СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СМАЗОЧНОЙ КОМПОЗИЦИИ
METHOD OF PRODUCING LUBRICANT COMPOSITION

Изобретение относится к области получения принципиально новых смазывающих материалов на основе синтеза наноуглеродных композиций способом подачи импульсов высоковольтного напряжения на два электрода (фиг.1, поз.2) из немагнитного проводящего материала конечного сопротивления с зазором между ними, расположенными в углеводородном масле (фиг.1, поз.1.) (нефтяная или синтетическая основа), амплитуда импульсов должна обеспечивать пробой между электродами, при этом частота следования импульсов высоковольтного напряжения (фиг.1, поз.4 источник высоковольтного напряжения) задается таким образом, чтобы разрядный ток лежал в диапазоне от полупериода до нескольких периодов. Импульсы высоковольтного напряжения имеют частотное заполнение прямоугольной знакопеременной формы, кратное высоковольтным импульсам, которые задаются генератором (фиг.1, поз 3.), а электроды (фиг.1, поз.2) располагаются возможно ближе к основанию емкости с углеводородным маслом и имеют форму усеченной сферы. Для обеспечения стабильного пробоя между электродами, расположенными в углеводородном масле, дополнительно вводится разрядная цепь (фиг.1, поз.5), например воздушная, так чтобы ток разрядной цепи поступал на систему регулирования зазора между двумя рабочими электродами (фиг.1, поз.6) до исключения тока пробоя разрядной цепи. Исходный воздушный промежуток разрядной цепи определяется устойчивым пробоем зазора между электродами, находящимися в углеводородном масле, в котором отсутствуют различные добавки органического или минерального происхождения.
Известны смазочные композиции на нефтяной или синтетической основе с добавлением активных концентраторов - добавок органического или минерального происхождения [1-6]. Эти добавки имеют частицы вещества конечного размера в зависимости от применяемого сырья и технологии их получения. За прототип изобретения принят патент US №5292444, 08.03.1994 г. [6]. Наиболее малыми геометрическими размерами обладают добавки композиций, в состав которых входят фуллерены С60 и С80. Тем не менее введение концентраторов с конечными геометрическими размерами и массой в масла, приводит к выпадению их в осадок. Часть введенного материала оседает на масляных и топливных фильтрах, что ухудшает их эффективность и снижает трибометрическую характеристику смазочной композиции. Кроме того, выпадение концентраторов-добавок в осадок создает определенные проблемы в масляных каналах двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Работа концентраторов-добавок в парах трения при создании поверхностной структуры определяется как раз их конечным размером. Указанные выше особенности существующих концентраторов-добавок сужают области их применения в ДВС, например в топливной аппаратуре.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является получение нового смазывающего материала высокой однородности на основе наноуглеродных композиций с более лучшими трибометрическими характеристиками и эксплутационными показателями, изобретение преследует цель развития технологий улучшения экологического и энергетического состояния двигателей внутреннего сгорания (ДВС) за счет динамического уменьшения коэффициента трения и повышения износостойкости термически и кинематически нагруженных рабочих поверхностей пар трения.
Данная задача решается путем подачи на два электрода, расположенных в углеводородном масле (нефтяное или синтетическое), импульсов высоковольтного напряжения амплитудой, обеспечивающей пробой между ними (фиг.1). Частота следования импульсов высоковольтного напряжения задается таким образом, чтобы разрядный ток лежал в диапазоне от полупериода до нескольких периодов. Такой способ позволяет получать смазочную композицию с высоким содержанием наноуглеродных составляющих при отсутствии различных химических добавок. Протекание электрического разряда в углеводородном масле (электрогидравлический удар) вызывает сложный комплекс явлений: ионизацию и разложение молекул в плазме канала и возле него, световое излучение канала разряда, ударные волны, интенсивное ультразвуковое излучение, образование и пульсация газового пузыря, кавитационные процессы, импульсные магнитные поля [7-9]. Различают две стадии процесса. Первая стадия продолжается от подачи напряжения на электроды до завершения пробоя. Время пробоя зависит от амплитуды напряжения и фронта его нарастания.
Наибольший вклад в развитие синтеза наноуглерода по заявляемому способу получения смазочной композиции вносит вторая стадия процесса электрогидравлического разряда, характеризующаяся появлением ударных волн как главного турбулизирующего фактора.
В углеводородном масле происходит разряд, во фронте ударной волны имеется область сильно сжатой среды, перемещающейся в пространстве со сверхзвуковой скоростью. При подходе ударной волны к некоторой точке пространства давление и плотность возрастают резким скачком, затем следует постепенное изменение этих величин, причем через некоторый промежуток времени давление и плотность становятся меньше, чем те же параметры в невозмущенной среде. Величина давления фронта ударной волны при электрическом разряде в начальный период достигает - (5…8)×100000000 МПа, частота - 3×1000000 Гц, скорость распространения превышает скорость звука. Явление электрического разряда сопровождается также мощными кавитационными процессами. Образование кавитационных пузырьков происходит уже на начальной стадии формирования электрического разряда, практически с момента его зажигания, и является результатом взаимодействия ударных волн, инициируемых высокоскоростными стримерными образованиями.
Энергия, выделяющаяся при схлопывании кавитационных пузырьков, способствует разрыву химических связей между атомами больших молекул углеводородных соединений.
Энергия диссоциации связи С-Н колеблется в зависимости от молекулярной массы и структуры молекулы в пределах 322…435 кДж/моль, энергия диссоциации связи С-С - 250…348 кДж/моль. При разрыве связи C-H от углеводородной молекулы отрывается водород, при разрыве связи C-C углеводородная молекула разрывается на две неравные части. При кавитационной обработке углеводородного сырья происходит деструкция молекул, вызванная микрокрекингом молекул и процессом ионизации. В результате протекания этих процессов в системе накапливаются «активированные» частицы: радикалы, ионы, ионно-радикальные образования [10-12], которые активно участвуют в образовании наноуглеродных соединений.
После прекращения поступления энергии расширение продуктов разряда сопровождается охлаждением и рядом внутренних превращений, в результате которых в жидкости образуется парогазовая полость, внутренняя энергия полости и кинетическая энергия жидкости обуславливают ее радиальные колебания, в процессе которых имеет место изменение давления в 103-104 раз.
По сравнению с первичной ударной волной продолжительность пульсации полости в 30-45 раз больше, а максимальное давление и плотность потока энергии в 10 раз меньше. Подобно первичной ударной волне пульсация парогазовой полости способствует перемешиванию компонентов. Явление электрического разряда сопровождается также мощными кавитационными процессами.
Через определенное время воздействия на масло по заявленному способу смазочная композиция представляет собой наноуглеродную структуру, синтезированную из самого углеводородного масла, в виде одинаковых частиц, твердого наноуглерода, не выпадающего в осадок. Мелкодисперсный наноуглерод (смазочная композиция), добавленный в определенных пропорциях в масло и топливо ДВС, при работе двигателя активно внедряется в кристаллическую решетку пар трения, что приводит к уменьшению шероховатости поверхности и снижению коэффициента трения.
Улучшается теплопроводность, что важно в парах трения цилиндр - поршневое кольцо и цилиндр - поршень, снижается коэффициент трения при пограничном режиме работы. Результатом является увеличение КПД ДВС и механизмов, имеющие в составе различные подшипники, трущиеся поверхности и зубчатые передачи. Фильтры, применяемые для очистки моторного масла и топливной аппаратуры для заявленной смазочной композиции - прозрачны.
Список литературы
1. А.с. СССР №1616978, МКИ C10M 141/06, 1990 г.
2. Патент РФ №2238302, C10M 141/06 2004 г.
3. Патент RU 2168538 C1 (C10V 169/06, 125/26, 159/06).
4. Патент RU 2168663 C1 (F16C 33/14, C10M 125/10).
5. Patent JP N 05 - 229966, Preparation of hydrogenated fullerene // Shige-matsu K., Abe K. 25.02.92.
6. Patent US N 5292444, Oil compositions containing fullerene-grafted polymers. Patil A.O., Schriver G.W., Lundberg R.D. 08.03.1994.
7. Л.А.Юткин. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности. - Л.: Машиностроение, 1986 г.
8. К.А.Наугольных. Электрические разряды в воде (гидродинамическое описание) / К.А.Наугольных, Н.А.Рой. - М.: Наука, 1971 г. - 190 с.
9. Оборудование и технологические процессы с использованием электрогидравлического эффекта / Под ред. Г.А.Гулого. - М.: Машиностроение, 1977 г. - 320 с.
10. Ю.Н.Кудимов. Электроразрядные процессы в жидкости и кинетика экстрагирования биологически активных компонентов. Часть 1. Ударные волны и кавитация /Ю.Н.Кудимов, В.Т.Казуб, Е.В.Голов/ /Вести. Тамб. Гос. Техн. ун-та. - 2002 г. - Т.8 №2. - с.253-264./
11. Влияние кавитационного воздействия на углеводородное топливо /А.Ф.Немчин [и др.]//Пром. теплотехника. - 2002 г. - Т.24, №6 - с.60-63.
12. А.И.Нестеренко. Возможность крекинга углеводородов под действием кавитации. Количественная энергетическая оценка /А.И.Нестеренко, Ю.С.Берлиозов. // Химия и технология топлив и масел. - 2007 г. - №6. - с.43-44.