Метод определения влияния доливов на потенциальный ресурс и температурные пределы процессов окисления минерального моторного масла М-10Г2к

УДК 621.892.2

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ДОЛИВОВ

НА ПОТЕНЦИАЛЬНЫЙ РЕСУРС И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ПРЕДЕЛЫ ПРОЦЕССОВ ОКИСЛЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО МОТОРНОГО МАСЛА М-10Г2К

Д.В. Агровиченко, Б.И. Ковальский, В.А. Балясников, В.Г. Шрам

Приведены результаты испытания минерального моторного масла М-10Г2к без доливов и с доливами на термоокислительную стабильность, оцененную по коэффициенту поглощения светового потока и испаряемости. Предложен критерий оценки влияния доливов и температуры на скорость процессов окисления, обозначенный как показатель потенциального ресурса и определяемый временем достижения коэффициентом поглощения светового потока значений, равных 0,2 и 0,7. Предложена аналитическая модель определения температуры начала термоокислительного процесса и критической температуры.

Ключевые слова: термоокислительная стабильность, коэффициент поглощения светового потока, испаряемость, потенциальный ресурс, доливы, температуры начала процессов окисления и испарения, критические температуры процессов окисления и испарения.

Введение. Одним из важнейших направлений повышения эффективности использования моторных масел является улучшение их качества и увеличение ресурса. В процессе эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в результате износа цилиндропоршневой группы увеличивается угар масла, приводящий к доливам и восстановлению его эксплуатационных свойств. Однако существует проблема недостаточной изученности влияния доливов на состояние моторных масел и их ресурс.

Целью настоящей работы является установление влияния доливов в процессе эксплуатации двигателя внутреннего сгорания на ресурс моторных масел и измерение температурных пределов их работы.

Методика исследования. Методика исследования предусматривала применение следующих средств контроля и испытания: прибора для термостатирования масел, фотометра для прямого фотометрирования окисленных масел при толщине фотометрируемого слоя 2 мм, электронных весов.

Термоокислительная стабильность [1] оценивалась по коэффициенту поглощения светового потока, учитывающему влияние тепловой энергии на преобразования в масле [2] и испарение. Влияние доливов на процессы окисления масла определялось в сопоставлении с результатами испытания его без доливов. Масса доливаемого масла определялась массой испарившегося масла и его потерями при измерении вязкости и фотомет-рировании. Масса пробы масла после доливов равнялась 100 г. Время ис-

375

пытания определялось временем достижения значения коэффициента поглощения светового потока значений, равных 0,7-0,8, причем через каждые 8 ч отбиралась проба окисленного масла для контроля изменения параметров термоокислительной стабильности [3]. Масло термостатировалось при трех температурах: 160, 170 и 180 °С.

Результаты исследования. На рис. 1 представлены зависимости коэффициента поглощения светового потока КП от времени t и температуры испытания Т, описываемые полиномом второго порядка.

КП = at2 + bt + c,

где a, b и c - коэффициенты, характеризующие сопротивляемость исследуемого масла температурным воздействиям; а определяет интенсивность изменения коэффициента поглощения светового потока КП; b - скорость изменения оптических свойств; с - начальное значение коэффициента КП; t - время испытания, ч.

20 60 100 140

Рис. 1. Зависимости коэффициента поглощения светового потока от времени испытания минерального моторного масла М-10Г2к: 1 -180 °С; 2 -170 °С; 3 -160 °С; 1, 2, 3 - без доливов; 1', 2', 3' - с доливами

Регрессионные уравнения процессов окисления без доливов масла составили при температурах

180 °С: КП = 5,72-10"512 + 0,0096t + 0,024;

170 °С: КП = 7,33-10"512 + 0,0034t + 0,049,

160 °С: КП = 2,93-10"512 + 0,0022t + 0,046.

Регрессионные уравнения процессов окисления исследуемого масла с доливами составили при температурах

376

180 °С: КП = 3,56-10"5 /2 + 0,0089/ + 0,03;

170 °С: КП = 4,42-10"5/2 + 0,006/ + 0,026,

160 °С: КП = 1,36-10"5/2 + 0,0026/ + 0,04.

Коэффициент поглощения светового потока КП можно использовать для установления температурных пределов процесса окисления, а именно для определения температуры, при которой масло начинает окисляться и критической температуры, при которой протекают аномальные явления.

С целью нахождения начальной температуры окисления масла необходимо построить графические зависимости коэффициента поглощения светового потока от температуры испытания. Результаты вычисления коэффициента поглощения светового потока во времени испытания, равном 20, 30, 40 и 50 ч, от температуры испытания сведены в табл.1, а графические зависимости представлены на рис. 2 а, б, в, г.

Таблица 1

Результаты вычисления коэффициента поглощения светового потока минерального моторного масла М-10Г2к от температуры испытания

Время испытания /, ч Температура испытания Т, °С Коэффициент поглощения светового потока Кп

масло без доливов масло с доливами

20 180 0,239 0,222

170 0,146 0,164

160 0,102 0,097

30 180 0,363 0,329

170 0,217 0,246

160 0,138 0,130

40 180 0,500 0,443

170 0,302 0,337

160 0,181 0,166

50 180 0,647 0,564

170 0,402 0,436

160 0,229 0,204

Согласно данным табл. 1 и рис. 2, а, б, в, г процесс окисления масла при температурах 160 и 180 °С протекает менее интенсивно в случае испытания масла с доливами вне зависимости от времени испытания, однако при температуре 170 °С коэффициент поглощения светового потока ниже в случае испытания масла без доливов. Кроме того, установлено, что во время сорокачасового и пятидесятичасового испытаний масло с доли-вами начинает окисляться при больших температурах, чем при испытании масла без доливов, а именно в случае, когда / = 40 ч, доливы повышают температуру начала процесса окисления до 154,9 °С (кривая 3') против

377

149,3 °С при испытании масла без доливов (кривая 3); при пятидесятичасовом испытании с доливами и без них температуры начала процесса окисления соответственно равны 153,6 °С (кривая 4') и 141,0 °С (кривая 4), т.е. доливы повышают температуру начала процесса окисления. В то же время, в случае двадцати- и тридцатичасового окисления температура начала процесса выше в случае испытания масла без доливов (кривые 1 и 2).

Рис. 2. Зависимости коэффициента поглощения светового потока от температуры испытания минерального моторного масла М-10Г2к: а - 20 ч, б - 30 ч, в - 40 ч, г - 50 ч; 1, 2, 3, 4 - без доливов,

1', 2', 3', 4'- с доливами

Для оценки влияния температуры и доливов на скорость процессов окисления введен показатель потенциального ресурса, определяемый временем достижения коэффициентом поглощения светового потока значений, равных 0,2 и 0,7, с помощью которого можно определить критическую температуру для исследуемого масла и влияние степени его окисления на этот показатель. Результаты вычисления потенциального ресурса от температуры испытания сведены в табл. 2, а графические зависимости представлены на рис. 3, а, б.

Таблица 2

Результаты вычисления потенциального ресурса минерального моторного масла М-10Г2к при КП = 0,2 и КП = 0,7 в зависимости от температуры испытания

Коэффициент поглощения светового потока КП Температура испытания Т, °С Потенциальный ресурс Р, ч

масло без доливов масло с доливами

0,2 180 16,7 17,8

170 27,8 24,6

160 44,1 49,0

0,7 180 53,4 60,6

170 73,9 73,0

160 116,5 144,6

Рис. 3. Зависимости потенциального ресурса минерального моторного масла М-10Г2к от температуры испытания при КП = 0,2 (а) и КП = 0,7 (б): 1, 2 - без доливов, 1', 2'- с доливами

Установлено, что критическая температура окисления при достижении коэффициентом поглощения светового потока значения, равного 0,2 для масла без доливов составила 196,3 °С, а для масла с доливами - 178,8 °С. При коэффициенте поглощения светового потока, равном 0,7, критическая температура окисления составила 184,3 и 177,1 °С в случае испытания масла без доливов и с доливами соответственно. Таким образом, доливы понижают критическую температуру окисления.

По данным рис. 3, а (КП = 0,2) установлено, что при температуре испытания до 164,2 °С и свыше 178,8 °С доливы увеличивают потенциальный ресурс, однако в диапазоне температур от 164,2 до 178,8 °С доливы масла незначительно его уменьшают. В случае достижения коэффициентом поглощения светового потока значения, равного 0,7 (рис. 3, б), положительное влияние доливов сказывается на большем интервале температур, а именно при температуре до 169,2 °С и свыше 176,4 °С; в температурном диапазоне от 169,2 до 176,4 °С доливы масла существенной роли не играют.

На рис. 4 представлены зависимости испаряемости О минерального моторного масла М-10Г2к от времени г и температуры испытания Т.

Установлено, что испаряемость масла при испытании практически не зависит от доливов в исследуемом интервале температур (160-180 °С). Процесс испарения минерального масла описывается полиномом второго порядка:

О = Лг2 + Вг+С,

где А, В и С - коэффициенты, определяющие склонность испытуемого масла к испарению: А характеризует интенсивность изменения испаряемости О, В - скорость его изменения, С - начальную концентрацию легких продуктов в масле.

G, г

20 60 100 140

Рис. 4. Зависимости испаряемости минерального моторного масла М-10Г2к от времени испытания: 1 -180 °С; 2 -170 °С; 3 -160 °С; 1, 2, 3 - без доливов;

1', 2', 3' - с доливами

Регрессионные уравнения процессов испарения масла без доливов и с доливами составили при температурах

180 °С: G = -1,76-10"412 + 0,0836t + 0,802;

170 °С: G = -2,89-10-512 + 0,0581t + 0,542;

160 °С: G = 3,89-10-512 + 0,0296t + 0,198.

Для определения температуры начала процесса испарения следует построить графики зависимости испаряемости от температуры испытания. Результаты вычисления значения испаряемости во времени испытания, равном 20, 30, 40 и 50 ч, от температуры сведены в табл. 3, а графические зависимости представлены на рис. 5.

Согласно данным табл. 3 и рис. 5 интенсивность испарения зависит от времени испытания, однако температура начала испарения с увеличением времени испытания изменяется незначительно и составляет 151,84, 151,77, 151,43 и 151,15 °С .

Таблица 3

Результаты вычисления значений испаряемости минерального моторного масла М-10Г2к в зависимости от температуры

Время испытания 1, ч Температура испытания Т, °С Испаряемость О, г

20 180 2,404

170 1,692

160 0,806

30 180 3,152

170 2,259

160 1,121

40 180 3,864

170 2,820

160 1,144

50 180 4,542

170 3,375

160 1,776

160 180

Рис. 5. Зависимости испаряемости минерального моторного масла М-10Г2к от температуры и времени испытания: 1 - 20 ч, 2 - 30 ч, 3 - 40 ч, 4 - 50 ч

Для определения критической температуры испарения построены зависимости времени испытания минерального моторного масла М-10Г2к от температуры испытания (рис. 6). Время фиксировалось в момент достижения значения испаряемости, равного 2 г (кривая 1) и 4 г (кривая 2), при испытаниях в диапазоне температур 160-180 °С. Результаты вычисления времени испытания, при котором испаряется 2 и 4 г масла, от температуры испытания сведены в табл. 4.

Таблица 4

Результаты вычисления времени испытания минерального моторного масла М-10Г2к при достижении испаряемости С = 2 г и С = 4 г в зависимости от температуры

Испаряемость О, г Температура испытания Т, °С Время испытания 1, ч

2 180 14,8

170 25,4

160 66,8

4 180 42,0

170 61,4

160 112,0

Критическая температура испытания составила для исследуемого масла независимо от доливов 178,5 и 181,2 °С в случае испарения 2 и 4 г масла соответственно. Повышение критической температуры в случае О = 4 г вызвано влиянием продуктов окисления и испарением легких фракций масла.

Рис. 6. Зависимости времени испытания минерального моторного масла М-10Г2к от температуры испытания при массе испарившегося масла, равной 2 г

Коэффициент поглощения светового потока и испаряемость характеризуют термоокислительную стабильность минерального моторного масла М-10Г2к, поэтому исследование влияния доливов на этот показатель является актуальной задачей, т.к. учитывает совместное влияние процессов окисления и испарения на термоокислительную стабильность, а также на изменение температуры начала процессов преобразования в масле и критической температуры работоспособности исследуемого масла.

Испаряемость масел оценивалась коэффициентом испаряемости KG, определяемым отношением:

К0 = M,

M

где m - масса испарившейся части пробы масла за время испытания t, г; М - масса оставшейся части пробы масла после испытания за время t, г.

Количество тепловой энергии, поглощенной продуктами окисления и испарения, определяет коэффициент термоокислительной стабильности

ПтОС:

ПТОС = КП + KG,

где КП - коэффициент поглощения светового потока; KG - коэффициент испаряемости, определяемый по формуле 12.

На рис. 7 представлены зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от времени испытания минерального моторного масла М-10Г2к при различных температурах без доливов и с доливами .

Регрессионные уравнения зависимостей (рис. 7) без доливов масла составили при температурах

180 °С: КТОс = 5,58-10"512 + 0,0104t+0,032;

170 °С: КТОс = 7,33-10"512 + 0,004t + 0,054;

160 °С: КТОс = 2,98-10"512 + 0,0025t + 0,048.

Регрессионные уравнения зависимостей исследуемого масла с до-ливами составили при температурах

180 °С: КОС = 4,2-10"512 + 0,0093t + 0,041;

170 °С: КТОС = 4,33-10"512 + 0,0068t + 0,031;

160 °С: КТОС = 1,38-10"512 + 0,0029t + 0,044.

Рис. 7. Зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от времени испытания минерального моторного масла М-10Г2к: 1 -180 °С; 2 -170 °С; 3 -160 °С; 1, 2, 3 - без доливов;

1', 2', 3' - с доливами

Установлено, что с понижением температуры испытания скорость изменения коэффициента КТОС независимо от доливов понижается.

Зависимости коэффициента термоокислительной стабильности КТОС можно использовать для установления температурных пределов процессов превращения: температуры начала процесса и предельной температуры работоспособности исследуемого масла.

Для определения температуры начала термоокислительного процесса необходимо построить графические зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от температуры при 20, 30, 40 и 50 ч испытания, что позволит исследовать влияние времени испытания на температурные пределы работоспособности исследуемого масла. Результаты вычисления значения коэффициента термоокислительной стабильности от температуры испытания сведены в табл. 5, а графические зависимости представлены на рис. 8, а, б, в, г.

Согласно данным табл. 5 и рис. 8, а, б, в, г доливы замедляют термоокислительный процесс при температурах 160 и 180 °С, однако при температуре испытания 170 °С эти процессы ускоряются при доливах. Вместе с тем, с увеличением времени испытания от 30 до 50 ч температура начала процессов преобразования в масле увеличивается при доливах (кривые 2', 3', 4') и составляет 151,69, 152,99 и 153,69 °С против 150,56, 144,85 и 134,19 °С в маслах без доливов. Однако при времени испытания 20 ч доливы понижают температуру начала преобразований в масле от 152,73 °С (кривая 1) до 148,54 °С (кривая 1').

Таблица 5

Результаты вычисления коэффициента термоокислительной стабильности минерального моторного масла М-10Г2к в зависимости от температуры испытания

Время испытания, ч Температура испытания, °С Коэффициент термоокислительной стабильности КТос

масло без доливов масло с доливами

20 180 0,262 0,243

170 0,164 0,184

160 0,110 0,108

30 180 0,394 0,357

170 0,240 0,273

160 0,149 0,143

40 180 0,537 0,480

170 0,332 0,372

160 0,195 0,182

50 180 0,691 0,611

170 0,438 0,479

160 0,247 0,224

Рис. 8. Зависимости коэффициента термоокислительной стабильности минерального моторного масла М-10Г2к от температуры испытания: а - 20 ч; б - 30 ч; в - 40 ч; г - 50 ч; 1, 2, 3, 4 - без доливов; 1', 2', 3', 4' - с доливами

На рис. 9 представлены зависимости времени испытания минерального моторного масла М-10Г2к при коэффициентах термоокислительной стабильности КТОС, равных 0,1 (а), 0,2 (б) и 0,7 (в), от температуры испытания. Результаты вычисления времени испытания указаны в табл. 6. Эти результаты использованы для определения критической температуры работоспособности исследуемого масла.

Таблица 6

Результаты вычисления времени испытания минерального моторного масла М-10Г2к при значениях коэффициента теормоокислительной стабильности, равных 0,1, 0,2 и 0,7, в зависимости от температуры

испытания

Коэффициент тер- Температура испы- Время испытания, ч

моокислительной стабильности КТос

тания, °С масло без доливов масло с доливами

180 6,33 6,22

0,1 170 9,68 9,56

160 17,34 17,8

0,2 180 14,96 15,99

Окончание табл. 6

Коэффициент тер- Температура испы- Время испытания, ч

моокислительной стабильности КТос

тания, °С масло без доливов масло с доливами

0,2 170 24,97 21,82

160 40,95 44,40

180 50,54 56,49

0,7 170 70,45 68,50

160 111,86 136,9

Рис. 9. Зависимости времени испытания минерального моторного масла М-10Г2к при коэффициентах термоокислительной стабильности КТ0С,равных 0,1 (а), 0,2 (б) и 0,7 (в), от температуры испытания: 1, 2, 3 - без доливов; 1', 2', 3' - с доливами

Критическая температура окисления масла в случае достижения коэффициентом термоокислительной стабильности КТОС значения, равного 0,1, составила 182,77 °С при испытании масла без доливов и 181,82 °С - с доливами. При КТОС = 0,2 критические температуры составили 191,77 и 178,48 °С при окислении масла без доливов и с доливами соответственно. В случае достижения коэффициентом термоокислительной стабильности значения, равного 0,7 критическая температура при испытании масла с доливами так же, как и при меньших величинах КТОС, понижается и составляет 177,13 °С против 184,26 °С при испытании без доливов. Отсюда следует, что доливы понижают критическую температуру термоокислительного процесса.

Вместе с тем, по данным табл. 6 и рис. 9,б, установлено, что при температуре испытания до 163,4 °С и свыше 178,85 °С доливы увеличивают ресурс масла, однако в диапазоне температур от 163,4 до 178,85 °С доливы незначительно его уменьшают. В случае достижения коэффициентом

386

термоокислительной стабильности значения, равного 0,7 (рис. 9,в), положительное влияние доливов сказывается при температурах до 168,42 °С и свыше 177,06 °С. На начальном этапе термоокисления (Kroc = 0,1, рис. 9,а) доливы на ресурс масла существенного влияния не оказывают.

Выводы

1. Установлено, что процесс окисления масла при температурах 160 и 180 °С протекает менее интенсивно в случае испытания масла с долива-ми вне зависимости от времени испытания, однако при температуре 170 °С коэффициент поглощения светового потока ниже в случае испытания масла без доливов. Испаряемость масла при испытании практически не зависит от доливов в исследуемом интервале температур (160-180 °С).

2. Определено, что доливы масла повышают температуру начала процесса окисления при сорокачасовом и пятидесятичасовом испытании. В то же время в случае двадцати- и тридцатичасового окисления температура начала процесса выше в случае испытания масла без доливов, в то же время доливы масла понижают критическую температуру окисления на всем температурном интервале.

3. При значении коэффициента поглощения светового потока, равном 0,2, установлено, что при температуре испытания до 164,2 °С и свыше 178,8 °С доливы увеличивают потенциальный ресурс, однако в диапазоне температур от 164,2 до 178,8 °С доливы масла незначительно его уменьшают. В случае достижения коэффициентом поглощения светового потока значения, равного 0,7, положительное влияние доливов сказывается на большем интервале температур, а именно при температуре до 169,2 °С и свыше 176,4 °С. В температурном диапазоне от 169,2 до 176,4 °С доливы масла существенной роли не играют.

Список литературы

1. Патент 2274850 РФ МПК G01N 25/02. Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов / Б. И. Ковальский, С.И. Васильев, Ю. Н. Безбородов, В.В. Гаврилов. Опубл. 20.04.2006. Бюл. № 11.

2. Патент 2366945 РФ МПК G01N 33/30. Способ определения температурной стойкости смазочных масел / Б.И. Ковальский, Н.Н. Малышева. Опубл. 10.09.2009. Бюл. № 25.

3. Патент 2371706 РФ МПК G01N 25/00. Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов / Б.И. Ковальский, Е.А. Вишневская, Ю.Н. Безбородов, Н.Н. Малышева. Опубл. 27.10.2009. Бюл. № 30.

Агровиченко Дарья Валентиновна, асп., ассистент, dashuta2806@mail. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Ковальский Болеслав Иванович, д-р техн. наук, проф, Labsm@,mail.т, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Балясников Валерий Александрович, асп., kanzas29@,mail. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Шрам Вячеслав Геннадьевич, канд. техн. наук, доц., Shram IHrus a mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа

DEFINITION METHOD OF TOPPING INFLUENCE ON THE POTENTIAL RESOURCE AND TEMPERA TURE LIMITS OF PROCESSES OF OXIDA TION OF THE MINERAL

ENGINE OIL M-10G2K

D.V. Agrovichenko, B.I. Kowalski, V.A. Balyasnikov, V.G. Shram

The results of testing of the mineral engine oil M-10g2k without topping and with topping on the thermooxidizing stability estimated on coefficient of absorption of a light flow and evaporability are presented. The criterion for evaluation of influence of topping and temperature on the speed of processes of oxidation designated as an indicator of a potential resource and determined by achievement time in coefficient of absorption of a light flow of the values equal 0,2 and 0,7 is offered. The analytical model of determination of temperature of the beginning of thermooxidizing process and critical temperature is offered.

Key words: thermooxidizing stability, coefficient of absorption of a light flow, evaporability, potential resource, topping, temperatures of the beginning of processes of oxidation and evaporation, critical temperatures of processes of oxidation and evaporation.

Agrovichenko Darya Valentinovna, postgraduate, assistant, dashuta2806@,mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Kowalski Boleslav Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Labsmamail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Balyasnikov Valery Aleksandrovich, postgraduate, kanzas29a mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

Shram Vyacheslav Gennadievich, candidate of technical sciences, docent, Shram18rus@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas