Сравнительный анализ изменений динамической вязкости смазочного масла в двигателях тракторов и грузовых автомобилей

УДК 621.892

Т. Ставицки, П. Сендлак T. Stawicki, P. Sendlak

Западнопоморский технологический университет в г. Щецине, Республика Польша University of Technology in Szczecin, Poland

Сравнительный анализ изменений динамической вязкости

смазочного масла в двигателях тракторов и грузовых автомобилей

The Comparative Analysis of Lubricating Oil Dynamic Viscosity Changes in the Engines of Tractors and Lorries

Эксплуатация сельскохозяйственных тракторов и грузовых автомобилей приводит к качественным изменениям моторных масел, интенсивность которых зависит от условий их использования, времени работы, технического состояния машин и культуры их обслуживания. Проведенные исследования смазочных масел двигателей тракторов и грузовых машин показывают, что возникающие в результате эксплуатационных воздействий качественные изменения смазочных материалов, как правило, не являются поводом для замены масла согласно рекомендациям производителей техники.

The operation of agricultural tractors and lorries leads to the changes in the quality of engine oils, whose intensiveness depends on the conditions and time of their use, technical condition of vehicles and maintenance culture. The research on engine oil for tractors and lorries shows that its changes being the result of its operation do not necessarily require oil change as producers recommend.

Ключевые слова: сельскохозяйственные тракторы, грузовые автомобили, моторные масла, динамическая вязкость.

Key words: agricultural tractors, lorries, engine oil, dynamic viscosity.

Введение. Технический прогресс в конструкциях двигателей внутреннего сгорания требует динамичного роста в области улучшения эксплуатационных характеристик моторных масел, которые должны соответствовать растущим требованиям пользователей в области повышения долговечности и надежности двигателей, а также действующим экологическим, экономическим и техническим стандартам. Эта проблема особенно актуально выглядит на фоне смазочных масел двигателей сельскохозяйственной техники, где усилиям по минимизации негативного воздействия на окружающую среду соответствует постоянный рост мощности двигателей (увеличение урожайности, использование многофункциональных и многооперационных агрегатов, изменения в технологиях растениеводства и др.).

Используемые в сельском хозяйстве дизельные двигатели, также как и в автомобильном транспорте, должны соответствовать нормам ограничивающим уровень токсичных выхлопов и обеспечивать низкий расход топлива. В связи с этим в течение последних десятилетий ведутся интенсивные исследования по альтернативным источникам привода дизельных двигателей [1; 2; 3]. Но остается открытым вопрос о воздействии биотоплив на долговечность деталей двигателей, в том числе их влияние на функциональные характеристики смазочных масел.

В процессе эксплуатации моторные масла подвергаются сложным воздействиям со стороны температур, высоких давлений и различных видов загрязнений, в результате чего происходят их физико-химические

изменения («старение» масла). Кроме этого, в двигателях внутреннего сгорания наблюдается потеря масла, например, в результате его сжигания и т. п., что приводит к необходимости слежения за качеством и необходимости периодической замены. Поэтому следует искать новые простые решения в области мониторинга изменений качества масел с использованием акустических микросенсоров [4] или диэлектрической спектроскопии [5]. Отсутствие в настоящее время простых методов измерения и четких критериев оценки, на основе которых пользователи могли бы объ -ективно принимать решения о пригодности масла, делают невозможным его объективную диагностику. В такой ситуации пользователи часто меняют масло согласно рекомендациям производителей. Однако такие действия часто могут не соответсвовать реальной необходимости в связи с большим разнообразием условий эксплуатации и труднопрогнозируемыми изменениями технического состояния двигателей в процессе многолетней службы. Описываемая проблема, с учетом ожидаемого широкого использования новых биотоплив и биомасел в будущем, особенно в машинах старшего поколения, может создавать дополнительные трудности. Об этом свидетельствуют результаты исследований, в которых было замечено значительное ухудшение гидродинамической смазки за счет разбавления моторного масла рапсовым эфиром [6].

Проведены исследования, чтобы ответить на вопрос, оправданы ли решения о замене моторного масла, принятые на основе рекомендаций производителей,

24

Сельскохозяйственные и технические науки

фактическими функциональными параметрами этих масел? Интересно также было сравнить результаты исследований моторных масел, использованных в тракторах со смазочными маслами двигателей грузовых машин. Критерием оценки масел, как и главным параметром исследований, была динамическая вязкость.

Материалы и методы исследований. При выборе материала для исследования авторы руководствовались практическими соображениями и принятой методикой измерительных работ. В случае тракторов исследовались широко используемые в практике моторные масла, согласно классификации вязкости SAE принадлежащие к классу всесезонных масел 15W40. На первом этапе исследований были проанализированы изменения динамической вязкости моторного масла в зависимости от времени его эксплуатации. Для этого каждые 50 часов работы трактора в индивидуальном фермерском хозяйстве (трактор New Holland TL 90A) брались образцы для тестирования. На втором этапе исследования были проанализированы моторные масла, применяемые для смазывания двигателей тракторов JOHN DEERE различных классов мощности, причем образцы тестируемых масел были собраны в процессе технического обслуживания и их замены. Как в случае трактора New Holland, так и тракторов John Deere замена масла производилась в соответствии с инструкциями производителя.

В целях сравнения были протестированы смазочные материалы грузовых автомобилей DAF XF 95.430. Оценивались изменения динамической вязкости, происходящие в процессе эксплуатации (образцы для исследований брались каждые 2500 км пробега двигателя), и для масел, идущих под замену (в нашем случае после 25 000 км пробега).

В исследовании вязкости был использован ротационный вискозиметр Brookfield DV-II + Pro Rheocalc32, поддерживаемый программным обеспечением. Для стабилизации температуры был использован ультратермостат Poly Science с присоединением для измерения жидких образцов небольшого объема (в соответствии с нормой DIN 53019). Все тесты вязкости проводились для температуры масла 40 °С.

Результаты испытаний. В табице 1 представлены результаты исследований смазочного масла, используемого в двигателе трактора New Holland. В данном случае показано, что процесс эксплуатации влияет на снижение динамической вязкости масла, хотя это и нефиксированное явление, например, после 100 часов работы от замены масла (пробег двигателя 1150 ч), коэффициент динамической вязкости равнялся п = 87,4 мПа • с, в то время как для 50 часов работы (пробег двигателя 1100 ч) п = 91,7 мПа • с.

В случае образцов, взятых во время замены моторных масел в тракторах John Deere (табл. 2), замечена гораздо большая вариация коэффициента динамической вязкости смазочного масла, чем для трактора New Holland, причем в 9 случаях динамическая вязкость снижалась, в 11 — росла. Следует однако

отметить, что все тракторы John Deere характеризовались гораздо большим сроком службы, чем трактор New Holland.

Таким образом, можно предположить, что наблюдаемая высокая изменчивость динамической вязкости, характерная даже при сравнении тех же моделей тракторов, следует из-за различий в техническом состоянии двигателей, обусловленном разными условиями эксплуатации.

Таблица 1 — Изменения динамической вязкости масла класса SAE 15W-40, записанные во время работы трактора New Holland TL90 — температура 40 °C

№ Мощность двигателя [Л. с.] Пробег [ч] Динамическая вязкость П [мПа-с] Относительные изменения вязкости по сравнению со свежим маслом п [%]'

1 1100 87,4 -0,4

2 1 150 91,7 -4,2

3 1 200 89,5 -2,9

4 90 1 250 89,6 -3,0

5 1 300 90,8 -4,3

6 1 350 91,2 -4,8

7 1 400 92,8 -6,6

* Знак «—» указывает на снижение вязкости тестируемого масла по сравнению с вязкостью свежего масла.

Таблица 2 — Вязкость замененных смазочных масел двигателей тракторов John Deere — температура 40 °C

№ Модель трактора Мощность двигателя [Л. с.] Общее время работы [моточасы] Динамическая вязкость П [мПа-с] Относительные изменения вязкости п [ %]'

1 3050 92 7700 131,5 + 45,60

2 3050 92 10 750 95,8 +6,10

3 3050 92 11500 82,4 -8,84

4 6400 SE 100 7500 81,9 -9,39

5 4240s 130 11150 108,6 + 20,20

6 4650 182 7200 96,8 + 7,17

7 4650 182 12 000 70,2 -22,34

8 4650 182 8 500 80,7 -10,70

9 4650 190 7800 103,1 + 14,04

10 4650 190 11250 80,9 -10,50

11 4650 190 10 500 96,5 + 6,74

12 8200 210 8200 81,4 -9,95

13 8200 210 7650 67,9 -24,89

14 8200 210 8000 106,3 + 17,63

15 8200 210 7750 116,3 +28,71

16 8400 260 8 500 97,2 +7,52

17 8400 260 12 000 86,2 -4,06

18 8400 260 5 000 104,1 + 15,26

19 8400 260 5 000 67,7 -25,06

20 8410 270 6200 110,6 + 21,77

* Знаки «+» и «—» указывают на увеличение или снижение вязкости тестируемого масла по сравнению с вязкостью свежего масла.

Результаты исследований динамической вязкости моторного масла двигателя БАР ХР 95.430 представлены в таблицах 3 и 4. Для полученных результатов стоит отметить факт изменения вязкости смазочного масла в направлении меньшего значения этого параметра для всех исследованных образцов. Относительные изменения динамической вязкости не превышали 12 %, что может свидетельствовать о сохраняющейся эксплуатационной пригодности замененных масел.

Таблица 3 — Изменения динамической вязкости масла СаБ1го1 Тесйоп 8ЛЕ 15W-40, записанные в ходе эксплуатации грузового автомобиля БЛЕ ХЕ 95.430 — температура 40 °С

№ Мощность двигателя [Л. с.] Показания одометра [км] Динамическая вязкость П [мПа-с] Относительные изменения вязкости П [%]'

1 757500 90,9 -4,4

2 760000 88,8 -6,7

3 762 500 88,2 -7,4

4 765 000 87,2 -8,4

5 767500 86,7 -8,7

428

6 770000 86,0 -9,5

7 772 500 85,5 -10,4

8 775 000 84,9 -10,4

9 777500 84,7 -10,8

10 780000 84,1 -11,4

* Знак «—» указывает на снижение вязкости тестируемого масла по сравнению с вязкостью свежего масла.

Таблица 4 — Вязкость замененных масел грузовых автомобилей DAF XF 95.430 — температура 40 °C

№ Мощность двигателя [Л. с.] Общий пробег двигателя [км] Динамическая вязкость П [мПа-с] Относительные изменения вязкости П [%]'

1 525 000 92,3 -2,94

2 525 000 94,1 -1,05

3 600000 92,9 -2,31

4 650000 90,9 -4,42

5 675 000 93,3 -1,89

428

6 750000 90,1 -5,26

7 875 000 88,2 -7,26

8 900000 85,3 -10,3

9 925 000 89,8 -5,57

10 925 000 87,5 -7,99

* Знак «—» указывает на снижение вязкости тестируемого масла по сравнению с вязкостью свежего масла.

При оценке полученных результатов вязкости следует их сопоставить с рекомендациями профессиональной литературы. Согласно исследованиям [7], для проверки пригодности масла для дальнейшей службы приемлемым считается изменение динамической вязкости по сравнению со свежим маслом на уровне 40 и 20 % соответственно для уменьшения и увеличения значения п. По другим рекомендациям [8]

допустимые относительные изменения динамической вязкости могут находиться в пределах ± 25 %. Полученные результаты, особенно в случае моторных масел тягачей DAF XF, подтверждают необходимость поиска объективного критерия оценки момента замены масла. По экономическим и экологическим соображениям стремление к оптимизации периода замены масла следует считать закономерным (получаем возможность снижения затрат на необоснованные и слишком частые замены и сокращение количества израсходованных рабочих жидкостей, которые должны быть переработаны или утилизированы).

Итоги и выводы. Результаты исследований представляют некоторую информацию по проблеме принятия решений, касающихся сроков технического обслуживания. Выбранный параметр оценки качественных изменений моторного масла в виде динамической вязкости не обеспечивает полной информации об их пригодности к использованию, однако из-за необходимости смазывания скользящих узлов и повышения долговечности и надежности двигателя этот критерий следует рассматривать как значительный. Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

- рекомендации производителей о сроках замены смазочных материалов, особенно для двигателей, используемых на траспорте, должны быть только ссылкой на соответствующее решение пользователя, что в свою очередь указывает на необходимость мониторинга рабочих характеристик масел в процессе эксплуатации;

- результаты исследований смазочных масел сельскохозяйственных двигателей указывают на более сложные механизмы влияния условий эксплуатации на параметры вязкости масла, поэтому особенно важна их эксплуатационная диагностика.

—т—-

1. Chauhan B. S., Kumar N., Du Jun Y., K. B. Lee. Performance and emission study of preheated Jatropha oil on medium capacity diesel engine. Energy 35 (2010): 2484-2492.

2. Shanono, J. Enaburekhan. Investigation of the Endurance Characteristics of a Compression Ignition Engine runs on Jatropha Biodiesel. Jordan Journal of Mechanical and Industrial Engineering, Volume 5, Number 4, Aug. 2011: 307-314.

3. Ambrozik, D. Kurczynski. Ocena porownawcza charakterystyk obci^zeniowych silnika o zaplonie samoczynnym zasilanego olejem nap^dowym, paliwem roslinnym i ich mieszanin^. MOTROL, 2006, 8A, 21-30.

4. Agoston, C. Otsch, B. Jakoby. Viscosity sensors for engine oil condition monitoring — Application and interpretation of results. Sensors and Actuators A 121 (2005) 327-332.

5. Guan L., Feng X. L., Xiong G. Engine lubricating oil classification by SAE grade and source based on dielectric spectroscopy data. Analytica Chimica Acta 628 (2008): 117-120.

6. Koniuszy. Wplyw stosowania biopaliwa RME w silnikach wy-sokopr^znych pojazdow rolniczych na wybrane wlasciwosci uzytkowe oleju silnikowego. Inzynieria Rolnicza (2001) 1(21): 135-140.

7. Wachal. Starzenie i racjonalne czasy pracy olejow smarowych. Materialy Konferencji Szkoleniowej Podkomitetu Tribologii NOT, War-szawa 1983.

8. Bochenski I. Paliwa i oleje smaruj^ce w rolnictwie. Wy-dawnictwo Szkoly Glownej Gospodarstwa Wiejskiego, Warszawa 2005.