Способ определения склонности моторных масел для дизельных двигателей к образованию низкотемпературных отложений
METHOD OF DETERMINATION OF PROPENSITY OF MOTOR OILS FOR DIESEL ENGINES TO FORMATION OF LOW-TEMPERATURE DEPOSITS

Изобретение относится к моторным методам оценки эксплуатационных свойств моторных масел для дизелей, в частности к способам определения образования низкотемпературных отложений, и может быть использовано в лабораториях контроля качества моторных масел различного компонентного состава.
Процесс эксплуатации масла по своей природе является химмотологическим, так как в нем принимают участие основные элементы химмотологической системы «двигатель - топливо - моторное масло - эксплуатация». Эта система может надежно функционировать только при полном соответствии ее элементов, которое выражается в форме удовлетворения взаимных требований.
Низкотемпературные отложения образуются в масле в результате окислительных превращений (сшивания окисленных молекул) и полимеризации продуктов окисления и неполного сгорания топлива. Химический состав низкотемпературных отложений зависит от химического состава, состава углеводородного и состава фракционного топлив и масел, системы воздухоподготовки и смесеобразования. Количество низкотемпературных отложений увеличивается с повышением содержания в топливе нафтенов, аренов, соединений органических гетероатомных, смолисто-асфальтеновых веществ, а также при работе непрогретого двигателя, продолжительной работе на холостом ходу или при городской езде [1 - Гришин Н.Н., Середа В.В. Энциклопедия химмотологии. - М.: Издательство «Перо», 21016. - С. 414-415].
Низкотемпературные отложения образуются на следующих деталях дизельного двигателя: сетка маслоприемника, каналы системы смазки, клапанная коробка, детали механизма газораспределения, фильтры грубой и тонкой очистки.
Низкотемпературные отложения на сетке маслоприемника и каналах системы смазки увеличивают их гидравлическое сопротивление, вследствие чего уменьшается количество подводимого масла к трущимся поверхностям, особенно в моменты пуска и прогрева двигателя. Отложения в клапанной коробке и на деталях газораспределительного механизма так же могут спровоцировать прекращение подачи свежего масла на трущиеся поверхности деталей. При засорении фильтров грубой и тонкой очистки возможен перепуск неочищенного масла в главную магистраль. Таким образом, образование низкотемпературных отложений в конечном счете приводит к выходу ДВС из строя.
В ранее существовавших методах квалификационной оценки склонность моторных масел к образованию низкотемпературных отложений для дизельных двигателей не оценивалась, а оценивалась склонность только для автомобильных бензиновых двигателей. В настоящее время на военной автомобильной технике устанавливается до 80% дизельных двигателей. Бензиновые двигатели не могут воспроизвести особенности условий работы моторного масла в современных дизелях. Так как условия работы моторного масла и образования отложений в бензиновых и дизельных двигателях отличны.
Перед авторами поставлена задача - разработать способ, позволяющий оценивать моторные масла для дизельных двигателей к склонности образованию низкотемпературных отложений с высокой точностью и достоверностью, который может быть реализован для военной техники на доступном российском оборудовании.
При просмотре источников научно-технической и патентной информации были выявлены технические решения, частично позволяющие оценивать моторные масла по низкотемпературным отложениям.
Известен метод оценки склонности моторных масел к образованию низкотемпературных отложений на установке ИКМ-3. Сущность метода заключается в определении низкотемпературных отложений на работающем одноцилиндровом бензиновом карбюраторном двигателе установки ИКМ-3 путем взвешивания отложений, накопившихся в роторе центрифуги за 44 часа испытаний. Испытания на этой установке проводят в течение 44 часов 11-часовыми повторяющимися этапами. Каждый этап испытания включает: 8 часов работы двигателя на «холодном» режиме; остановку двигателя после «холодного» режима на 1 час для нагрева моторного масла до температуры 85°С; 1 час работы двигателя на «горячем» режиме; остановку двигателя на 1 час для его охлаждения [2 - Технические условия ТУ38.401370-82. Масла моторные. Метод ИКМ-44 оценки склонности моторных масел к образованию низкотемпературных отложений на установке ИКМ-3].
Недостатком данного метода использование одноцилиндровой установки, условия работы которой не соответствуют реальным условиям эксплуатации автомобильной техники.
Известен метод оценки склонности моторных масел к образованию низкотемпературных отложений на установке НАМИ-1М. Сущность метода заключается в испытании масла на одноцилиндровой карбюраторной установке НАМИ-1М в течение 120 ч (15 циклов по 8 часов) с последующей оценкой массы отложений в роторе центрифуги. Испытания проводят на переменном режиме с переменной нагрузкой [3 - ГОСТ 20994-75 «Масла моторные. Метод оценки склонности масел к образованию отложений при низких температурах»].
Недостатком данного метода является большая продолжительность испытания, и как следствие, высокая энергоемкость проведения одного испытания.
Указанные выше методы разработаны на базе бензиновых двигателей (метод НАМИ-1М на базе одноцилиндрового отсека двигателя ЗИЛ-130, а метод ИКМ-44 на базе одноцилиндрового двигателя типа УД-1М) и не могут в полной мере воспроизвести особенности условий работы моторного масла в современных дизелях. Так как условия работы моторного масла и образования отложений отличны в бензиновых и дизельных двигателях, а именно степень сжатия у дизелей почти в два раза выше, чем у бензиновых двигателей, это напрямую сказывается на процессах окисления: они протекают значительно быстрее в дизельном двигателе. Кроме того, дизельное топливо в цилиндрах сгорает не полностью, и поэтому в дизельных двигателях всегда образуется большое количество продуктов неполного сгорания топлива. За счет высокой степени сжатия, в картер из цилиндров прорывается больше газов, которые также окисляют масло. В дизельном топливе сернистых соединений несколько больше, чем в бензине, поэтому при сгорании образуется больше окислов серы и они очень агрессивны.
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ оценки стойкости моторного масла к шламообразованию, включающий залив в картер 0,7 кг масла и осуществление запуска двигателя. В течение первых 8 час двигатель работает на «холодном» режиме. В этом случае он охлаждается вентилятором, а через двойное дно картерной и клапанной крышек пропускают водопроводную воду (или другую охлаждающую среду, например, холодильный газ). Выхлопные газы охлаждают в радиаторе и направляют в картер. В карбюратор подают воду, а двигатель работает на богатой смеси. Масляная центрифуга, служащая для улавливания шлама, сначала не работает для того, чтобы частицы, взвешенные в масле, полностью участвовали в процессе его окисления и образовании шлама. После 4 час работы двигателя включают центрифугу с автономным приводом, позволяющим регулировать скорость вращения в зависимости от вязкости масла. После 8 час работы на «холодном» режиме двигатель останавливают. В это время включают систему подогрева испытуемого масла. По достижении заданной температуры масла 80°С двигатель снова запускают и устанавливают параметры, соответствующие «горячему» режиму его работы. Двигатель работает на «горячем» режиме в течение 1 час, после чего включают систему подогрева масла, останавливают двигатель и охлаждают его в течение 1 час вентилятором. Оценку стойкости масел к шламообразованию производят по количеству отложений (шлама) в роторе центрифуги [4 - SU 370505, G01N 5/04, G01N 33/30, 1973 г - прототип].
Недостатком данного способа является низкая достоверность получаемых результатов из-за несоответствия условий испытания условиям эксплуатации автомобильной техники, а именно режимы испытания и использование одноцилиндровой установки.
Известно, что о склонности моторных масел к образованию отложений также можно судить по величине падения щелочного числа в ходе проведения испытаний. Щелочное число - один из показателей качества, характеризующих моюще-диспергирующие свойства моторных масел, и, как следствие, их склонность к образованию отложений. В силу конструктивных особенностей двигателя процесс старения масла в нем характеризуется интенсивным срабатыванием нейтрализующих свойств моторного масла - падение щелочного числа за все время испытания.
Технический результат изобретения - повышение точности и достоверности результатов испытания с одновременным приближением к условиям эксплуатации моторных масел на дизельном двигателе.
отл
Указанный технический результат достигается тем, что способ определения склонности моторных масел для дизельных двигателей к образованию низкотемпературных отложений, включающий цикличную работу двигателя с жидкостной системой охлаждения в течение заданного отрезка времени, подачу в картер двигателя выхлопных газов и определение количества отложений М на внутренней поверхности стакана ротора центробежного масляного фильтра, скорость вращения ротора которого задают.
отл
Согласно изобретению, количество циклов работы двигателя задают равным не менее 10, длительность каждого рабочего цикла составляет 7,5 часов, в течение которых осуществляют два этапа, разделенные отрезком времени в 1,5 часа остановкой двигателя для принудительной подачи воздуха со скоростью 10 л/мин в картер двигателя, каждый этап из которых состоит из режима холостого хода в течение 0,3 часа и режима полной нагрузки - 2,5 часа, создавая на режиме холостого хода частоту вращения коленчатого вала 1200 об/мин, а на режиме полной нагрузки - 2000 об/мин, поддерживая температуру исследуемого масла в картере на этих режимах 70°С и 90°С и температуру охлаждающей жидкости 60°С и 85°С соответственно, а склонность моторных масел к образованию низкотемпературных отложений дополнительно оценивают по разности значений щелочного числа до и после проведения 10 циклов, и при М≥240 г и ΔЩЧ≥5 моторное масло относят к группе Г и считают склонным к образованию низкотемпературных отложений.
Известно что, для дизельного двигателя Д-245.12С частота вращения коленчатого вала на холостом ходу составляет от 800 об/мин (минимально устойчивая частота) до 2600 об/мин (максимальная частота). Поэтому в методе оценки склонности моторных масел к образованию низкотемпературных отложений частоту вращения коленчатого вала при работе двигателя на нагрузочном режиме выбирают в пределах от 1000 об/мин до 2000 об/мин. Рассматривать значения частот вращения коленчатого вала двигателя более 2000 об/мин не целесообразно по причине того, что в результате повышается температурный режим двигателя, а условия образования низкотемпературных отложений не соответствует реальным условиям эксплуатации.
Температуру охлаждающей жидкости (воды) в системе охлаждения двигателя при его эксплуатации поддерживают в пределах от температуры окружающего воздуха до 85°С. Однако при анализе механизма образования низкотемпературных отложений было установлено, что при температуре ниже 60°С поверхностей выпускного тракта и поршней происходит интенсивное смолообразование. Такое явление приводит к образованию низкотемпературных отложений на поверхностях выпускных клапанов, каналах выпускного тракта. Поэтому поддерживают температуру охлаждающей жидкости в пределах от 50°С до 60°С на режиме холостого хода. Аналогичная динамика поддержания температуры должна быть и у температуры масла в картере двигателя. Температура масла в картере двигателя выбрана 70°С на режиме холостого хода и 90°С на режиме полной нагрузки.
Общая продолжительность испытаний моторных масел для оценки склонности к низкотемпературным отложениям выбрана равной 75 часов или 10 циклов по 7,5 ч с поочередной сменой этапов цикла работы двигателя. Между этапами одного цикла осуществляют остановку двигателя в течение 1,5 часов для принудительной подачи воздуха в картер двигателя со скоростью 10 л/мин с целью интенсификации окисления моторного масла, способствующему ускоренному образованию низкотемпературных отложений. Как и в прототипе, низкотемпературные отложения определяют по разнице веса стакана ротора центробежного масляного фильтра до и после испытания. Центробежный масляный фильтр с частой вращения ротора 5000 об/мин устанавливают на двигатель Д 245.12С. Параметры одного цикла приведены в таблице 1.
Низкотемпературные отложения оценивают по разнице веса стакана ротора центробежного масляного фильтра до и после испытания и по изменению значения щелочного числа в ходе испытания.
Способ реализуется следующим образом.
2
Пример №1. Необходимо оценить склонность моторного масла марки М-10Гк, изготовитель «СИБОИЛ смазочные материалы» к образованию низкотемпературных отложений, которое по ГОСТ 8581-78 имеет следующие показатели:
2
- вязкость кинематическая при 100°С - 11,28 мм/с;
- индекс вязкости - 95;
- массовая доля механических примесей - 0,007%;
- температура вспышки определяемая в открытом тигле - 258°С;
- температура застывания - минус 21°С;
- моющие свойства по ПЗВ - 0,3 баллы;
- массовая доля активных элементов: кальций - 0,23%, цинк - 0,06%, фосфор - 0,06%;
- щелочное число - 6,27 мг КОН/г масла;
- зольность сульфатная - 0,97%;
3
- плотность при 20°С - 0,8866 г/см;
- степень чистоты на 100 г масла - 254;
- температура самовоспламенения - 342°С.
2
Моторное масло М-10Гк объемом 13,5 л заливают в картер четырехцилиндрового четырехтактного дизельного двигателя Д-245.12С. До испытания взвешивают стакан ротора центробежного масляного фильтра  -665 г. Далее осуществляют подачу дизельного топлива ДТ-Л-К5 по ГОСТ 32511 и двигатель запускается. Испытания моторного масла проводят на дизельном двигателе Д-245.12С 10 циклами. На режиме полной нагрузки осуществляют подачу части отработавших газов 25 л/мин в масляный картер двигателя, которые направляют в трубку щупа уровня моторного масла. Во время остановки двигателя в течение 1,5 часов принудительно подают воздух со скоростью 10 л/мин в картер двигателя. В течение дня двигатель должен проработать полный один цикл. В процессе работы двигателя в течение каждого цикла осуществляют контроль следующих показателей: часовой расход топлива - 16,5 кг/ч; частоту вращения коленчатого вала двигателя - 2000 об/мин; температуру охлаждающей жидкости на выходе из головки двигателя -85°С; температуру моторного масла в картере двигателя - 90°С. Значения показателей соответствуют реальным условиям эксплуатация дизельной автомобильной техники. Смену и долив масла в процессе испытаний не проводят. После истечения 10 циклов отработанное масло из масляного картера сливают и отобрав пробу масла по ГОСТ 11362-96 определяют щелочное число - 2,02 мг KОН/г. Снимают и взвешивают стакан ротора центробежного масляного фильтра с отложениями с погрешностью не более 1,0 г  - 880 г.
отл
Суммарная масса отложений, образовавшихся на внутренней поверхности стакана ротора центробежного масляного фильтра М и изменение щелочного числа (ΔЩЧ) за все время испытаний определяют по следующим формулам:
ΔЩЧ=6,27 мг KОН/г - 2,02 мг KОН/г=4,25 мг KОН/г.
2
Суммарная масса отложений, образовавшихся на внутренней поверхности стакана ротора центрифуги после 75 часов испытания, составила - 215 г. В процессе эксплуатации моторного масла М-10Гк снизилось щелочное число до 2,02 мг КОН/г.
отл
2
Поскольку полученные значения М<240, ΔЩЧ<5, делают вывод, что анализируемый образец моторного масла марки М-10Гк не склонен к образованию низкотемпературных отложений.
Пример №2. Заявляемым способом было испытано моторное масло группы Г неизвестного завода-изготовителя. Суммарная масса отложений, образовавшихся на внутренней поверхности стакана ротора центробежного масляного фильтра М» за весь цикл испытаний составила 275 г, падение щелочного числа за все время испытаний ΔЩЧ - 5,8 мг KОН/г. Исходя из полученных результатов, делают вывод, что испытанное моторное масло группы Г склонно к образованию низкотемпературных отложений. Таким образом, применение предлагаемого способа позволит:
- повысить точность и достоверность оценки склонности моторных масел к образованию низкотемпературных отложений за счет реализации условий испытаний, приближенных к реальным условиям эксплуатации моторного масла в автомобильной дизельной техники (режимы испытаний, использование четырехцилиндрового дизельного двигателя);
отл
- реализовать оценку склонности моторных масел к образованию низкотемпературных отложений по двум информационным показателям М и ΔЩЧ, характеризующим как образование нерастворимых отложений в масле, так и интенсивное срабатывание нейтрализующих свойств моторного масла.