СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СТАРЕНИЯ МОТОРНЫХ МАСЕЛ
TESTING METHOD AND UNIT OF AGEING PROCESSES OF MOTOR OILS

Группа изобретений относится к машиностроению, а именно к установкам для исследования процессов старения моторных масел, имитирующих условия их работы в двигателях внутреннего сгорания.
Известно, что моторное масло служит для смазывания трущихся деталей двигателя внутреннего сгорания. Основная функция, которую выполняет моторное масло - это снижение трения и износа трущихся поверхностей деталей за счет создания на их поверхности масляной пленки. Современные моторные масла представляют собой базовые масла с добавлением различных функциональных присадок, улучшающих основу масла, или придающих маслу требуемые эксплуатационные свойства. Надежность и долговечность работы двигателя в большой степени зависит качества моторного масла. Однако в процессе работы моторное масло под действием различного рода факторов (высокая температура и давление, загрязненность механическими примесями и водой, попадание в масло топлива и охлаждающей жидкости, окисление углеводородов масла и накопление продуктов окисления) изменяет свои свойства. Процесс изменения физико-химических и эксплуатационных свойств называется процессом старения.
Старение моторного масла в процессе эксплуатации - явление неизбежное, поэтому изучение этих процессов и контроль за динамикой их развития является важной научно-практической задачей.
Известна установка для испытаний моторных масел (а.с. SU 1587442 А1), содержащая картер с масляной ванной, лакообразователь, нагревательный элемент и маслозаборник в виде подвижного кольца для подачи масла на стенку лакообразователя. Недостатком данной установки является отсутствие устройств, позволяющих производить механическую и химическую деструкцию масла.
Известна машина трения (патент RU 2290622 С1) для испытания материалов и смазочных сред при динамическом управлении параметров нагружения и реверсивного движения на малых скоростях относительного перемещения. Машина трения содержит основание, установленные на нем держатель контрообразца, каретку горизонтального перемещения и держатель испытуемого образца, нагружающее устройство и привод нагружения. Недостатком машины является другое назначение конструкции. Она служит для исследования влияния масла на трение и износ образца и не устанавливает, как происходит потеря работоспособности самого масла.
Наиболее близким (прототипом) к заявленному изобретению является способ исследования смазочных материалов и устройство для его осуществления (патент RU 2285918 С1). Устройство для осуществления способа исследования смазочных материалов содержит масляный бак-термостат с механической мешалкой, термонагреватель с термометром и трубопровод с клапаном, а также дополнительно снабжен насосом, дросселирующим клапаном и дегазационным устройством. Недостатком данной установки является отсутствие реальных элементов смазочных систем и узлов ДВС, позволяющих более точно моделировать работу моторного масла в двигателе.
Целью изобретения является разработка установки и способа исследования процессов старения моторного масла и определения долговечности его работы.
Разработанная установка для исследования процессов старения моторного масла в ДВС является физической моделью, позволяющей имитировать работу масла в системе смазки двигателя и на основе изменения физико-химических свойств масла определять параметры статики и кинетики процесса.
Установка для исследования процессов старения моторного масла содержит (фиг.1): масляный бак-термостат 1; нагревательный элемент 2; мешалку 3, термометр 4; ресивер 5; вентиль 6; паяльную бензиновую лампу 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; центрифугу 20; манометр 21; радиатор 22; сливной клапан 23; предохранительный клапан 24; сливную магистраль 25; регулировочные вентили 26, 27 и 28; устройства 29, 34 и 39; маслопроводы 33, 38 и 45; термометр 46; манометр 47. Кроме того, устройство 29 состоит (фиг.2) из стального цилиндра 30, теплоизоляционного слоя 31, нагревательного элемента (ТЭН) 32. Устройство 34 состоит (фиг.3) из вертикального цилиндра 35, нагревательного элемента 36 и вертикальной трубки 37, а устройство 39 (фиг.4) - из гидроаккумулятора 40, обратного клапана 41, форсунки высокого давления 42, маслопровода высокого давления 43, камеры 44.
Установка для исследования процессов старения моторного масла работает следующим образом.
Подготовительный этап испытаний. Моторное масло заливается в масляный бак-термостат 1. Включается 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. 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 последовательности. 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 по маслопроводу 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 разделиться на три потока.
Первый поток через регулирующий вентиль 26 поступит в устройство 29, имитирующее работу масла, как по температуре, так и по давлению, в подшипниках скольжения коленчатого вала двигателя (см. фиг.2). 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.
Второй поток через регулирующий вентиль 27 (фиг.1) поступает в устройство 34, имитирующее работу масла, как по температуре, так и давлению, в цилиндропоршневой группе двигателя (см. фиг.3). Поток масла, подаваемый в устройство 34, поступает под разбрызгиванием в вертикальный цилиндр 35, внутренняя поверхность которого нагревается с помощью нагревательного элемента 36 до температуры 250-350°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.
Третий поток через регулирующий вентиль 28 (фиг.1) поступает в устройство 39, имитирующее работу масла, как по температуре, так и давлению, в парах трения газораспределительного механизма двигателя (см. фиг.4). 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.
Температура масла в установке пред разделением потоков контролируется с помощью термометра 46, а давление - по манометру 47.
Для обеспечения воздействия на моторное масло, циркулирующее в лабораторной установке влажного воздуха и отработавших газов, они подаются в виде свободного выпуска через регулирующий вентиль 6 (фиг.1) от ресивера 5 на дно масляного бака-термостата 1, в результате чего происходит барботаж масла влажным воздухом и отработавшими газами.
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 физико-химического анализа, а в бак доливается свежее масло в объеме 500 мл. На этом основной этап испытания заканчивается. Испытания повторяются ежедневно. Количество циклов испытания зависит от скорости процесса старения масла, который контролируется с помощью оценочного показателя или определяется программой испытаний и расчетным количеством циклов.
об
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 Э, величина которого для работоспособного масла должна находится в пределах от 0,7 до 1,3.
об
Показатель Э определяется по результатам анализа каждой пробы масла, отбираемой из установки, по формуле:
об
н
м
н
м
н
м
н
м
н
м
н
м
н
м
Э=(ν/ν)·(ρ/ρ)·(К/К)·(РН/РН)·(Тв/Тв)·(Тз/Тз)·(Тс/Тс), (1)
н
м
2
где ν, ν - соответственно кинематическая вязкость масла нового и работавшего, мм/с;
н
м
3
ρ, ρ - соответственно плотность масла нового и работавшего, кг/м;
н
м
К, К - соответственно коррозионность масла нового и работавшего, г;
н
м
РН, РН - соответственно щелочное число масла нового и работавшего, мг КОН/г;
н
м
Тв, Тв - соответственно температура вспышки масла нового и работавшего, °С;
н
м
Тз, Тз - соответственно температура застывания масла нового и работавшего, °С;
н
м
Тс, Тс - соответственно термоокислительная стабильность масла нового и работавшего, %.
об
Если обобщенный показатель Э 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 формулам, приведенным ниже.
Расчет времени испытаний масла и количество циклов испытаний масла в лабораторной установке производится по нижеприведенным формулам. Время испытания моторного масла определяется из зависимости:
<mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>м</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>К</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mi></mi><mi>ч</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
р.м.
где Т - время работы масла в двигателе, час, определяемое, как
<mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>м</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mi>L</mi><mo>/</mo><msub><mi>V</mi><mi>а</mi></msub><mo>,</mo><mi></mi><mi>ч</mi><mi>а</mi><mi>с</mi><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где L - рекомендованный заводом-изготовителем пробег автомобиля до замены масла, км;
a
V - средняя эксплуатационная скорость автомобиля, км/ч;
уск
K - коэффициент ускорения испытаний масла в лабораторной установке, который определяется как
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>ц</mi><mo>.</mo><mi>у</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>E</mi><mi>м</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>/</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>N</mi><mi>э</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>ц</mi><mo>.</mo><mi>д</mi><mi>в</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
ц.у.
-1
здесь К - кратность циркуляции масла в установке, ч,
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>ц</mi><mo>.</mo><mi>у</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>н</mi><mo>.</mo><mi>у</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>м</mi><mo>.</mo><mi>б</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>,</mo><mi></mi><msup><mi>ч</mi><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
н.у.
где V - объемная подача масла насосом лабораторной установки, л/ч;
м.б.
V - объем масляного бака установки, л;
ц.дв.
-1
К - кратность циркуляции масла в двигателе, ч;
<mrow><msub><mi>K</mi><mrow><mi>ц</mi><mo>.</mo><mi>д</mi><mi>в</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>н</mi><mo>.</mo><mi>д</mi><mi>в</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>/</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>м</mi><mo>.</mo><mi>к</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>,</mo><mi></mi><msup><mi>ч</mi><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>,</mo><mtext>                                         </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
н.дв.
где V - объемная подача масла насосом ДВС, л/ч;
м.к.
V - объем масляного картера двигателя, л;
э
N - электрическая мощность установки, кВт;
м
E - мощность разрушающих воздействий, действующих на масло в двигателе, кВт, которое можно ориентировочно определить как
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>м</mi></msub><mo>=</mo><mn>8</mn><mo>,</mo><mn>34</mn><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mrow><mo>−</mo><mn>9</mn></mrow></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>g</mi><mi>e</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>N</mi><mi>e</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>H</mi><mi>u</mi></msub><mo>,</mo><mi></mi><mi>к</mi><mi>В</mi><mi>т</mi><mo>,</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
e
где g - паспортный удельный эффективный расход топлива в двигателе, г/(кВт·ч);
e
N - паспортная эффективная мощность двигателя, кВт;
u
u
u
Н - низшая теплота сгорания топлива, кДж/кг. Для бензинов Н=43500-44000 кДж/кг, а для дизельных топлив Н=41500-42500 кДж/кг.
Количество циклов испытаний определяется как
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>у</mi><mi>с</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mn>7</mn><mo>,</mo><mi></mi><mi>е</mi><mi>д</mi><mo>.</mo><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mi></mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Таблица 1
Режимы работы установки
№ п/п
Наименование операции
Оборудование, материалы, инструмент
Время выполнения, час
Режимы работы установки
1
Проверка лабораторной установки
Визуально
Перед включением установки проверить заземление
0,01
2
<u>Подготовительный этап</u>
Сеть переменного тока напряжением 220 В, электронагреватель ТЭН, механическая мешалка с эл. приводом, паяльная бензиновая лампа, компрессор
Нагрев масла производить до температуры 110°С, время нагрева - 30 мин, мощность эл. нагревателя - 4 кВт. В ресивер нагнетать отработавшие газы до достижения давления 0,6 МПа, после чего отключить компрессор и закрыть вентили 10 и 11.
0,5
Включить электронагреватель и мешалку в баке-термостате, зажечь паяльную бензиновую лампу, включить компрессор
3
<u>Основной этап испытаний</u>
Сеть переменного тока напряжением 380 В, установка для испытания моторного масла
7,0
Включить электропривод насоса, при постоянной температуре масла изменять давление в системе  регулировочными вентилями в течение 7 часов. Режимы работы
-Р=0,1 МПа, t=23, Т=110°С
-Р=0,2 МПа, t=23, Т=110°С
-Р=0,3 МПа, t=23, Т=110°С
4
<u>Заключительный этап</u>
После выключения установки охлаждение масла производить в течение 30 минут при температуре окружающего воздуха
0,5
Выключить электропривод насоса и механической мешалки, выключить эл. нагреватель масла, перекрыть подачу отработавших газов в бак-термостат
5
Взять пробу масла для анализа
Пробоотборник
0,01
Количество масла для анализа - 500 мл
6
Долить в бок-термостат свежее масло
Мерный стакан
0,01
Для компенсации убыли масла, взятого для анализа
7
Произвести контроль качества моторного масла
Набор необходимого оборудования для контроля качества нефтепродуктов
Контроль качества масла в объем работ по испытанию не входит
8
Визуальным осмотром. При необходимости протереть х/б тканью возможные подтекания масла
Провести контроль состояния установки после цикла испытаний
Ветошь, х/б ткань
0,1
9
Остывание масла при температуре окружающего воздуха в течение 16 часов
В помещении лаборатории до начала следующего цикла испытаний