Результаты исследования влияния доливов на термоокислительную стабильность синтетических моторных масел

УДК 621.892.2

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ДОЛИВОВ НА ТЕРМООКИСЛИТЕЛЬНУЮ СТАБИЛЬНОСТЬ СИНТЕТИЧЕСКИХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ

Д.В. Агровиченко, Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов

Представлены результаты исследования термоокислительной стабильности синтетических моторных масел CastrolMagnatec 5W-40 SL/CF, Лукойл Синтетик 5W-40 SL/CF и MannolElite 5W-40 SL/CF при испытании без доливов и с доливами. Предложен показатель влияния доливов на термоокислительную стабильность масел, определяемый отношением скоростей изменения коэффициента термоокислительной стабильности при испытании масел без доливов и с доливами.

Ключевые слова: коэффициент термоокислительной стабильности, доливы, показатель влияния доливов, синтетическое моторное масло.

В настоящее время промышленностью выпускаются масла на нефтяной, синтетической и смешанной основах. Наибольшее распространение получили масла на нефтяной основе. Недостатками моторных масел на нефтяной основе являются плохие низкотемпературные свойства, неудовлетворительные термическая и окислительная стабильности. У синтетических масел эти показатели значительно выше. К синтетическим базовым маслам относятся полиальфаолефиновые масла, сложные эфиры дикарбо-новых кислот, эфиры фосфорной кислоты, сложные эфиры неопентиловых спиртов и полиорганосилоксаны. Такие масла характеризуются пологой вязкостно-температурной кривой, малой испаряемостью, хорошими низкотемпературными свойствами, высокой огнестойкостью, хорошими смазывающими свойствами, высокими термической и термоокислительной ста-бильностями, химической инертностью, радиационной стойкостью [1, 2].

Одним из важнейших свойств как минеральных, так и синтетических моторных масел, определяющих возможность применения и сроки смены смазывающего материала, является их термоокислительная стабильность, требования к которой все более возрастают по мере совершенствования техники [3]. Именно значение термоокислительной стабильности, характеризующее количество тепловой энергии, поглощенной продуктами окисления и испарения, дает максимально точное представление о качестве моторного масла. Наибольшее влияние на скорость окисления оказывает температура. На механизм окисления также влияют доливы, необходимость которых обосновывается негерметичностью масляной системы и угаром смазочного материала. Однако степень и характер влияния доливов на термоокислительную стабильность моторных масле изучены недостаточно.

Целью настоящих экспериментальных исследований является определение влияния доливов на термоокислительную стабильность синтетических масел.

Для исследования выбраны синтетические всесезонные универсальные моторные масла, CastrolMagnatec 5W-40 SL/CF, Лукойл Синтетик 5W-40 SL/CF и MannolElite 5W-40 SL/CFприменяемые в бензиновых и дизельных двигателях. Класс вязкости - 5W-40, группа эксплуатационных свойств по классификации API - SL^F.

Исследования проводились на следующих средствах контроля и испытания: прибор для термостатирования, фотометрическое устройство, электронные весы и малообъемный вискозиметр, техническая характеристика которых приведена в работе [2].

Методика исследования заключалась в испытании исследуемых масел последовательно при температурах 190, 180, 170 и 160 °С для масла CastrolMagnatec 5W-40 SL/CF и при температурах 180 и 170 °С для масел Лукойл Синтетик 5W-40 SL/CF и MannolElite 5W-40 SL/CF без доливов и с доливами, причем масса доливаемого масла соответствовала массе испарившегося. Масса пробы масла при испытании с доливами составляла 100±0,1 г.

Проба масла массой 100±0,1 г заливалась в стеклянный стакан прибора для термостатирования и окислялась при заданной температуре в течение определенного времени с перемешиванием механической стеклянной мешалкой с частотой вращения 300 об/мин. В процессе термостатирования температура и частота вращения мешалки поддерживались автоматически. После каждого промежутка времени проба окисленного масла взвешивалась и определялась масса испарившегося масла G, далее отбирались части пробы (2 г) для прямого фотометрирования и определения коэффициента поглощения светового потока КП при толщине фотометрируе-мого слоя 2 мм и определения кинематической вязкости:

_300-П,

П 300 w

где 300 - показания фотометра при настройке и отсутствии масла в кювете, мкА; П - показания фотометра при заполненной маслом кювете, мкА.

После измерения масло с кюветы и вискозиметра сливалось в стеклянный стакан прибора для термостатирования, который повторно взвешивался. В случае испытания с доливами проба масла в стакане доливалась товарным маслом до массы 100±0,1 г. Испытания исследуемого масла прекращались по достижению коэффициентом поглощения светового потока значения, равного 0,6.

В процессе окисления изменяются коэффициент КП и испаряемость G, поэтому коэффициент термоокислительной стабильности КТОС определялся как сумма [4]:

КТОС =KП +KG ,

где К<7 - коэффициент испаряемости исследуемого масла, определяемый отношением:

^

где ш - масса испарившегося масла за время испытания t, г; M - масса пробы до испытания, г.

Коэффициент термоокислительной стабильности является безразмерным и характеризует количество тепловой энергии, поглощенной продуктами окисления и испарения.

Результаты исследования и их обсуждение. На рис. 1 представлены зависимости коэффициента термоокислительной стабильности КТОС, учитывающего характер процессов окисления и испарения, от времени испытания t моторного масла Сав1то1М^па1ес 5Ш-40 8Ь/СБ без доливов и с доливами.

Рис. 1. Зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от времени испытания синтетического моторного масла CastrolMagnatec 5W-40 SL/CF: 1,1' -190 °С; 2, 2' -180 °С;

3, 3' -170 °С; 4, 4' -160 °С; 1, 2, 3, 4 - без доливов;

1', 2', 3', 4' - с доливами

Установлено, что доливы неоднозначно влияют на окислительные процессы. Так, при температуре испытания 180 °С доливы не оказывают воздействия на процессы окисления и испарения в масле (кривая 2'), при температурах 190 и 170 °С ускоряют их за один и тот же период времени (кривые 1' и 3'), а при температуре 160 °С проявляют свойства то ингибитора, то катализатора в зависимости от времени испытания (кривая 4').

С понижением температуры испытания до 160 °С наблюдается область стабилизации значения коэффициента КТОС на уровне от 0,65 до 0,7, которая характеризуется уменьшением скоростей процессов окисления и испарения. Это можно объяснить недостаточным количеством тепловой энергии для дальнейшего преобразования продуктов окисления.

Зависимость коэффициента термоокислительной стабильности от времени испытания масла CastrolMagnatec 5W-40 SL/CF (рис. 1) можно представить в виде алгебраического уравнения третьей степени. Регрессионные уравнения масел, испытанных без доливов, имеют вид для температур

190 °С КТОС = 1,855 10-5t3 -4,0179 10-5t2 + 0,00135t + 0,00246,

180 °С КТОС =-3,798-10-713 + 3,283-10-412 -0,00179t + 0,0029,

170 °С КТОС = -1,0690-10-613 + 2,0631 -10-412 - 0,00318t + 0,00076,

160 °С КТОС = -7,403-10-813 + 2,89710-512 + 0,00019t - 0,0105.

При испытаниях масла с доливами регрессионные уравнения составили при температурах

190 °С КТОС = 1,395 10-5t3 + 6,339 10-4t2 + 0,00130t + 0,00148,

180 °С КТОС = -1,519-10-6t3 + 4,226-10-412 -0,00375t + 0,00505,

170 °С КТОС = -1,298-10-613 + 2,240-10-412 - 0,00208t - 0,00257.

На рис. 2 представлены зависимости коэффициента термоокислительной стабильности КТОС от времени испытания t моторного масла Лукойл Синтетик 5W-40 SL/CF без доливов и с доливами.

Выявлено, что доливы масла увеличивают интенсивность процессов окисления и испарения на всем временном интервале испытания. Общей закономерностью при изменении коэффициента КТОС является наличие участка резкого его возрастания после 200 ч при температуре испытания 180 °С (кривые 1 и 1') и после 300 ч при температуре испытания 170 °С (кривые 2 и 2'). Стремительное увеличение значения коэффициента КТОС вызвано ускорением окислительных процессов. Участку резкого возрастания предшествует область стабилизации, как и в случае испытания синтетического моторного масла CastrolMagnatec 5W-40 SL/CF. Однако при испытании синтетического масла Лукойл Синтетик 5W-40 SL/CF замедление термоокислительных процессов происходит уже при значении коэффициента КТОС от 0,25 до 0,35, что соответствует 70 ч испытания при 180 °С (кривые 1 и 1') и 170 ч и 100 ч при испытании масла без доливов (кривая 2) и с доливами (кривая 2') соответственно.

Рис. 2. Зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от времени испытания синтетического моторного масла Лукойл Синтетик 5W-40 SL/CF: 1,1' -180 °С; 2, 2' -170 °С; 1, 2 - без доливов; 1', 2'- с доливами

В случае испытаний масла без доливов регрессионные уравнения зависимостей (рис. 2) составили при температурах

180 °С КТОС = 1,558 10-7t3 - 6,566 10-512 + 0,00877? - 0,0372, (12) 170 °С КТОС = 3,0375-10-813 -1,84610-512 + 0,00402?-0,0399. (13) При испытаниях масла с доливами регрессионные уравнения составили при температурах

180 °С КТОС = 1,117 10-7t3 - 4,491 10-512 + 0,00683? - 0,00650, (14) 170 °С КТОС = 3,652-10-813 - 2,261 10-5t2 + 0,00484? - 0,0176. (15) На рис. 3 представлены зависимости коэффициента термоокислительной стабильности КТОС от времени испытания t моторного масла Man-nolElite 5W-40 SL/CF без доливов и с доливами.

Рис. 3. Зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от времени испытания синтетического моторного масла MannolElite 5W-40 SL/CF: 1,1' -180 °С; 2, 2' -170 °С;

1, 2 - без доливов; 1', 2'- с доливами

Графическое представление процесса термоокисления масла MannolElite 5W-40 SL/CF схоже с графическими зависимостями коэффициентов термоокислительной стабильности от времени испытания синтетических моторных масел CastrolMagnatec 5W-40 SL/CF и Лукойл Синтетик 5W-40 SL/CF. Однако в отличие от масла Лукойл Синтетик 5W-40 SL/CF в исследуемом масле отсутствует участок резкого увеличения коэффициента КТОС. Область стабилизации значения коэффициента КТОС наблюдается при температуре 170 °С после 100 ч испытания (кривые 2 и 2'). Отмечено, что доливы увеличивают интенсивность процессов окисления и испарения после 50 ч испытания при температуре 170 °С. При температуре 180 °С влияние доливов не обнаружено.

В случае испытаний масла без доливов регрессионные уравнения зависимостей (рис. 3) составили при температурах

180 °С КТОС = -5,885 10-613 + 5,0148 10-412 + 0,00375t + 0,00827,

При испытаниях масла с доливами регрессионные уравнения составили при температурах

180 °С КТОС =-2,615 10-6 гъ + 2,920 10-4 г2 + 0,00608? - 0,0103,

170 °С КТОС =-5,593-10-7 г3 + 7,80210-5 г2 + 0,00445? + 0,0050.

Величина влияния доливов на термоокислительную стабильность синтетических моторных масел Сав1то1М^па1ес 5Ш-40 8Ь/СБ, Лукойл Синтетик 5Ш-40 8Ь/СБ и Маппо1Б1Ие 5Ш-40 8Ь/СБ оценивалась показателем влияния доливов Пд при времени испытания, равном 40 ч. Показатель влияния доливов на коэффициент термоокислительной стабильности КТОС определялся отношением

ПД=^,

V

КТОС Д

где ^тос и VКтocд - скорости изменения коэффициента термоокислительной

стабильности КТОС при испытании масла без доливов и с доливами соответственно, ч -1.

Скорости изменения коэффициента термоокислительной стабильности были определены путем нахождения производных регрессионных уравнений (5), (6), (9), (10), (12) - (19) и сведены в таблицу. Значения показателей влияния доливов на коэффициент термоокислительной стабильности КТОС также представлены в таблице.

Результаты вычисления скоростей изменения коэффициента термоокислительной стабильности и скоростных показателей влияния доливов на коэффициент термоокислительной стабильности

синтетических моторных масел

Марка моторного масла Температура испытания, °С Скорость изменения коэффициента термоокислительной стабильности масла (время испытания г = 40 ч) Скоростной показатель влияния доливов на коэффициент термоокислительной стабильности масла Пд

без доливов, УК , ч 1 кп ' с доливами, ^д , ч -1

Castrol Magnatec 5W-40 SL/CF 180 0,0227 0,0228 0,996

170 0,00819 0,00961 0,852

Лукойл Синтетик 5W-40 SL/CF 180 0,00426 0,00377 1,130

170 0,00269 0,00321 0,838

Mannol Elite 5W-40 SL/CF 180 0,0156 0,0169 0,923

170 0,00641 0,00801 0,800

Значение показателя влияния доливов Пд меньше единицы свидетельствует об ускорении термоокислительных процессов в масле в результате доливов, значение больше единицы - об их замедлении.

Исходя из представленных данных (таблица), можно сделать вывод о том, что за время испытания ? = 40 ч доливы повышают интенсивность процессов окисления и испарения в синтетических маслах на всем исследуемом температурном интервале. Так, при температуре 170 °С скорость термоокислительных процессов в случае испытания масла с доливами увеличилась в сравнении со скоростью термоокислительных процессов в случае испытания масла без доливов для исследуемых синтетических моторных масел в процентном отношении: Сав1то1М^па1ес 5Ш-40 8Ь/СБ - на 14,8 %, Лукойл Синтетик 5Ш-40 8Ь/СБ - на 16,2 %, МаппоШШе 5Ш-40 8Ь/СБ - на 20,0 %. При температуре испытания 180 °С в случае испытания масла с доливам наблюдается небольшое повышение интенсивности процессов окисления и испарения. В процентном эквиваленте увеличение составило для масел Castro1Magnatec 5Ш-40 8Ь/СБ и МаппоШШе 5Ш-40 8Ь/СБ соответственно 0,4 и 7,7 %. Исключение составляет испытание синтетического моторного масла Лукойл Синтетик 5Ш-40 8Ь/СБ при 180 °С. Здесь наблюдается снижение скорости процессов на 11,5 %.

Выводы. На основе проведенных исследований установлено, что влияние доливов на коэффициент термоокислительной стабильности синтетических моторных масел зависит от температуры и времени термоста-тирования, однако сохраняется общая тенденция ускорения процессов окисления.

Список литературы

1. Гришин Н.Н., Середа В.В. Энциклопедия химмотологии. М.: Изд-во «Перо», 2016. 960 с.

2. Ковальский Б.И. Методы и средства повышения эффективности использования смазочных материалов. Новосибирск: Наука, 2005. 341 с.

3. Применение горючего в военной технике / Е.И. Гулин, А.Ф. Го-ренков, С.Н. Зайцев, В.Н. Бузин, Д.П. Якубо, И.Я. Токарь, В.И. Партей, М.М. Гордейко; под ред. А.М. Сиренко. М.: Военное изд-во, 1989. 432 с.

4. Способ определения термоокислительной стабильности смазочных материалов: пат. № 2371706 РФ. МПК ООШ 25/00. Опубл. 27.10.2009. Бюл. № 30.

Агровиченко Дарья Валентиновна, аспирантка, dagrovichenko@,sfu-kras. ги, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Ковальский Болеслав Иванович, д-р техн. наук, профессор, Lahsm amail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,

Безбородов Юрий Николаевич, д-р техн. наук, профессор, Lahsma mail. ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа

RESEARCH RESULTS OF MAKEUP INFLUENCE ON SYNTHETIC MOTOR OILS

THERMAL OXIDATION STABILITY

D. V. Agrovichenko, B.I. Kowalski, Bezhorodov Yuri N.

Research results of thermal oxidation stability of synthetic motor oils Castrol Mag-natec 5W-40 SL/CF, Lukoil Sintetik 5W-40 SL/CF andMannol Elite 5W-40 are presented in cases of research with makeup and without it. The indicator of makeup influence on motor oils thermal oxidation stability determined hy the relation of change speedof thermal oxidation stability coefficientin cases of research with makeup and without it is offered.

Key words:thermal oxidation stability coefficient, makeup, indicator of makeup influence, synthetic motor oil.

Agrovichenko Darya Valentinovna, postgraduate, dagrovichenkoa sfu-kras.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,

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

Bezborodov Yuri Nilolaevich, doctor of technical sciences, professor, Labsma mail. ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and

Gas