масла.
На фиг.6 графически проиллюстрировано соотношение между расходованием буферных присадок и кислотностью моторного масла при использовании катионообменников в соответствии с изобретением.
На фиг.7 графически проиллюстрировано соотношение между расходованием буферных присадок и кислотностью моторного масла при использовании катионообменников в соответствии с изобретением.
На фиг.8 представлена диаграмма примера в соответствии с изобретением.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 изображено транспортное средство 401 с двигателем 403 в соответствии с изобретением. Изображенное транспортное средство является грузовиком, но также может быть рабочим транспортным средством, тягачом или каким-либо другим типом транспортного средства, приводимым в действие двигателем внутреннего сгорания. Изобретение также применимо к автономному двигателю, например на резервной электростанции, или к двигателю плавучего средства.
На фиг.2 представлен вид в поперечном разрезе первого варианта осуществления изобретения. Устройство 100 для уменьшения кислотности моторного масла помещено в масляный поддон 103 двигателя. Устройство содержит контейнер 101, вмещающий одновалентные катионообменники 102. Масло перекачивается из поддона через масляный фильтр в различные места потребления. После этого масло возвращается в поддон. В тех случаях, когда устройство 100 расположено в масляном поддоне 103, оно в силу этого будет находиться в нормальном потоке масла. Течение в поддоне является относительно медленным, и помещение там устройства оказывает небольшое воздействие на поток масла. Желательно, чтобы устройство 100 влияло на поток моторного масла как можно меньше, поскольку важно, чтобы масло могло достичь мест потребления настолько невозмущенным, насколько это возможно.
Размер контейнера 101 может меняться относительно масляного поддона 103, и размер контейнера на фиг.2 приводится не в масштабе. Более крупный контейнер приведет к относительно большой внешней поверхности катионообменников 102, с которой масло вступит в контакт. Объем катионообменников также будет достаточно большим и проникновение масла в контейнер будет уменьшаться с увеличением объема контейнера. Это уменьшит скорость ионного обмена и может также негативно повлиять на эффективность. Меньший контейнер будет иметь меньшую внешнюю поверхность катионообменников, с которой масло вступит в контакт. Однако проникновение масла будет больше, и противоионы катионообменников будут расходоваться несколько более быстро не только потому, что объем катионообменника меньше в более крупном контейнере, но также и потому, что скорость обмена поддерживается лучше в меньшем контейнере.
Два или более контейнера могут быть помещены в масляном поддоне 103.
По меньшей мере часть стенки или стенок контейнера 101 может иметь перфорации, отверстия 105 или полупроницаемые мембраны, или, по меньшей мере, часть стенки или стенок контейнера может быть выполнена в виде сетки. Мембрана должна быть проницаемой для моторного масла, но должна удерживать одновалентные катионообменники внутри. Вся стенка или стенки контейнера могут иметь перфорации, отверстия или полупроницаемые мембраны или быть выполнены в виде сетки.
Размер перфораций, отверстий и ячеек сетки также определяет, насколько легким и/или быстрым и эффективным будет обмен между моторным маслом и катионообменниками. Проницаемость мембраны также влияет на то, насколько легким и/или быстрым и эффективным будет обмен между моторным маслом и катионообменниками. Перфорации, отверстия, мембраны или ячейки сетки должны быть достаточно мелкими, чтобы предотвращать выход через них катионообменников. Одновалентные катионообменники могут иметь размер частицы до 40 мкм. Размер частицы может быть, например, от 20 до 40 мкм. Размеры перфораций, отверстий, мембран и ячеек, следовательно, должны быть подобраны в соответствии с размером частицы одновалентных катионообменников.
Контейнер 101 может, например, быть изготовлен из нержавеющей стали, но возможны также и другие металлические или полимерные материалы, например, полиэстер. Выбор материала для контейнера должен подходить для агрессивной среды, в которой устройство 100 будет находиться. Контейнер может быть изготовлен из решетчатого или перфорированного материала для достижения желаемой проницаемости, т.е. позволяющей маслу проникать внутрь, но не позволяющей катионообменникам выходить наружу. Стенки контейнера целиком или частично могут также принимать форму полупроницаемой мембраны. Такая мембрана позволяет только определенным ионам или молекулам проходить насквозь.
На фиг.3а-3с изображены различные варианты контейнера 101. На фиг.3а он принимает форму сферы с небольшими отверстиями 105, распределенными по поверхности сферы, но поверхность также может быть в виде сетки или наподобие описанной выше. На фиг.3b контейнер принимает форму цилиндра с маленькими отверстиями 105 в его торцевых сторонах. На фиг.3с контейнер принимает форму полупроницаемой мембраны, без видимых отверстий на его поверхности.
Другой вариант осуществления устройства 200 в соответствии с изобретением изображен на фиг.4a и 4b, в котором одновалентные катионообменники 202 включены в корпус 201 фильтра для моторного масла.
Фильтр 209 для моторного масла предусмотрен в корпусе 201, часто имеет цилиндрическую форму и может содержать фильтрующую среду, состоящую из волокон целлюлозы и/или синтетических волокон. Масло фильтруется через масляный фильтр 209. Одновалентные катионообменники 202 могут быть помещены в том же пространстве 207, которое вмещает цилиндрический масляный фильтр 209, как показано на фиг.4а. Катионообменники 202 могут также быть помещены в пространстве 208 между цилиндрическим масляным фильтром 209 и стенками корпуса 201 масляного фильтра, как показано на фиг.4b. Цилиндрический масляный фильтр 209 может быть гофрированным, как это обычно бывает для масляных фильтров. Корпус 201 фильтра имеет впускное отверстие 204, через которое масло поступает в направлении, обозначенном стрелкой А. Затем масло проходит через внутреннее пространство 207 корпуса фильтра и выходит наружу через стенки масляного фильтра 209 во внешнее пространство 208 корпуса фильтра, и затем выходит через выпускное отверстие 203 корпуса фильтра в направлении, показанном стрелкой В. Стенка 206 с перфорациями, отверстиями или сетчатая структура может быть предусмотрена во впускном отверстии 204 корпуса фильтра, и стенка 205 с перфорациями, отверстиями или сетчатая структура может быть предусмотрена в выпускном отверстии 203 корпуса фильтра, чтобы удерживать одновалентные катионообменники в корпусе фильтра 201.
В указанных выше примерах устройство 100, 200 в соответствии с изобретением помещают в масляный поддон 103 или встраивают в корпус 201 масляного фильтра. Устройство согласно изобретению также может быть расположено в другом месте в нормальном потоке масла.
Чрезвычайно важно, чтобы присадки к маслу не взаимодействовали с ионообменником и тем самым не были инактивированы. Для сведения к минимуму данного риска, таким образом, необходимо, чтобы ионообменник был одновалентным катионообменником, единственным назначением которого является захват ионов водорода. Только одновалентные катионообменники могут быть использованы, поскольку присадки в противном случае могут быть изменены или адсорбированы в ионообменнике. Одновалентный катионообменник будет обменивать ионы водорода в масле на другие типы ионов, которые не увеличивают кислотность. Могут быть другие заряженные молекулы в виде присадок, которые не должны подвергаться обмену в масле, но должны оставаться в нем, чтобы сохранять функции масла. Если масло подвергалось действию как анионообменников, так и катионообменников, его функции будут утрачены. Ионообменники в соответствии с изобретением, следовательно, включают в себя только одновалентные катионообменники. Устройство, регулирующее кислотность моторного масла, таким образом, не содержит анионообменников.
Ниже приведены два примера возможных конфигураций катионообменника:
+
R является матрицей, с которой ионообменник связан, и может быть любой матрицей, которая работает для ионообменника. Полистирол может быть приведен в качестве примера такой матрицы. Противоионом в обоих случаях является Na.
а
а
а
Ионообменник может быть сильным или слабым катионообменником. Значение рК представляет собой константу равновесия, которая отражает рН, при котором существует равновесие между протонированной и депротонированной формами ионообменника. Это означает, что слабые катионообменники теряют свой заряд при низких значениях рН, в то время как сильные катионообменники сохраняют свой заряд. Сильные катионообменники имеют рК ниже 0, в то время как слабые катионообменники имеют рК от 0 до 7.
+
+
+
+
Поскольку катионообменник является одновалентным, его противоионы также являются одновалентными. Противоионы катионообменника могут быть щелочными металлами. Противоионы катионообменника могут, например, быть выбраны из Na и K. Ионы Na и K в настоящее время часто используются в катионообменниках. Моторное масло подкисляется при контакте с кислыми газообразными продуктами сгорания, т.е. содержание в масле свободных ионов водорода увеличивается. Катионообменник обладает способностью связывать эти ионы водорода, что приводит к уменьшению кислотности раствора или масла и более высокому щелочному числу.
Ионообменники являются регенерируемыми и, следовательно, могут использоваться многократно после регенерации. Регенерация означает, что способность ионообменника обменивать ионы восстановлена. В чисто практическом плане это осуществляется удалением ионообменника из двигателя и помещением его в основной раствор с высоким содержанием соли. Типичное значение рН такого раствора составляет 8-10. Ионообменник может быть помещен на баню без перемешивания или, что более предпочтительно, в проходящий поток. Регенерация становится более эффективной, если ионообменник помещают в проходящий поток. Количество времени, необходимое для обмена ионов водорода, и чтобы ионообменник снова стал пригодным к использованию в двигателе для уменьшения кислотности масла, будет зависеть от выбранного способа. В случае отдельного контейнера, содержащего одновалентные катионообменники, контейнер целиком может быть извлечен из двигателя и помещен в основной раствор. Это является простым и рациональным способом регенерации ионообменника, чтобы он мог быть использован повторно.
Важно также, что ионообменник может справляться с высокими температурами и давлениями.
Фиг.5-7 описаны ниже, чтобы проиллюстрировать, как катионообменники могут продлить срок службы моторного масла или насколько можно уменьшить присадки в масло. На всех диаграммах сплошная кривая представляет собой кислотность масла и пунктирная кривая содержание буферных присадок.
На фиг.5 показано, как буферные присадки расходуются с течением времени. До тех пор пока их содержание является относительно высоким, кислотность масла остается в пределах допустимых уровней, но быстро увеличивается, когда буферные присадки израсходованы. Цифры на оси Y не являются фактическими цифрами, но выбираются для прояснения соотношения между буферными присадками и кислотностью.
На фиг.6 проиллюстрировано соотношение между расходованием буферных присадок и кислотностью моторного масла при использовании катионообменников. Использование катионообменников в качестве резерва к буферным присадкам позволяет удлинить срок службы масла. Это достигается с помощью катионообменного материала, связывающего определенное количество кислотных ионов водорода, и тем самым удлиняющего время до того, как буферные присадки в масле начинают расходоваться. Это может быть видно из того факта, что две кривые пересекаются после более длительного промежутка времени по сравнению с кривой на фиг.5.
На фиг.7 проиллюстрировано соотношение между расходованием буферных присадок и кислотностью моторного масла при использовании катионообменников. Использование катионообменников в качестве резерва к буферным присадкам позволяет уменьшить содержание присадок в масле, не влияя на длительность его срока службы. Это достигается с помощью катионообменного материала, связывающего определенное количество кислотных ионов водорода, и тем самым удлиняющего время до того, как буферные присадки в масле начинают расходоваться. Те же самые результаты достигаются за то же время, что и на фиг.5, но при более низкой концентрации присадок.
Пример для иллюстрации изобретения описан ниже.
Методика
Ионообменник тестировали на сильно окисленном масле (использованном масле) с очень низким щелочным числом (TBN) и также сравнивали с тем же самым неиспользованным маслом и с отработанным маслом без ионообменника. Обработанное масло означает масло, обработанное с помощью одновалентных катионообменников по изобретению, как описано в пп.1 и 2 ниже. Использованное масло означает масло, которое было в обращении в смазочной системе двигателя внутреннего сгорания.
1. 10 г масла взвешивали с последующим добавлением 2,5 г ионообменника «Chicago Sky blue 6B» с номером CAS 2610-05-1. Магнит, так называемый магнитный мешальник, помещали на дно контейнера. Использовали вращающееся магнитное поле под контейнером, чтобы вызвать вращение магнита и тем самым перемешивание жидкости.
2. Образец оставляли на 24 ч при комнатной температуре при постоянном перемешивании.
3. Образец затем центрифугировали при 4000 об/мин в течение 10 мин.
4. Примерно 1,6 г верхней фазы, т.е. самого верхнего слоя стратифицированной жидкости, использовали для метода TBN в соответствии с ASTM D4739-02.
5. Несколько модифицированный вариант ASTM D4739-02 использовали для определения TBN. Различия между методами изложены ниже.
Химические реагенты
ASTMD4739-02
Модифицированныйметод
Растворитель для титрования
125 мл
75 мл
0,1 М HCl с IPA
100 мкл
60 мкл
Общее количество 0,1 М HCl с IPA
4,0 мл
4,0 мл
На фиг.8 проиллюстрированы результаты испытаний с неиспользованным маслом, использованным маслом без катионообменников и использованным маслом с катионообменниками.
Они иллюстрируют поведение с учетом буферной способности (кривые титрования) неиспользованного масла, использованного (израсходованного) масла и использованного масла, обработанного с помощью устройства по изобретению. piH является значением, которое отражает кислотность масла таким же образом, как рН отражает кислотность водного раствора. По оси Х показано значение piH масел и по оси Y их способность буферировать ионы водорода, т.е. абсорбировать их, не становясь более кислыми.
Каждая точка измерения на кривых соответствует добавлению определенного количества кислоты (одного и того же количества для каждой точки). В случае неиспользованного масла (исходное значение piH примерно 6,3, см. фиг.8, А) существует диапазон около piH=4 (фиг.8, D), в пределах которого буферный эффект очень хороший. Когда определенное количество кислоты добавляют к данному маслу, кривая пока не смещается вдоль оси Х (значение piH не падает заметно), вместо этого кислота буферизуется и кривая смещается вдоль оси Y. Использованное масло уже имело низкое значение piH, примерно 2,5 (см. фиг.8, В), когда начались испытания, и каждое добавленное количество кислоты понижало значение piH (кривая смещается к более низким значениям на оси Х). Буферизация не осуществляется, и кривая, таким образом, практически неподвижна возле одного и того же значения на оси Y. Третья кривая представляет собой израсходованное моторное масло, обработанное с помощью одновалентных катионообменников по изобретению, которые повышают значение piH до примерно 5 (фиг.8, С) по сравнению со значением примерно 2,5, при котором это масло было перед началом испытания. Присадки в масле продолжают расходоваться и не происходит буферизации кислоты, кривая является практически неподвижной по оси Y, но большее количество кислоты может быть добавлено прежде, чем значение piH снова достигнет минимально допустимого уровня. Обработка масла с помощью одновалентных катионообменников таким образом удлиняет срок его службы.
Изобретение, конечно, не ограничивается описанными выше вариантами осуществления, поскольку специалисту, вероятно, будет очевидно множество возможностей их модификации без отклонения при этом от основной концепции изобретения, как она определена в прилагаемой формуле изобретения.