Исследование термостойкости минеральных моторных масел. Часть 1

УДК 621.43-4

В. Г. Шрам, Б. И. Ковальский, О. Н. Петров, Ю. Н. Безбородов, А. Н. Сокольников

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОСТОЙКОСТИ МИНЕРАЛЬНЫХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ. ЧАСТЬ 1

Ключевые слова: диаметр пятна износа, критерий противоизносных свойств, коэффициент электропроводности фрикционного контакта, время формирования номинальной площади контакта.

Представлены результаты испытания минеральных моторных масел в температурном диапазоне от 140 до 280 °С и оценено влияние концентрации продуктов температурной деструкции на их противоизносные свойства и процессы, протекающие на фрикционном контакте при граничном трении скольжения.

Key words: spot diameter of wear, the criterion of anti-wear properties, electrical conductivity coefficient of friction contact, the time

of formation of the nominal contact area.

The results of tests of mineral motor oils in the temperature range from 140 to 280 ° C and evaluated the influence of the concentration of thermal degradation products of their anti-wear properties and processes occurring in frictional contact with the boundary sliding.

Введение

Температурный диапазон работоспособности моторных масел зависит от их термоокислительной стабильности и температурной стойкости на поверхностях трения. Под действием нагрузки и температуры на поверхностях трения одновременно протекают окислительные процессы и деструкция базовой основы масла и присадок. Существует механическая, температурная и химическая деструкция.

По данным [1] смазочные материалы на основе нефтяного происхождения работоспособны в атмосферных условиях до температур ~ 200 °С. Критическая температура их работоспособности может быть повышена введением поверхностно-активных и химически активных присадок [2]. Показано [3], что для успешной работы смазочных масел в них необходимо присутствие кислорода, обеспечивающего формирование на поверхностях трения защитных граничных слоев, повышающих нагрузки схватывания. В этой связи представляют научное и практическое значения исследования температурной стойкости моторных масел. Поэтому целью настоящей работы является определение основных закономерностей процессов температурной деструкции минеральных моторных масел.

Методика исследования

Для исследования выбраны два минеральных моторных масла Spectrol Super universal 15W-40 SF/CC и U-tech navigator 15W-40 CD/SF одного класса вязкости, одной группы по уровню эксплуатационных свойств для бензиновых двигателей SF, но разных групп для дизельных двигателей CC и CD. Данные масла являются универсальными и все-сезонными.

Методика исследования предусматривала термостатирование масел в диапазоне температур от 140 до 280 °С с увеличением температуры на 20 °С. Для этого проба масла массой 80 г заливалась в термостойкий стакан прибора для определения температурной стойкости. На наружной поверхности ста-

кана установлен нагреватель термоизолированныи от внешнеИ среды и помещенный в металлический кожух. Время испытания составляло 8 ч при атмосферном давлении без перемешивания, что практически исключало окислительные процессы. Стакан с маслом крепился к холодильнику с помощью прижимов. Температура во время испытания устанавливалась дискретно и поддерживалась автоматически с помощью терморегулятора ТР10. После каждой температуры испытания проба масла взвешивалась, для определения массы испарившегося масла, а затем отбирались пробы для прямого фотометри-рования и определения оптических свойств по коэффициенту поглощения светового потока К П и вязкости. Фотометрирование термостатированных проб проводилось при толщине фотометрированно-го слоя 8 мм, а вязкость измерялась при температуре 100°С.

Результаты исследований и их обсуждение

На рис. 1 представлены зависимости коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатирования. Оба масла при температуре 280°С превратились в гелеобразную массу. Масла начинают изменять оптические свойства от температуры 160°С, причем интенсивность изменения коэффициента поглощения светового потока у второго масла значительно выше, чем у первого. При температуре испытания 200 °С оба масла достигают одинакового значения коэффициента KП. Можно считать, что предельной температурой работоспособности для масла 8рес1го1 (кривая 1) является 220 °С, т.к. после этой температуры наблюдается резкое увеличение коэффициента KП, а для масла И4есИ (кривая 2) - 200°С.

По полученным результатам можно сделать вывод, что масло И^есИ более склонно к загрязнению масляной системы двигателя, чем масло 8рес1го1.

Изменение коэффициента KП связано с деструкцией присадок и превращением их в продукты, изменяющие оптические свойства испытуемого масла. Зависимости кП = f(Г) до критических тем-

ператур описываются регрессионным уравнением второго порядка:

КП = аТ2 + вТ,

где а и в - коэффициенты, определяющие процесс деструкции; Т - температура испытания, °С;

Рис. 1 - Зависимости коэффициента поглощения светового потока от температуры термостатиро-вания минеральных моторных масел :1 - Spectrol Super universal 15W-40 SF/CC; 2 - U-tech navigator 15W-40 CD/SF

Процесс деструкции - это самоорганизация смазочного материала, определяющая его сопротивление тепловым воздействиям, в результате которого избыточная тепловая энергия поглощается продуктами различного состава и свойств, влияющими на физико-химические свойства самого масла, что подтверждают зависимости кП = f (Т).

Летучесть моторных масел косвенно характеризует температурный предел их работоспособности и поэтому является эксплуатационным показателем. Для исследуемых минеральных масел (рис. 2) этот показатель практически одинаков до температуры 260 °С. При температурах больше 260 °С летучесть масла U-tech (кривая 2) значительно превышает масло Spectrol Super (кривая 1).

Рис. 2 - Зависимость летучести от температуры термостатирования минеральных моторных масел

Зависимости о = / (Т) описываются регрессионным уравнением второго порядка:

О = АТ2 + ВТ,

где А и В - коэффициенты характеризующие летучесть масел; т - температура испытания, °С.

По данному показателю предельной температурой работоспособности минеральных масел является температура 200 °С.

Для исключения единиц измерения летучести (г) использован коэффициент летучести к0,

определяемый выражением:

К G = m / M ,

где т - масса испарившегося масла, г; м - масса оставшегося масла после термостатирования, г.

Важным эксплуатационным показателем при термостатировании моторных масел является изменение вязкости. Для удобства сравнения масел кинематическую вязкость в процессе термостатиро-вания предложено оценивать коэффициентом относительной вязкости к , определяемым выражением:

К и = Ит / И и.

где ит и - соответственно кинематическая вязкость термостатированного масла и исходного товарного масла до испытания.

Для исследованных минеральных масел (рис. 3) коэффициент относительной вязкости до температуры испытания 200 °С изменяется менее чем на 16%, причем вязкость масла Spectrol Super (кривая 1) более стабильна. Для масла U-tech navigator (кривая 2) при температуре 140 °С наблюдается увеличение вязкости на 16 % с дальнейшим ее понижением. При температуре 220 °С вязкость обоих масел увеличивается более чем на 20%, но с дальнейшим повышением температуры испытания она стабилизируется. Однако при температуре 280 °С масло Spectrol Super превращается в гель.

Рис. 3 - Зависимости коэффициента относительной вязкости от температуры термостатирования минеральных моторных масел

Уменьшение вязкости может объясняться либо деструкцией вязкостной присадки, либо базовой основы, либо обоими процессами, а увеличение вязкости объясняется деструкцией присадок.

При термостатировании минеральных масел увеличиваются оптические свойства, летучесть и вязкость. В этой связи целесообразно определить влияние на вязкость продуктов деструкции, опреде-

ляемых коэффициентом поглощения светового потока и летучести. Установлено, что для масла Spec-trol с увеличением коэффициента КП до 0,1 ед. вязкость не изменяется, а с его увеличением до 0,15 ед. вязкость увеличивается в 1,3 раза. Дальнейшее увеличение коэффициента КП стабилизирует вязкость и значение ее на 15% превышает вязкость товарного масла. Максимальное увеличение вязкости в 1,3 раза происходит при температуре термостатирования 220°С.

Для минерального масла U-tech navigator увеличением коэффициента КП до 0,1 ед. вязкость падает, а от 0,1 до 0,25 ед. она увеличивается на 25%. Резкое увеличение вязкости для обоих масел происходит при температуре термостатирования 220 °С, поэтому она является предельной температурой работоспособности минеральных масел по этому показателю.

Аналогичная картина наблюдается при исследовании зависимости коэффициента относительной вязкости от коэффициента летучести.

Результатами исследования зависимости коэффициента относительной вязкости от коэффициентов поглощения светового потока и летучести установлено, что с увеличением этих параметров более интенсивное влияние их на вязкость происходит до температуры испытания 220 °С.

В результате проведенных исследований показано, что процесс самоорганизации минеральных масел при термостатировании происходит по двум каналам, изменению оптических свойств и летучести, и может выражаться физической моделью:

U-tech navigator

E

Количество поглощенной избыточной тепловой энергии ЕТС определяется суммой коэффициентов поглощения светового потока и летучести, которая названа коэффициентом температурной стойкости

ETC К П ^ К G ,

где КП - коэффициент поглощения светового потока; Кв - коэффициент летучести масла.

Зависимости коэффициента ЕТС от температуры термостатирования представлены на рис. 4. До предельной температуры работоспособности минеральных масел (200 °С) данные зависимости описываются линейным уравнением соответственно:

где Т - температура термостатирования, °С.

Из уравнения (6) и (7) следует, что коэффициенты в1 и в2 характеризуют скорость процесса

деструкции или процесса самоорганизации, которая предлагается в качестве критерия температурной стойкости и позволяет сравнивать моторные масла, а также идентифицировать и определять уровень эксплуатационных свойств.

При значениях коэффициента температурной стойкости равного нулю определяется температура начала процессов самоорганизации или преобразования избыточной тепловой энергии в продукты деструкции.

Рис. 4 - Зависимости коэффициента температурной стойкости от температуры термостатирования минеральных моторных масел

Скорость процессов самоорганизации зависит от сопротивляемости смазочного масла тепловым воздействиям, поэтому, используя предложенную физическую модель, можно определить величину сопротивления, названного коэффициентом сопротивления температурной деструкции. Действительно, чем меньше значения преобразованной избыточной тепловой энергии, т.е. суммы значений коэффициентов КП и Кв , тем выше сопротивляемость исследуемого масла тепловым воздействиям.

Коэффициент сопротивления температурной деструкции определяется по аналогии с определением сопротивления параллельной электрической цепи, состоящей из двух активных сопротивлений:

R = _ К П ' К G

К П + К G

Spectrol Super

E = в Т

где КП - коэффициент поглощения светового потока; Кв - коэффициент летучести масла.

Исходя из формулы (8) видно что, чем больше значение коэффициента Я, тем меньше

в21

сопротивляемость испытуемого масла тепловым воздействиям.

Согласно классификации по API уровень эксплуатационных свойств исследуемых масел одинаков для бензиновых двигателей SF, а для дизельных двигателей уровень выше у масла U-tech navigator (CD), чем у Spectrol Super (СС). Поэтому, полученными результатами исследования подтверждается возможность применения разработанной методики определения температурной стойкости моторных масел для идентификации и назначения уровня эксплуатационных свойств.

Выводы

1. На основании проведенных исследований установлено, что предельной температурой работоспособности масла Spectrol Super universal 15w-40 SF/CC является температура 220°С, а масла U-tech navigator 15w-40 CD/SF - 200°С. В диапазоне температур от 140 до 260°С летучесть минеральных масел практически одинакова, а вязкость более стабильна у масла Spectrol Super в диапазоне температур до 200°С, однако при 280°С она резко увеличивается, и масло превращается в гель.

2. При концентрации продуктов деструкции

0.2. К П >0,1 вязкость минеральных масел увеличивается на 30%, а при дальнейшем увеличении концентрации она стабилизируется.

3. В качестве критерия температурной стойкости предложен коэффициент, определяемый суммой коэффициентов поглощения светового потока и летучести масел, что позволяет их сравнивать и устанавливать предельные температуры работоспособности.

Литература

1. Семенов А.П. Высокотемпературные твердые смазочные вещества / А.П. Семенов // Трение и износ Т.28, №5, 2007. С. 525-538.

2. Матвеевский Р.М. Противозадирная стойкость смазочных сред при трении в режиме граничной смазки / Р.М. Матвеевский, И. А. Буяновский, О.В. Лазовская. - М.: Наука. - 1978.

3. Виноградов Г.В. Опыт исследования противозадирных свойств углеродистых смазочных сред // В кн. «Методы оценки противозадирных и противоизносных свойств смазочных материалов» / Г.В. Виноградов. - М.: Наука. - 1969. С. 3-11.

© В. Г. Шрам - асп. каф. топливного обеспечения горючесмазочными материалами Сибирского фед. ун-та, shram18rus@mail.ru; Б. И. Ковальский - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, Labsm@mail.ru; О. Н. Петров - асп. той же кафедры, Petrov_oleq@mail.ru; Ю. Н. Безбородов - д-р техн. наук, проф. той же кафедры; А. Н. Сокольников - канд. техн. наук, зав. каф. проектирования и эксплуатации газонефтепроводов Сибирского фед. ун-та.