СПОСОБ ОЦЕНКИ СКЛОННОСТИ МАСЕЛ К ОБРАЗОВАНИЮ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
METHOD FOR ESTIMATION OF OIL PROPENSITY TO HIGH-TEMPERATURE DEPOSIT FORMATION

Изобретение относится к области анализа материалов, преимущественно смазочных масел, для оценки влияния масел на поверхности деталей двигателей в зонах высоких температур, и может быть использовано в химической и нефтехимической промышленности, в частности для оценки высокотемпературных отложений (моющих свойств) моторных масел при их допуске к производству и применению в технике.
Детали цилиндропоршневой группы и коленчатого вала являются наиболее нагретыми поверхностями двигателя, их температура определяется конструктивными особенностями двигателя. В результате воздействия высоких температур происходит окисление масла в объеме и тонком слое, которое сопровождается образованием различного рода отложений. Наличие отложений приводит к заполировке цилиндров и повышению температур в зоне трения, вследствие чего возможно как нарушение работоспособности двигателя, так и его аварийный выход из строя. (Чудиновских А.Л. и др. Моторное масло как важный объект химмотологии. - Москва, 2014, с. 144-153).
Важным показателем, характеризующим склонность масел к образованию высокотемпературных отложений (ВТО), являются их моющие свойства. (Гришин Н.Н., Середа В.В. Энциклопедия химмотологии. - Москва, 2016, с. 351-353). По склонности к образованию высокотемпературных отложений масла классифицируются на эксплуатационные группы В, Г и Д (ГОСТ 17479.1 «Масла моторные. Классификация и обозначение»).
Известен и широко применяется способ определения лакообразующих свойств масел на одноцилиндровой установке. Установка состоит из подогреваемой головки блока, в которой размещен коленчатый вал с оценочным поршнем. Коленчатый вал приводится во вращение электродвигателем с частотой вращения 1000 об/мин. За счет вращения коленчатого вала обеспечивается взаимодействие оценочного поршня с испытуемым маслом, залитым в картер установки. Для контроля и регистрации температур (в диапазоне от 100 до 350°С) основных узлов установки (головки блока и поршня) установлены 2 термопары. Оценку лакообразования на боковой поверхности поршня осуществляют по цветной эталонной шкале в баллах (ГОСТ 5726-53 «Масла смазочные с присадками. Метод оценки моющих свойств»). Данный способ осуществляет субъективную оценку лакообразующих свойств масел при одной фиксированной температуре испытания и не позволяет с достаточной достоверностью и точностью оценивать высокотемпературные отложения.
Перед авторами стояла задача - разработать способ, отвечающий следующим требованиям:
- высокая точность оценки;
- оперативность;
- приближение к условиям эксплуатации.
При просмотре и изучении источников патентной и научно-технической литературы были выявлены технические решения, частично реализующие ту же задачу.
Известен способ, заключающийся в последовательном нанесении дозированных объемов испытуемого масла (с получением каждого слоя толщиной 80-90 мкм и окислением каждого слоя в течение 145-155 с.) на нагретый до 315-325°С датчик. Процесс проводят с последующим термостатированием каждого слоя масла в окисляющей среде и изоляцией последнего слоя масла объемом испытуемого масла. Этот способ реализуется с использованием прибора, содержащего датчик с полированной рабочей поверхностью, стакан, примыкающий к нагревателю, заключенному в термоизолирующий кожух, конденсатор масляных паров. Для нанесения дозированных объемов испытуемого масла на рабочую поверхность датчика имеется калиброванная пипетка. Оценку склонности масел к образованию высокотемпературных отложений осуществляют по интенсивности окраски рабочей поверхности датчика (А.с. №1642387, G01N 33/30, 1988).
Условия проведения испытаний, реализующих этот способ, являются достаточно трудоемкими (необходимо наносить на рабочую поверхность не менее 3-х слоев) и допускают погрешность, обусловленную созданием слишком малой толщины оцениваемого слоя.
Известен также способ оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений на приборе "наклонная плита". Он предназначен для оценки склонности авиационных масел, масел для судовых газовых и паровых турбин к образованию высокотемпературных отложений, включающий периодическое набрызгивание масла на алюминиевую пластину, установленную под углом 25°С к горизонтальной плоскости. Пластину нагревают до температуры 270°С и по истечении 6 ч определяют количества отложений по разности весов пластины после и до испытания. (ГОСТ 12337-84 «Масла моторные для дизельных двигателей. Технические условия»).
Основным недостатком этого способа является неадекватное воспроизведение реальных условий работы масла в масляных системах двигателей, где режим смазывания осуществляется путем подачи масла по каналам смазки смазочной системы двигателя.
Наиболее достоверные результаты оценки склонности масел к образованию ВТО получают, используя полноразмерные двигатели или одноцилиндровые установки. Известны стенды, содержащие малогабаритные или полноразмерные двигатели, которые воспроизводят условия процессов, протекающих в зоне поршневых колец (зона ВТО) в двигателях внутреннего сгорания. Согласно стендовым испытаниям оценку склонности масел к образованию ВТО осуществляют по разным показателям: подвижность поршневых колец, суммарная загрязненность поршня (ГОСТ 20991 «Масла моторные. Метод оценки склонности масел к образованию отложений при высоких температурах»); увеличение вязкости масла (СЕС L 02-A «Petter W»); увеличение вязкости масла, подвижность поршневых колец, отложения на юбке поршня, отложения на перемычках поршня, средний износ кулачков распределительного вала (ТТМ ВАЗ 1.97.715 «Моторные масла»).
Недостатком всех этих способов оценки на стендах являются дороговизна и длительность по времени (40-120 ч).
Известен также способ, заключающийся в прокачивании с помощью насоса со скоростью 1,95-2,05 л/ч нагретого масла вдоль оценочной трубки при диапазоне изменения температуры масла от 40°С до 240°, замеряемые термопарами. Количество отложений оценивают по яркости света, отраженного от поверхности оценочной трубки. Яркость отраженного света от оценочной трубки до испытания (эталонная жидкость) и после испытания (анализируемое масло) записывают на одну и ту же диаграмму. Площадь между полученными кривыми характеризует количество отложений на участке поверхности трубки. Температуру начала образования отложений определяют по той же диаграмме (А.с. №1337769, G01N 33/30, 1987).
Недостатками этого способа являются низкая точность и достоверность результатов. Способ имеет значительную погрешность при оценке количества отложений на поверхности трубки, поскольку требует точного совмещения (наложения) обеих диаграмм.
Наиболее близким по технической сущности и взятым за прототип является способ, заключающийся во взаимодействии в течение 4 ч анализируемого масла с днищем прямоугольной выемки нагреваемого оценочного элемента, установленного в теплоизолирующем корпусе установки. Масло нагревают в диапазоне температур масла 200-400±5°С и прокачивают вдоль оценочного элемента со скоростью  (заданное значение в зависимости от группы масел). По текущим значениям температур (от термопар, которых по длине оценочного элемента не менее пяти) вдоль оценочного элемента осуществляют построение градуировочного графика температурного поля на длине оценочного элемента, по которому определяют температуру начала лакообразования Тнл испытуемого масла, характеризующую склонность к образованию ВТО (RU, Патент №2345349, G01N 17/00 - прототип).
Недостатком этого способа является низкая точность и достоверность результатов оценки склонности масел к образованию ВТО, обусловленная влиянием на нее количества лака.
Технический результат - повышение точности и достоверности результатов оценки склонности масел к образованию ВТО при создании условий испытаний, близких к условиям эксплуатации ДВС.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений на поверхности поршней двигателей внутреннего сгорания, включающем прокачку масла со скоростью 0,001-0,0015 л/ч по днищу прямоугольной выемки обогреваемого и теплоизолированного наклонного элемента заданной длины в течение 4 ч при температуре, значения которой в диапазоне от 200 до 400°С распределены по участкам наклонного элемента, измерение текущих значений температуры в определенных точках этих участков и определение температуры начала лакообразования по градуировочному графику температурного поля по длине наклонного элемента, согласно изобретению перед прокачкой моторного масла на днище прямоугольной выемки наклонного элемента размещают доведенную до постоянного веса пластину из материала, используемого для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания, с обработанной наружной поверхностью до шероховатости класса не ниже 9а (Ra 0,25), перед включением нагрева осуществляют прокачку анализируемого масла по днищу наклонного элемента с уложенной пластиной, фиксируют коэффициент цвета свежего анализируемого масла на пластине, а по окончании 4 ч прокачки масла вдоль нагретой пластины определяют коэффициент цвета лаковых отложений на каждом участке пластины заданной длины, массу лака на пластине по разности ее весов до и после испытания, рассчитывают обобщенный показатель склонности масла к образованию высокотемпературных отложений по следующей зависимости:
, где
о
П - обобщенный показатель склонности исследуемого масла к образованию высокотемпературных отложений, °С/мг⋅балл⋅см;
Тнл - температура начала лакообразования, °С (по градуировочному графику температурного поля пластины);
ЦМ
К - коэффициент цвета свежего анализируемого масла на пластине, балл
- длина пластины, см;
Цi
K - коэффициент цвета лаковых отложений на конкретном (i-м) участке пластины заданной длины, балл
- длина конкретного участка пластины с конкретным датчиком температуры, см;
Л
m - масса лака на пластине, мг; и при
о
4,0≤П<8,0°С/мг⋅балл⋅см масло относят к группе «В»,
о
8,0≤П<14,0°С/мг⋅балл⋅см - к группе «Д»
о
П≥14,0°С/мг⋅балл⋅см - к группе «Д».
В заявляемом способе использованы коэффициенты цвета лаковых отложений, приведенные в ГОСТ 20303 «Масла моторные. Метод оценки моющих свойств на установке ИМ-1».
На фиг. 1 представлена схема установки, реализующей способ оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений;
фиг. 2 - градуировочный график зависимости температурного поля по длине пластины.
Установка помещена в корпус 1 и содержит наклонный элемент 2, размещенный внутри теплоизолирующего короба 3, крепление 4 наклонного элемента, винт 5 регулировки наклона теплоизолирующего короба 3, оценочную пластину 6 из алюминиевого сплава, применяемого для изготовления поршней ДВС (Автомобильный двигатель ЗИЛ-130. Под ред. A.M. Кригера. М.: Машиностроение, 1973, с. 69), укладываемую в выемку наклонного элемента 2, электронагреватель 7, термопары 8 (5 штук), установленные в днище наклонного элемента. Для подачи испытуемого образца масла установка содержит трубку 9, подвешенную над выемкой наклонного элемента до торца оценочной пластины. Масло подают принудительно поршневым дозатором 10 со штрихпробером. Привод 11, толкающий поршень дозатор, выполнен на базе шагового электродвигателя 12. Под дозатором установлен датчик 13 наличия масла в дозаторе. В нижней точке наклонного элемента за торцом оценочной пластины 6 выполнена трубка 14 для слива масла в маслосборник 15.
1
Использование оценочной пластины 6 обусловлено возможностью ее съема из выемки наклонного элемента с целью взвешивания количества лака, образовавшегося на ней в ходе испытания. Кроме того, это позволяет более точно оценивать коэффициенты цвета лаковых отложений на каждом конкретном участке. Для обеспечения постоянства адгезии масла на поверхности пластины фиксируется конкретная величина ее шероховатости. Она замеряется перед каждым новым испытанием для пластины и при значении ниже класса 9а (Ra 0,25) производится полировка для получения величины, соответствующей реальным поршням ДВС (Зарубин А.Г. и др. Автомобили ЗИЛ. Часть 1. М.: Транспорт, 1971, с. 98). Длина всей пластины равна 11,5 см. Учитывая то, что температура по длине оценочной пластины распределена в пределах 200÷400°С, принято деление пластины на участки, по центру которых установлены соответствующие термопары 8. Маркировка участков начинается от наиболее нагретого (t=400°С) торца пластины 6. Длины участков равны соответственно:
Способ осуществляется следующим образом.
Способу предшествует операция подготовки. В соответствии с ГОСТ 2517 «Нефть и нефтепродукты. Методы отбора проб» осуществляют подготовку анализируемого масла, для чего масло, подлежащее испытанию, фильтруют через фильтровальную бумагу для удаления механических примесей.
Перед каждым испытанием выемку наклонного элемента 2 установки очищают от отложений. Оценочную пластину 6 промывают и сушат до постоянного веса, определяют ее шероховатость по ГОСТ 2789 «Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики» на профилометре и взвешивают на лабораторных весах классом точности II по ГОСТ Р 53228-2008 «Весы неавтоматического действия. Часть 1. Метрологические и технические требования. Испытания».
Пример.
Необходимо оценить склонность масла М-10ДМ, изготовленного ОАО «Газпромнефть - Омский НПЗ» (по документам относится к группе Д) к образованию ВТО, подтвердить его соответствие заявленной группе. 25 мл тщательно перемешанного моторного масла М-10ДМ заливают в дозатор 10. Взвешивают пластину из алюминиевого сплава АЛ-4 размером 115 мм ⋅ 4,5 мм ⋅ 0,5 мм на лабораторных весах. Масса пластины до испытания равна:
н
m=222,8 мг.
Начинают прокачку масла из дозатора 10 с помощью шагового двигателя 12 по холодной пластине. Коэффициент цвета свежего анализируемого масла определяют по цветовой шкале (ГОСТ 20303 «Масла моторные. Метод оценки моющих свойств на установке ИМ-1», табл. 7 на с. 10). Поскольку свежее масло на пластине имеет светло-желтый цвет, то
ЦМ
К=0,05 балл.
1
2
3
4
5
нл
отл
нл
Затем включают электронагреватель 7 и прокачивают масло по пластине 6 при достижении температуры в начале пластины на первом участке 400°С (значения распределены по участкам на длине пластины следующим образом: t=400±5°С, t=350±5°С, t=300±5°С, t=250±5°С, t=200±5°С), в течение 4 ч. Температурное поле пластины 6 контролируется пятью термопарами 8, каждая из которых расположена по центру соответствующего участка. По полученным значениям температур строят градуировочный график температурного поля оценочной пластины 6 (фиг. 2). По истечении 4 ч прокачки масла отключают шаговый двигатель 12 и нагреватель 7. По градуировочному графику температурного поля пластины 6 определяют температуру начала лакообразования (Т). Для этого сначала измеряют длину участка с отложениями (L), затем фиксируют на градуировочном графике точку В, соответствующую точке А окончания участка с отложениями. Вблизи этой точки самая низкая температура пластины, что позволяет принять температуру, соответствующую этой точке, за температуру начала лакообразования (Т).
отл
L=7,7 см;
нл
Т=247°С.
Л
к
н
Определяют массу m лаковых отложений на оценочной пластине 6, по разности весов после (m) и до (m) испытания:
к
m=225,3 мг;
Л
к
н
m=m-m=225,3-222,8=2,5 мг.
Коэффициенты цвета лаковых отложений на каждом конкретном участке равны соответственно (по тому же ГОСТ 20303):
Ц1
К=0,75 (темно-коричневый лак);
Ц2
К=0,5 (коричневый лак);
Ц3
К=0,25 (светло-коричневый лак);
Ц4
К=0,2 (светло-светло-коричневый лак);
Ц5
К=0 (лак отсутствует).
Рассчитывают обобщенный показатель моющих склонностей масла к образованию ВТО по зависимости:
о
Испытанное масло относят к группе Д, так как П=24,1≥14,0.
Заявленным способом были исследованы образцы масел различных эксплуатационных групп по ГОСТ 17479.1 «Масла моторные. Классификация и обозначение» с использованием оценочных пластин разной шероховатости, результаты испытаний которых приведены в таблице.
Из таблицы следует, что предложенный способ позволяет дифференцировать масла на эксплуатационные группы по обобщенному показателю (в строках 1-7 приведены результаты для масел группы Д, в строках 8-14 - для группы Г и в строках 15-19 - для группы В), но существенное влияние на точность оценки высокотемпературных отложений оказывает шероховатость оценочной пластины, причем для шероховатости класса от 9а и выше (все строки, кроме 4, 7, 14, 19) обобщенный показатель всегда соответствует заявленной группе моторного масла, а при шероховатости класса ниже 9а из-за снижения точности оценки возможно занижение величины обобщенного показателя относительно интервала, соответствующего заявленной группе (строка 7).
о,
нл
Таким образом введение дополнительно к температуре начала лакообразования еще двух показателей - массы лаковых отложений и цвета лаковых отложений (по этим трем величинам определяется обобщенный показатель), а также введение в способ оценки пластины с установленной шероховатостью позволяет получить более объективную информацию о характеристиках масла, а за счет комплексной оценки, выраженной обобщенным показателем П повысить достоверность и точность определения высокотемпературных отложений моторных масел по сравнению со способом прототипа и получить более информативные данные применительно к условиям испытаний масел на моторных стендах. Из анализа результатов предлагаются браковочные нормы для установления эксплуатационной группы. Из таблицы также видно, что Т, определяемая по прототипу, коррелируется с дополнительно введенными показателями и в целом с обобщенным показателем.