Обеспечение рационального ресурса моторного масла в двигателях

УДК 621.892

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНОГО РЕСУРСА МОТОРНОГО МАСЛА

В ДВИГАТЕЛЯХ

PROVIDING RATIONAL RESOURCE OF ENGINE OIL IN ENGINES Л. А. Долгова, В. В. Салмин L. A. Dolgova, V. V. Salmin

ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», г. Пенза

Аннотация. Установлено, что в процессе работы двигателя моторное масло подвергается гидродинамическому, термодинамическому и термохимическому воздействиям. Состояние масла в эксплуатации можно достоверно контролировать по показателю «электрическое сопротивление». Для имитации процесса потери работоспособности масла и определения его рационального ресурса разработана лабораторная установка и сделано ее расчетно-теоретическое обоснование.

Abstract. It is established that engine oil is subject to hydrodynamic, thermodynamic and thermochemical effect during engine operation. The condition of oil in exploitation can be authentically controlled by the parameter «electric resistance». The laboratory facility and its design-theoretical substantiation are developed for imitating the process of losing oil functionality and for defining its rational resource.

Ключевые слова: моторное масло, двигатель, ресурс масла, периодичность замены масла, электрическое сопротивление, лабораторная установка, имитация работы, энергия разрушения, работоспособность.

Keywords: engine oil, engine, oil resource, periodicity of oil replacement, electric resistance, laboratory facility, imitating the operation, energy of destruction, functionality.

Актуальность исследуемой проблемы. В процессе эксплуатации двигателя внутреннего сгорания (ДВС) условия работы смазки в его различных узлах и сопряжениях неодинаковы. Моторное масло постоянно подвергается перепадам тепловых и механических нагрузок. Давление на масляную пленку между стенкой цилиндра и поршневыми кольцами может меняться в пределах от 0,15 до 1,3 МПа, при этом скорость поршня изменяется от нуля до 15 м/с. В механизме газораспределения это давление на масляную пленку может достигать более 2,0 МПа. Температура масляной пленки на рабочих поверхностях цилиндра достигает 300 оС, в подшипниках коленчатого вала -120 оС, а в картере - 100 оС. Все это способствует интенсификации процессов механической, гидродинамической, гидромеханической, термодинамической и химической деструкции в моторном масле, а следовательно, приведет к срабатыванию присадок в нем и разрушению масляной основы. Процесс, в результате которого масло теряет свою работоспособность, называется «старением». В связи с этим обеспечение рациональной периодичности смены масла в ДВС имеет большое экономическое значение,

что делает этот вопрос актуальным как для науки, так и производства. Необоснованное увеличение сроков замены масла неминуемо может привести к возрастанию смолистококсовых отложений в высокотемпературной зоне двигателя, ухудшению вязкостнотемпературных свойств масла, что в свою очередь вызовет форсированный износ деталей Двс, ухудшит технико-экономические показатели транспортного средства. При необоснованном снижении сроков замены масла это приведет к увеличению расхода масла из-за частой его замены, что также будет способствовать увеличению затрат на эксплуатацию транспортного средства. Следовательно, оба случая приводят к увеличению статьи расходов на топливно-смазочные материалы и увеличению себестоимости транспортно-технологических процессов.

Материал и методика исследований. С целью выбора наиболее информативного показателя и дальнейшего его применения для контроля за качеством масла авторами статьи были проведены экспериментальные исследования. В качестве показателей использовали: коэффициент диэлектрической проницаемости; электрическое сопротивление; коэффициент оптического поглощения; величину поглощения оптического излучения. Исследования проводили в реальных условиях эксплуатации автомобилей - на предприятии «ХиммашТранспорт» г. Пензы, парк автомобилей которого составляют грузовые автомобили марки «1УЕСО». В качестве рабочего тела использовалось моторное масло LiquMoli. В ходе испытаний контролировали пробег автомобилей и отбирали пробы масел для дальнейшего лабораторного анализа параметров качества, регламентированных ГОСТ, и измерения коэффициента диэлектрической проницаемости, электрического сопротивления масла, коэффициента оптического поглощения и величины поглощения оптического излучения от наработки.

Результаты исследований и их обсуждение. Время, в течение которого масло сохраняет свои свойства, устанавливают заводы-изготовители транспортных средств и двигателей. Определение этого времени осуществляется чаще всего экспериментально путем многолетних стендовых и эксплуатационных заводских испытаний. Сроки замены масел указываются в технической документации и связываются со временем наработки двигателя в мотто-часах или в километрах пробега автомобиля. Однако при таком методе нормирования ресурса масла не учитываются режимы работы двигателя в условиях эксплуатации. Практика эксплуатации ДВС показывает, что чаще всего такое нормирование приводит к преждевременной и технически неоправданной замене моторного масла. Из-за отсутствия методов экспресс-контроля состояния масел и ускоренных, комплексных, имитационных лабораторных методов испытания моторных масел конструкторы ДВС зачастую назначают сокращенное время работы масла.

В качестве радикального сокращения расхода моторных масел рассматривается возможность отказа от сроков замены масел по пробегу или наработке. Наиболее правильный подход к смене масла - это его замена по фактическому состоянию. Для реализации такого подхода возможны два пути:

1. Организация лаборатории на предприятии, постоянный отбор проб масла, их анализ стандартными методами и рекомендации по сроку замены, но такой способ также потребует от предприятия значительных капитальных вложений и увеличения эксплуатационных издержек.

2. Разработка приборов экспресс-контроля и оценка с их помощью по браковочным показателям работоспособности моторного масла и определение рациональной замены масла.

Очевидно, что для оценки работоспособности моторного масла наиболее целесообразен второй способ. Он позволит осуществить контроль над изменением эксплуатационных свойств масла по отдельным показателям непосредственно в картере двигателя или путем анализа масла в отобранных пробах. Этот способ не потребует существенных затрат на создание лаборатории, обучение лаборантов, будет доступен и понятен любому водителю транспортного средства. При реализации такого способа наиболее информативными показателями являются такие параметры, как вязкость, щелочное число, плотность, термоокислительная стабильность, коррозионная активность и пр. Однако в условиях эксплуатации автотракторной техники не все из перечисленных показателей являются информативными и достоверными. Из многочисленных исследований известно, что эксплуатационные свойства моторных масел ухудшаются не только под воздействием нагрузок, скоростей и температур, но и вследствие попадания в них различного рода примесей, например, влаги, продуктов изнашивания трущихся пар и сгорания топлива, кварцевой пыли и т. п. Все это свидетельствует о необходимости выбора таких показателей или контролируемых параметров, которые бы могли по максимуму коррелировать с различными физико-химическими показателями, характеризующими качество масла, и быть наиболее информативными. Такими показателями, удобными для измерения в условиях работы двигателя, можно считать электрические и оптические величины, например, диэлектрическую проницаемость среды, оптическую плотность, электрическое сопротивление, диэлектрические потери, коэффициент оптического поглощения и пр.

Ниже приведены результаты экспериментальных исследований (рис. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8). Как видно из результатов экспериментального исследования, наиболее информативным и достоверным показателем качества моторного масла является величина электрического сопротивления. Кроме того, экспериментальные исследования позволили установить браковочные показатели моторного масла по величине электрического сопротивления. Использование этого показателя в качестве основного позволило, не прибегая к трудоемким лабораторным анализам, сделать соответствующие выводы о возможности или нецелесообразности дальнейшего использования масла в эксплуатации. В ходе эксплуатационных экспериментальных исследований было также установлено, что характер большинства показателей качества моторного масла от наработки изменяется по логарифмической зависимости. Это навело авторов на мысль о возможности создания лабораторной установки, которая бы могла имитировать процессы старения масла.

«.о™

е 5 3

• ш

-

250» 5009 7500 10000 12500 15000 17500 20000 22500 У=-17571лШт "“ /? =0.9969

Рис. 1. Зависимость электрического сопротивления моторного масла от пробега

V, мм/с

2 2,5 1 І.І 4 4,5 5 5,5 6

ОМ

Рис. 2. Зависимость кинематической вязкости моторного масла при 100 оС от электрического сопротивления

Е

Рис. 3. Зависимость диэлектрической проницаемости моторного масла от пробега автомобиля

-Аіі е і - 0,6 0,4 0.2

\ 1

$000 10000 15000 20000 25000 У=-0.0961п(х)+1.0712 м“ #=0.8285

Рис. 5. Зависимость поглощения оптического излучения моторного масла от пробега автомобиля

А, 1/ем 0.6 0.5 0,4 0.3 0,2 0.1

/  Л

5000 10000 15000 20000 25000 У=0№91пШ,0536 цкм /? =0.7063

Рис. 7. Зависимость коэффициента оптического поглощения моторного масла от пробега автомобиля

Е 2,11 2,1 2.09 2,08  глі 2, ОБ 2,05 2,04 2,03

гч.

19,2 10,7 11,2 11,7 12,2 12,7 13,2 У=-0,29Ш(хЬ2,7886 /? =0,9959

Рис. 4. Зависимость диэлектрической проницаемости моторного масла от кинематической вязкости при 100 оС

Леї е

в

ш

10 10,5 11 11,5 12 12,5 13 1-' У=3.98681пМ-9.2559 Р!=0.931

Рис. 6. Зависимость поглощения оптического излучения моторного масла от кинематической вязкости при 100 оС

09

1/см ОД 0,7 0,6 0,5 0,4 0.3 0.2 0.1 0,0

\

А

\

9,5 10 10,5 11 11,5 12 12,5 13 13 Ы6е'т К‘=0.9Ш и,“

Рис. 8. Зависимость коэффициента оптического поглощения моторного масла от кинематической вязкости при 100 оС

Патентный обзор существующих способов и конструкций установок, реализующих имитацию процессов старения масла, позволил установить, что, несмотря на многочисленные достоинства этих устройств, на сегодняшний день не разработаны установки для исследования эксплуатационных свойств моторных масел, позволяющих создать максимально приближенные к реальным условия работы моторного масла в смазочной системе двигателя.

С целью теоретического обоснования конструкции стенда была разработана математическая модель, позволяющая определить время процесса старения масла в лабораторной установке и величину мощности внешних воздействий для его разрушения в условиях стендовых безмоторных испытаний.

В основу реализации модели была положена формула для определения времени работы моторного масла в лабораторной установке. Время работы стенда определялось по формуле:

Е + ЛЕ

стенда с

Р

где: Ем - энергия масла, Дж;

ЛЕм - энергия, вносимая в масло путем долива в процессе испытания свежего масла, Дж; N - суммарная мощность разрушающих масло воздействий, Дж/с.

Количество энергии, поступающей в испытуемое масло при доливе, в процессе испытания определялось по формуле:

ЛЕм Нм См * Ом * tом, Дж,

где: Нм - энтальпия моторного масла, Дж;

Ом - количество долитого масла, кг;

См - теплоемкость масла, Дж/(кг*К);

^м - температура масла, равная температуре окружающей среды, К.

Количество доливаемого масла определялось по формуле:

См ^м * Рм * У

где: qум - доля масла, доливаемого в лабораторный стенд, равная величине угара масла в двигателе при нормальной величине износа цилиндров, которая в относительных единицах равна qум = 0,01;

рм - плотность масла, кг/м ;

Умк - емкость масляного бака лабораторного стенда, равная емкости масляного картера ДВС, м3.

Так как в смазочной системе двигателя изменение эксплуатационных свойств масла происходит вследствие гидродинамических, термодинамических и термохимических воздействий, то суммарную мощность разрушения можно представить уравнением вида:

= ^-д.в. + Мгд.в. + Мгх.в., Вт,

где: ^д.в. - мощность гидродинамических воздействий (гидромеханическая деструкции), Дж/с;

Мгд.в. - мощность термодинамических воздействий (термическая деструкция), Дж/с; ^.х.в. - мощность термохимических воздействий (химическая деструкция), Дж/с.

Мощность гидромеханического воздействия определяется по формуле:

N = Р V

ІЛ,гд.в. 1 м г м 5 \~> /

где: Рм - рабочее давление в смазочной системе двигателя, Па;

Ум - объемная подача масла в лабораторном стенде, равная подаче масляного насоса в системе смазки двигателя, м3/с.

Мощность термодинамических воздействий определяется по формуле:

^д.в. Ум * рм * См *0-нм - tом),

где: ^м - рабочая температура нагрева масла (рабочая температура масла), К.

Мощность термохимических воздействий определялась по формуле:

V * о

^тк.в=^м * я * тн * 1п Кр,

Мм

где: Мм - молекулярная масса масла, кг/кмоль;

R = 8314, Дж/(кмоль*К) - универсальная газовая постоянная;

Кр - константа химических реакций, которая определялась по величине энергии разрушения при определении термоокислительной стабильности масла.

Энергия нового масла Ем определялась на основе «Энтропийной теории старения масел» [1] по формуле:

Ем _ Ли - Т *ЛБ,

где: Ли - изменение внутренней энергии масла, Дж;

ЛS - изменение энтропии масла в процессе работы, Дж/(кг*К);

Т - приведенная температура масла, К.

Рассчитав энергетику процесса разрушения моторного масла в условиях лабораторных испытаний и кинетику процесса старения масла в реальных условиях эксплуатации, мы установили значение коэффициента ускорения процесса старения масла в лабораторной установке, позволяющего производить определение времени ускоренного испытания моторного масла в лабораторных условиях и прогнозировать время работы масла в условиях эксплуатации двигателя.

Коэффициент ускорения испытаний масла в лабораторной установке Куск определяется по формуле:

Куск =

здесь Кцу. - кратность циркуляции масла в лабораторной установке, ч-1,

Кц.у. = Ун.у/Ум.б., ч-1,

где: Уну. - объемная подача масла насосом лабораторной установки, л/ч;

Умб. - объем масляного бака установки, л;

N3 - электрическая мощность установки, кВт;

Кцдв. - кратность циркуляции масла в двигателе, ч-1;

Кц.дв. = Ун.дв./Ум.к., ч-1,

где: Ундв. - объемная подача масла насосом ДВС, л/ч;

Ум.к. - объем масляного картера двигателя, л.

На основании проведенных эксплуатационных испытаний и расчетно-теоретического анализа были предложены способ и установка для исследования процессов старения моторного масла в лабораторных условиях (рис. 9). Разработанная установка представляет собой физическую имитационную модель системы смазки дизельного двигателя. У станов-ка для исследования процессов старения моторного масла работает следующим образом.

Подготовительный этап испытаний. Моторное масло заливается в масляный бак-термостат 1. Включаются нагревательный элемент 2 и мешалка 3. Нагревательный элемент 2 нагревает моторное масло в масляном баке-термостате 1 до рабочей температуры 100-110 °С, а мешалка обеспечивает его равномерный нагрев по всему объему.

Рис. 9. Схема установки для исследования процессов старения моторного масла в составе: масляный бак-термостат 1; нагревательный элемент 2; мешалка 3; термометр 4; ресивер 5; вентиль 6; паяльная бензиновая лампа 7; емкость-накопитель сгоревших газов 8; компрессор 9; вентили 10 и 11; манометры 12 и 13; электропривод 14; масляный насос 15; фильтр грубой очистки 16;

манометр 17; маслопровод 18; редукционный клапан 19; центрифуга 20; манометр 21; радиатор 22; сливной клапан 23; предохранительный клапан 24; сливная магистраль 25; регулировочные вентили 26, 27 и 28; устройство 29, 34 и 39; маслопровод 33, 38 и 45; термометр 46; манометр 47

Температура масла контролируется термометром 4. Одновременно с нагревом масла для имитации процесса воздействия на масло отработавших газов и влажного воздуха в разработанной установке происходит подготовка их к подаче в масляный бак-термостат

1 из ресивера 5 через вентиль 6, который позволяет в ходе испытаний моторного масла регулировать требуемую подачу смеси отработавших газов и влажного воздуха. Процесс накопления отработавших газов в ресивере 5 происходит в следующей последовательно-

сти. Поджигается паяльная бензиновая лампа 7 и вставляется своим эжектором в емкость-накопитель сгоревших газов 8. Газы в емкости-накопителе 8, перемешиваясь с воздухом, накапливаются в ней и с помощью компрессора 9 через вентиль 10 и 11 перекачиваются в ресивер 5, где находятся под давлением до начала испытания. Давление в ресивере 5 и емкости-накопителе контролируется соответственно манометрами 12 и 13. После того как давление газов в ресивере 5 достигнет значения 0,5-0,6 МПа, паяльную лампу 7 и компрессор 9 отключают, а вентили 11 и 10 закрывают. Подготовительный этап на этом заканчивается.

Основной этап испытаний. Включают электропривод 14 масляного насоса 15, который осуществляет перекачку через установку нагретого до рабочей температуры масла из масляного бака-термостата 1. Масло закачивается насосом 15 через фильтр грубой очистки 16 и подается под давлением, контролируемым манометром 17, по маслопроводам 18 через редукционный клапан 19 в полнопоточную центрифугу 20. Давление на выходе масла из центрифуги контролируется манометром 21. Предельно допустимые значения давления масла на различных участках системы установки устанавливаются в соответствии с режимами, приведенными в таблице. Если в ходе испытания давление масла на выходе из центрифуги становится больше 0,7 МПа, то перепуск масла осуществляется через редукционный клапан 19 по обходной магистрали, минуя радиатор 22, в масляную магистраль перед сливным клапаном 23. Если давление на участке масляной магистрали от центрифуги 20 до радиатора 22, контролируемое манометром 21, не превышает 0,7 МПа, то масло после центрифуги 20 проходит через предохранительный клапан 24 и поступает в радиатор 22 для охлаждения до температуры на 10-20 °С меньшей, чем в масляном баке-термостате 1. В случае если на этом участке перед радиатором 22 возникнет большое гидравлическое сопротивление, перепускной клапан 24 сбросит давление масла через сливную магистраль 25 в масляный бак-термостат 1. Если же давление масла будет соответствовать рабочему значению, масло пройдет через радиатор 22 и клапан 23 к регулировочным вентилям 26, 27 и 28, а далее поток масла разделится на три потока.

Устройство № 29 предназначено для имитации работы масла как по температуре, так и по давлению в подшипниках скольжения коленчатого вала двигателя (рис. 10). Масло поступает в устройство 29, где протекает под давлением по щелевому каналу, образуемому внутренней поверхностью стального цилиндра 30, который снаружи покрыт теплоизоляционным слоем 31 и наружной поверхностью нагревательного элемента (ТЭН) 32. В этом кольцевом щелевом канале масло нагревается от ТЭНа 32 до температуры 150-180 °С. Выйдя из устройства 29, масло свободно сливается по маслопроводу 33 в масляный бак-термостат 1.

Масляная магистраль 26

30

32

31

Рис. 10. Схема конструкции устройства № 29

Устройство № 34 имитирует работу масла как по температуре, так и давлению в цилиндропоршневой группе двигателя (рис. 11). Поток масла, подаваемый в устройство 34, поступает под разбрызгиванием в вертикальный цилиндр 35, внутренняя поверхность которого нагревается с помощью нагревательного элемента 36 до температуры 250350 °С через расположенную внутри вертикального цилиндра 35 вертикальную трубку 37, которая соединена с регулирующим вентилем 27 и имеет отверстия, расположенные как по окружности, так и по высоте трубки. Масло после разбрызгивания на горячую стенку вертикального цилиндра 35 самотеком стекает из него через маслопровод 38 в масляный бак-термостат 1.

Рис. 11. Схема конструкции устройства № 34

Устройство № 39 имитирует работу масла как по температуре, так и давлению в парах трения газораспределительного механизма двигателя (рис. 12). Масло подается в устройство № 39, которое представляет собой совокупность нескольких элементов, а именно: через вентиль 28 масло поступает в гидроаккумулятор 40 через обратный клапан 41. Гидроаккумулятор 40 заряжается до давления, при котором происходит подача масла к форсунке 42 по маслопроводу высокого давления 43. Форсунка 43, установленная в камере 44, под давлением 20 МПа периодически впрыскивает на стенки камеры 44 масло, которое самотеком по маслопроводу 45 стекает в масляный бак-термостат 1.

28

Рис. 12. Схема конструкции устройства № 39

Цикл испытания моторного масла проводят следующим образом. Включают питание электронагревателей 16 в баке 1. При достижении в баке 1 температуры 100 оС включают электропривод масляного насоса 3. Регулируемым вентилем 26 осуществляют подачу газов из ресивера 24 в масляный бак 1. Изменение режима работы установки осуществляют изменением производительности масляного насоса, для чего изменяется частота вращения ротора приводного двигателя путем изменения частоты питающего напряжения, а также пропускной способности регулирующих вентилей 12, 13 и 14. Контроль давления в масляной системе осуществляется манометрами 4, 8, 11 и 15. Изменение имитационных режимов работы лабораторной установки осуществляют изменением производительности масляного насоса, для чего изменяется частота вращения ротора приводного асинхронного двигателя электропривода 14 путем изменения частоты питающего напряжения. Давление в системе лабораторной установки изменяется с помощью регулирующих вентилей 26, 27 и 28. Количество воздуха и газов, пропускаемых через масло, регулируется вентилем 6, а температура масла в установке регулируется с помощью нагревательных элементов 2, 32 и 36 и радиатора 22.

Основной этап проводится в течение 7 часов, имитируя работу масла в двигателе в течение рабочего дня. После 7 часов испытаний электропривод 14 выключается и из масляного бака отбирается проба масла в объеме 500 мл для проведения физикохимического анализа, а в бак доливается свежее масло в объеме 500 мл. Количество циклов испытания зависит от скорости процесса старения масла, который контролируется с помощью оценочного показателя или определяется программой испытаний и расчетным количеством циклов.

Масло, отобранное для анализа, подвергается стандартным методам оценки эксплуатационных свойств. В ходе стандартных испытаний определяется: плотность масла, кинематическая вязкость, щелочное число, температура вспышки, температура застывания, коррозионность, термоокислительная стабильность. Оценка качества масла в процессе его анализа производится по обобщенному критерию Эоб, величина которого для работоспособного масла должна находиться в пределах от 0,7 до 1,3.

Показатель Эоб определяется по результатам анализа каждой пробы масла, отбираемой из установки, по формуле:

Эоб = К^мКрн/рмККн/КмКРНн/РНмКТвн/ТвмКТзн/ТзмКТсн/Тсм),

где: vн, vм - кинематическая вязкость масла нового и работавшего соответственно, мм2/с;

рн, рм - плотность масла нового и работавшего соответственно, кг/м3;

Кн, Км - коррозионность масла нового и работавшего соответственно, г;

РНн, РНм - щелочное число масла нового и работавшего соответственно, мг КОН/г;

Твн, Твм - температура вспышки масла нового и работавшего соответственно, °С;

Тзн, Тзм - температура застывания масла нового и работавшего соответственно, °С;

Тсн, Тсм - термоокислительная стабильность масла нового и работавшего соответственно, %.

Если обобщенный показатель Эоб выходит за указанные пределы, то масло подлежит полной замене, т. е. его ресурс исчерпан. В этом случае испытания масла прекращают и производят определение времени его работы в двигателе по формуле 1.

Наиболее информативным и достоверным показателем качества моторного масла является величина электрического сопротивления. Экспериментальные исследования позволили установить браковочные показатели моторного масла по величине электрического сопротивления.

Анализ условий работы моторного масла в двигателе и факторов, влияющих на изменение его физико-химических свойств, позволил сделать вывод, что новая конструкция лабораторного стенда для исследования процессов старения масла должна иметь в своем составе совокупность устройств, которые должны оказывать на моторное масло три основных вида воздействия: гидродинамическое, термодинамическое и термохимическое.

На новую конструкцию испытательной лабораторной установки подана заявка на изобретение. Лабораторная установка полностью имитирует работу моторного масла в дизельном двигателе и позволяет воспроизвести процессы изменения углеводородного состава моторного масла с достоверностью 95 %.

Резюме. Пересчет времени работы лабораторной установки по формуле (1) на время работы масла в двигателе в реальных условиях эксплуатации дает возможность контролировать процесс изменения эксплуатационных свойств моторного масла и прогнозировать срок службы его в двигателе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Салмин, В. В. Энтропийная теория старения моторных масел / В. В. Салмин. - М. : ВИНИТИ, рег. № 1722-В2002, 2002.