«ОЧИСТКА РАБОТАЮЩЕГО МОТОРНОГО МАСЛА ОТ ПРОДУКТОВ СТАРЕНИЯ ...»

Государственное научное учреждение

Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и

нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук

(ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии)

На правах рукописи

Бусин Игорь Вячеславович

ОЧИСТКА РАБОТАЮЩЕГО МОТОРНОГО МАСЛА

ОТ ПРОДУКТОВ СТАРЕНИЯ

Специальность 05.20.03 – Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук Остриков Валерий Васильевич Мичуринск – наукоград РФ,

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ Глава 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ……………………………………………… Изменение свойств работающего моторного масла, 1. вызывающих его старение…………………………………….. Способы продления сроков службы и восстановление 1. свойств работающих моторных масел………………………... Критерии и параметры оценки работоспособности 1. моторных масел…………………………………………………. Выводы и задачи исследований……………………………….

1.4

Глава 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРОДЛЕНИЯ

СРОКОВ СЛУЖБЫ РАБОТАЮЩИХ МОТОРНЫХ

МАСЕЛ ЗА СЧЕТ УДАЛЕНИЯ ПРОДУКТОВ СТАРЕНИЯ

Теоретический анализ процессов старения масла 2. и продления сроков его службы……………………………….. Моделирование процесса укрупнения мелкодиспергированных частиц продуктов старения моторного масла для их эффективного удаления…………

Оценка эффективности центробежного удаления продуктов 2. старения из работающих моторных масел……

Обоснование совокупного показателя эффективности 2. удаления продуктов старения и работоспособности моторного масла…………………………………………..……… Выводы ……………………………………………………….…… 2.5

Глава 3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ………

Оценка характеристик работающих моторных масел……… 3.1 Определение дисперсного состава загрязнений работающего 3. моторного масла…………………………………………………… Лабораторные исследования коагулирующей способности 3. продуктов старения в работающем моторном масле………. Моделирование процесса удаления продуктов старения 3. методом центрифугирования……………………………………. Оценка противоизносных свойств масел…………..………......

3.5 Оценка смазывающих свойств…………………..……………....

3.6 Исследование влияния технологических параметров 3. на качество удаления продуктов старения……………………. Методика проведения стендовых испытаний………………….

3.8 Производственные испытания технологического процесса 3. очистки работающего моторного масла от продуктов Глава 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ ОЧИСТКИ РАБОТАЮЩЕГО

МОТОРНОГО МАСЛА ОТ ПРОДУКТОВ

Закономерности изменения свойств работающих масел, 4. оптимизации процессов удаления загрязнений……………… Оценка коагулирующих способностей работающего 4. моторного масла и разработке способа очистки моторного масла от продуктов старения и загрязнений………………… Оптимизация параметров процесса удаления продуктов 4. старения из работающего моторного масла и разработка технического средства для реализации способа очистки…. Оценка противоизносных и смазывающих свойств 4. Результаты стендовых испытаний технологии и устройства 4. для удаления продуктов старения из работающих моторных Производственные испытания технологического процесса и 4. устройства для удаления продуктов старения из работающих Выводы…………………………………………….………………..

Глава 5 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

УДАЛЕНИЯ ПРОДУКТОВ СТАРЕНИЯ ИЗ

РАБОТАЮЩИХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ И УВЕЛИЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Смазочное моторное масло в процессе работы в двигателе внутреннего сгорания претерпевает значительные изменения. Изменяется его состав, срабатываются присадки, масло загрязняется механическими примесями, продуктами разложения и сгорания присадок и топлива. По мере наработки масла в двигателях тракторов и накопления смол, асфальтенов, карбенов и карбоидов оно начинает интенсивно стареть, что в значительной степени влияет на срок его службы, соответственно, отражается на технико-экономических показателях эффективной эксплуатации машин [1].

Существующие способы и средства очистки масел, встроенные в систему смазки двигателей, не позволяют вместе с механическими примесями удалять и продукты старения, что ставит вопрос о необходимости разработки новых способов воздействия на работающее масло в разряд особо актуальных. Его решение создаст основу для разработки высокоэффективных технологических процессов восстановления свойств работающих моторных масел, продления сроков их службы и повышения надежности работы сельскохозяйственной техники.

Степень разработанности темы. Вопросами продления сроков службы масел, очистки их от примесей, восстановления эксплуатационных свойств и увеличения ресурса работы масел посвящены труды Венцеля С.В., Григорьева М.А., Ленивцева Г.А., Картошкина А.П., Коваленко В.П., Лышко Г.П., Острикова В.В., Рыбакова К.В., Стрельцова В.В., Цыпцина В. И., Фукса И.Г., Уханова А.П., Сафонова В.В. и др.

Разработанные методы и технологии направлены, прежде всего, на решение задач удаления из масел механических примесей и воды. Существующие способы очистки масел различного рода центрифугами и фильтрами не позволяют удалять продукты окисления и смолы, которые снижают работоспособность моющедиспергирующих, противоизностных и антиокислительных присадок, тем самым уменьшаются сроки эффективной работы смазочного материала [2, 3].

Достижения в области очистки отработанных масел позволяют приблизиться к решению поставленных задач удаления продуктов старения, однако значительная разница составов и свойств отработанных и работающих масел не позволяют в полной мере воспользоваться известными научными разработками.

Одним из возможных путей решения проблемы эффективного продления сроков службы масел является удаление мелкодиспергированных продуктов старения путем разработки нового технологического процесса периодической очистки работающего моторного масла без его слива из картера двигателя.

Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии) в соответствии с заданиями Россельхозакадемии 09.04.07 «Разработать технологии, новые материалы, приборы и оборудование для эффективного использования моторного топлива и смазочных материалов».

Цель работы – повышение эффективности очистки работающего моторного масла за счет удаления мелкодиспергированных продуктов старения.

Задачи исследований :

- теоретически обосновать закономерности укрупнения мелкодиспергированных частиц продуктов старения для их удаления из работающего моторного масла;

- обосновать параметры процесса удаления продуктов старения из работающего моторного масла, определить критериальные характеристики работоспособности масла;

- провести экспериментальные исследования по укрупнению частиц загрязнений, разработать способ очистки работающего моторного масла от продуктов старения, оценить противоизносные свойства очищенных масел и их остаточный ресурс;

- определить конструктивно-режимные параметры технологического процесса очистки работающих масел в стендовых и производственных условиях;

- дать технико-экономическую оценку очистки работающего моторного масла, от продуктов старения, повышающей эффективность его использования.

Научная новизна работы состоит в:

- установлении теоретических закономерностей укрупнения мелкодиспергированных частиц загрязнений и продуктов старения для их эффективного удаления из работающего моторного масла;

- теоретическом обосновании и установлении оптимальных параметров процесса очистки работающих моторных масел от продуктов старения без слива их из картера двигателя внутреннего сгорания;

- обосновании совокупного показателя эффективности удаления продуктов старения и оценки работоспособности моторного масла;

- полученных результатах экспериментальных исследований подтверждающих необходимость и эффективность удаления продуктов старения из работающих моторных масел и позволяющих разработать принципиально новый способ очистки масла;

Новизна предложенных технологических и технических решений подтверждена патентами РФ на изобретения № 2476589 «Способ очистки моторного масла от продуктов старения и загрязнений», № 2484462 «Способ определения щелочного числа моторных масел».

Теоретическая и практическая значимость работы:

Теоретические закономерности, полученные в ходе исследований, позволяют обосновать эффективные параметры технологического процесса удаления продуктов старения из работающего моторного масла.

Применение технологического процесса удаления продуктов старения позволяет увеличить срок службы работающего моторного масла и повысить его работоспособность в двигателях тракторов.

Полученные результаты исследований рекомендуются для широкого применения в сельскохозяйственном производстве, а также предприятиям и организациям, имеющим автотракторный парк.

Объект исследований – технологические и динамические процессы удаления продуктов старения из работающего моторного масла.

Предмет исследований – закономерности изменения свойств работающих моторных масел в процессе удаления продуктов старения при их дальнейшем использовании.

Методы исследований - исследования выполнялись теоретическими и экспериментальными методами и включали в себя лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания исследуемых моторных масел.

При проведении исследований использовались современные методики и оборудование для оценки физико-химических показателей масел. Стендовые испытания проводились по специально разработанной методике на тормозном стенде, моделирующем работу двигателя в реальных условиях.

Производственные испытания проводились в сельскохозяйственных предприятиях Тамбовской области.

Положения, выносимые на защиту:

- закономерности процесса укрупнения мелкодиспергированных частиц загрязнений, продуктов старения для их эффективного удаления из работающего моторного масла;

- результаты экспериментальных исследований и режимных параметров процесса очистки работающего моторного масла от продуктов старения;

- результаты стендовых и производственных испытаний устройства и способа очистки моторных масел от продуктов старения и способа определения работоспособности масла по щелочному числу;

- технологический процесс очистки работающего моторного масла от продуктов старения и технико-экономическая оценка эффективности внедрения разработок в сельскохозяйственное производство.

Степень достоверности и аппробация результатов исследований – подтверждается сходимостью теоретических предположений с результатами, полученными в ходе реальных исследований, выполненных с использованием современной контрольно-измерительной и вычислительной техники; большим объемом проведенных лабораторных физико-химических анализов проб моторных масел, испытаниями проведенными в реальных условиях эксплуатации, подтвержденных положительными отзывами инженерных и технических служб сельскохозяйственных предприятий.

Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на международных и всероссийских конференциях: «Dynamika naukowych»

(Badan, 2011); «Актуальные проблемы нано и микроэлектроники» (Тамбов, 2011);

«Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции» (Тамбов, 2011); «Naukowa myl informacyjnej powieki»

- 2012»; «Изучение обеспечения инновационных процессов в агропромышленной сфере» (Москва, 2012); «Бъдещето въпроси от света на науката» (София, 2012).

Реализация результатов работы:

По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработан технологический процесс для удаления продуктов старения из работающего масла. Эксплуатационные испытания проведены в ФГУП ПЗ «Пригородный»

Тамбовского района Тамбовской области, результаты испытаний внедрены в колхозе им. Ленина, Тамбовского района Тамбовской области.

Публикации по теме диссертации:

По результатам проведенных исследований опубликовано 16 научных статей в ведущих научных и научно-технических журналах, в том числе 6 в журналах, рекомендованных ВАК, получено 2 патента РФ на изобретение (№ 2476589, 2013 г., № 2484462, 2013 г.).

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, выводов, приложений и списка использованной литературы, который включает 138 наименований. Работа изложена на 196 страницах машинописного текста, и содержит 22 таблицы, 62 рисунка, 8 приложений.

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Изменение свойств работающего моторного масла вызывающих его Работающее моторное масло непрерывно изменяется под воздействием высокой температуры, окисляющей среды, внешних загрязнений, катализаторов (продуктов износа металлических поверхностей) и других факторов [4, 5, 6].

В процессе работы моторного масла в двигателе внутреннего сгорания (ДВС) его состав изменяется из-за накопления в нем загрязнений, поступающих извне, а также продуктов окисления термического или термохимического разложения углеводородов и присадок [7]. Эти продукты вступают в физические и химические взаимодействия между собой и с загрязнениями, поступающими извне [7]. Не представляется возможным детально изучить и проследить все многообразие и многостадийные превращения всех составных частей исходного масла. Поэтому обычно всю совокупность процессов старения дизельных масел, работающих в смазочных системах дизелей, условно делят на несколько основных интегрально оцениваемых процессов [2, 3, 8]. К ним относятся:

- термическое или термоокислительное разложение углеводородов, составляющих основу масла [2, 3, 8];

- загрязнение продуктами сгорания топлива и масла, пылью, продуктами износа [2, 3, 8];

- расход присадок или истощение их действия вследствие нейтрализации неорганических кислот, термического разложения, уноса из работающего масла в отложения на масляных фильтрах, химических реакций взаимодействия с продуктами окисления масла и топлива и т.п. [2, 3, 8];

Современные дизельные масла, получаемые на основе глубоко очищенных базовых компонентов и содержащие эффективные антиокислительные присадки, характеризуются достаточно высокой стойкостью к окислению [3, 9]. Но полностью исключить окисление масел в дизелях не представляется возможным.

Конечными продуктами в цепи реакций становятся нерастворимые в масле высокомолекулярные соединения, образующиеся в результате полимеризации и конденсации промежуточных продуктов окисления, а также структурных изменений углеводородов [10, 11]. Одновременно в работающем масле всегда присутствуют продукты, образующиеся на промежуточных стадиях окисления, а также продукты частичного окисления топлива, склонные к взаимодействию между собой с образованием растворимых, частично растворимых при достаточно высокой температуре и не растворимых в масле высокомолекулярных веществ [12].

Помимо окисления на состав и свойства масла, в частности, на рост его вязкости, влияют испарение, термоокислительное и термическое разложение углеводородов [5].

Термоокислительное разложение углеводородов интенсивно протекает при доступе воздуха и высокой температуре в зоне верхнего компрессионного кольца и на стенке цилиндра вблизи верхней мертвой точки [3, 5, 13]. Распад молекул приводит к образованию летучих веществ, сгорающих в камере сгорания или уносимых с отработавшими газами, а также более тяжелых веществ, имеющих ненасыщенные связи и обладающие высокой реакционной способностью. Они вместе с маслом возвращаются в картер и вовлекаются в цепь окислительных реакций [5, 14].

Термическое разложение масла без доступа кислорода или при сильно ограниченном его поступлении имеет место в закрытых полостях масляного охлаждения поршней [3]. Этот процесс оказывает существенное влияние на старение масла при его соприкосновении с очень сильно нагретыми металлическими поверхностями (днищем поршня изнутри) и недостаточно быстром отводе его из горячей зоны. Желательно ограничение температуры охлаждаемых маслом поверхностей до 220-250 °С и обеспечение такой прокачки масла, при которой оно не нагревается выше 110-120 °С [5].

Кроме аккумулирующихся в работающем моторном масле продуктов его окисления и взаимодействия их с присадками важными источниками загрязнения являются продукты неполного сгорания органической составляющей топлива, неорганические остатки (зола) после сгорания топлива и масла, содержащаяся в воздухе пыль и продукты износа трущихся деталей двигателя [3].

При любой схеме организации процессов смесеобразования и сгорания в дизельных двигателях происходит образование некоторого количества твердых продуктов неполного сгорания топлива в виде частичек сажистых частиц размером 0,03 - 0,05 мкм, склонных к агрегации и образованию более крупных частиц размером до 1 мкм [15]. Количество сажи, попадающей из рабочего объема цилиндра в масляную пленку на стенки и далее в масло находящееся в катрере двигателя, зависит от способа смесеобразования, объема цилиндра и режима работы двигателя, а также от качества используемого топлива. В дизелях с разделенной камерой сгорания и малым диаметром цилиндра скорость загрязнения масла сажей больше, чем в дизелях с неразделенной камерой сгорания. Работа на режимах, близких к пределу дымления, а также на переменных скоростных и в нагрузочных режимах способствует усилению загрязнения масла сажей [5].

В суммарном нерастворимом осадке, выделяемом из работавших дизельных масел центрифугированием на лабораторных центрифугах [16], неорганические продукты сгорания топлива и масла составляют не столь значительную часть. То же относится к пыли, попадающей в двигатель с засасываемым воздухом и продуктам износа трущихся деталей. В исправных двигателях содержание в масле указанных неорганических загрязнителей составляет от десятых до сотых долей процента, т.е. на один-два порядка меньше содержания неорганических продуктов срабатывания зольных присадок. Однако пыль, продукты износа и зольные остатки от сгорания топлива и масла являются не только абразивными загрязнениями, они каталитически ускоряют окисление масла [17].

Как уже упоминалось, одним из факторов, влияющим на процесс изменения свойства масла в ДВС, является качество используемого дизельного топлива, содержание в нем серы [18] и эффективность его сгорания, а это, в свою очередь, отражается на интенсивности износа деталей двигателя, цилиндропоршневой группы.

В процессе использования некачественного дизельного топлива происходит увеличение роста загрязнений на деталях ЦПГ, повышение содержания смол, асфальтенов в работающем моторном масле, снижается срок службы масла. Данные факты отражаются на состоянии масел, при этом увеличивается износ деталей, повышается расход топлива, увеличивается угар масла, растет загрязненность выхлопных газов [3].

Установлено, что, чем выше моюще-диспергирующие свойства масла, тем больше нерастворимых веществ – продуктов старения, может удерживаться в работающем масле без выпадения в осадок, тем меньше лакообразных отложений и нагаров образуется на горячих деталях, тем выше может быть допустимая температура деталей [1, 6, 19].

Зависимость массы отложений на поршнях двигателя от концентрации моюще-диспергирующей присадки в масле и содержания серы в применяемом топливе показана на рисунке 1.1 [1, 19].

Рисунок 1.1 – Зависимость массы отложений (m) на поршне двигателя от содержания серы (Спр) в топливе и моюще-диспергирующей присадки в моторном Однако данный факт установлен при проведении исследований на технически исправном двигателе с минимальными значениями износа его деталей. Несложно предположить, что в процессе эксплуатации данные значения могут сильно отличаться в сторону увеличения отложений и загрязнений даже при использовании топлива с содержанием серы менее 0,2 %.

Важнейшей характеристикой способности масла предотвращать износ поршневых колец и цилиндров является его нейтрализующая способность, показателем которой, как известно, служит щелочное число [20].

Графики, представленные на рисунке 1.2. дают представление о зависимости износа поршневых колец двигателя Д-240 от щелочного числа (Щч) масла.

При этом следует учитывать, что узлы и детали двигателей в зависимости от степени их изношенности, будут испытывать разнящиеся условия трения.

Режимы смазки в разных узлах могут быть также различны.

Рисунок 1.2 – Зависимость износа поршневых колец (Uк) двигателя Д- Подшипники коленчатого вала, поршневые кольца в сопряжении с цилиндром работают преимущественно в условиях гидродинамической смазки [1]. Зубчатые колеса приводов агрегатов, масляных насосов и деталей механизма приводов клапанов работают в условиях эластогидродинамической смазки. Вблизи мертвых точек жидкостное трение поршневых колец по стенке цилиндра переходит в граничное [1].

Множественность факторов, влияющих на износ деталей двигателей, принципиальные различия режимов трения и изнашивания узлов могут затруднять оптимизацию противоизносных свойств моторных масел [1].

При работе форсированного дизеля на топливе, содержащем менее 0,2 % серы, на нейтрализацию продуктов окисления масла может расходоваться больше щелочности, чем на нейтрализацию серной и сернистой кислот. Зависимости относительной скорости уменьшения щелочности масла от содержания серы в топливе эквивалентны по расходу щелочности масла прочим источникам кислот, нейтрализуемых щелочными детергентами [3].

Обводнение масла при эксплуатации технически исправных дизелей происходит вследствие конденсации паров воды из газов, прорывающихся в картер, или отпотевания стенок баков или циркуляционных цистерн из-за изменений температуры. Содержание воды в работающем масле обычно не превышает 0,03 % [21].

Но даже такое небольшое количество воды неблагоприятно сказывается на скорости старения масла. Снижение содержания воды в масле, достигаемое повышением его температуры в картере от 60 до 85 °С, существенно уменьшает скорость накопления в масле нерастворимых продуктов и окисления масла [22].

Анализ изменения физико-химических показателей работающих моторных масел позволяет, в первом приближении, сделать вывод, что в зависимости от наработки масла и происходящих в нем окислительных процессов описанных выше изменяется прежде всего кинематическая вязкость масла, щелочное число, содержание нерастворимых загрязнений в масле.

Кинематическая вязкость моторного масла по мере наработки в технически исправном двигателе может только увеличиваться за счет роста содержания смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов, продуктов сгорания топлива, углеводородной основы масла и присадок [23]. Причем этот рост отмечается например у масла М10-Г2к с 10 мм2/с до 11 мм2/с за период наработки от 0 до 250 часов. Увеличение вязкости работающего моторного масла выше указанных значений возможно только при длительных высоких нагрузках работы машины, низком качестве используемого дизельного топлива (высокое содержание фактических смол, облегченный фракционный состава и т.д.) имеющих место технических неисправностей двигателя и неудовлетворительных исходных показателях качества используемого товарного моторного масла.

Понижение вязкости работающего моторного масла возможно в двух случаях. Первое, когда имеют место неисправности в работе топливной аппаратуры и нарушения процессов сгорания топлива и второе «срабатывание» вязкостных присадок (добавляемых в основу масла при его производстве). Однако данные факты на наш взгляд не следует относить к процессам старения, и как установлено в работах [24, 25] они не оказывают существенного, критического влияния на кинетику процесса окисления масла.

Щелочное число масла, как косвенный показатель присутствия и работоспособности присадок в зависимости от наработки масла как известно снижается [14, 24]. Как установлено в работах [26, 27, 28] щелочное число является наиболее информативным легко оцениваемым (экспресс-методом) показателем работоспособности масла и в нашем случае оно может быть рассмотрено как один из критериев оценки процессов старения работающего моторного масла и срока его службы, установления комплексного оценочного показателя работоспособности масла, необходимости его восстановления и удаления продуктов старения.

Присутствующие в работающем моторном масле механические примеси, значение и доля которых по мере наработки масла увеличивается, ни как не характеризует и ни как не описывает процесса старения масла. Данные показатели в большей степени указывают на условия хранения, транспортировки [29, 30, 31, 32], эксплуатации машины (пыль) и в меньшей степени косвенно характеризующие процесса износа деталей ЦПГ.

Все неисправности двигателей, приводящие к повышению дымности отработавших газов, влекут за собой ускорение загрязнения масла сажей [3]. Скорость накопления загрязнений в масле за частую прямо пропорциональна количеству сажистых частиц содержащихся в выхлопных газах (дымности выхлопа). Однако, как и в случае обводнения, способность масел противостоять неблагоприятному внешнему воздействию, связанному с неисправностями дизелей, существенно зависит от состава композиций присадок.

Резюмируя результаты данного анализа можно предположить, что основным фактором влияющим на сроки службы масла является его старение, которое известными методами воздействия приостановить очень сложно.

1.2 Способы продления сроков службы и восстановления свойств Как указано выше при работе двигателя качество масла постепенно ухудшается, поэтому через некоторое время его необходимо заменять свежим. В сельском хозяйстве принята регламентная система технического обслуживания машин, в соответствии с которой замену работающего моторного масла на свежее производят по достижению определенного срока работы. Для сельскохозяйственной техники этот срок определяется числом отработанных мото-часов. В соответствии с заводскими инструкциями по эксплуатации двигателей известно, что если трактор отработал, например 250 ч, необходимо заменить масло на свежее [33, 34].

Увеличение наработки дизелей от заправки смазочной системы свежим маслом до его смены согласно указаниям инструкции по эксплуатации или в связи с утратой маслом работоспособности было и остается в настоящее время актуальной задачей. Не так давно масло в тракторных двигателях меняли через каждые 120 часов работы [35, 36]. В настоящее время, несмотря на повышение теплонапряженности современных двигателей, следовательно ужесточение условий работы масел, их меняют через 250 часов, а в ряде случаев через 500 часов [ 37, 38, 39]. Это стало возможным благодаря применению моторных масел группы Г, а также использованию топлива с невысоким содержанием серы (до 0,5 %).

Повышение качества применяемых моторных масел - только один из способов увеличения периодичности их замены. Не менее важен и другой: улучшение степени очистки масла в двигателях [40]. Практически на всех современных дизелях устанавливают полнопоточные реактивные маслоочистители (центрифуги).

Их применение по сравнению с фильтрами тонкой и грубой очистки позволило значительно улучшить качество очистки [41, 42]. Однако и центрифуги полностью задержать все продукты старения и загрязнения не могут. Если размер частиц меньше 1 - 5 мкм, то они не задерживаются, а циркулируют по смазочной системе [43, 44, 45]. Мелкие абразивные примеси повышают износ, а органические увеличивают скорость нагарообразования. Поэтому разрабатывают новые типы центрифуг, устанавливают дополнительные фильтры, применяют ультразвуковую обработку [14, 46, 57, 58], но до сих пор в производстве еще нет надежных систем, которые позволили бы проводить достаточно полную очистку масла в двигателе.

Уровень эксплуатационных свойств масел можно повысить, используя дисперсанты, снижающие или предотвращающие образование осадков. Например, при работе в маслах содержащими детергенты возможно ускоренное образование осадков, что можно значительно замедлить путем изменения коллоидного строения системы с помощью дисперсантов [1].

Необходимо отметить, что установленная периодичность замены моторного масла автотракторных двигателей новым согласно заводским инструкциям зачастую не оправдано [14, 21, 47]. Реальные условия эксплуатации различны и поэтому регламентная замена масла, без оценки его качества, может оказаться преждевременной (масло еще хорошее) или запоздавшей (уже идет интенсивный износ деталей) [48, 49]. Неотъемлемой частью технологий по увеличению интервалов замены моторных масел, является контроль его основных физикохимических показателей. На сегодняшний день существует множество способов экспресс контроля качества нефтепродуктов [50, 51, 52, 53]. Разработанный ряд [54] экспресс лаборатории позволяет определить в условиях сельхозпредприятий такие показатели качества работающего моторного масла как: вязкость кинематическая, загрязненность, диспергирующе-стабилизирующие свойства, содержание воды и т.д.

В процессе эксплуатации двигателя необходимо периодически доливать свежее масло, что бы компенсировать его потери, в результате испарения, угара масла связанного с техническими неисправностями ЦПГ, и утечек через уплотнительные элементы герметизирующие систему смазки [14]. За счет частичного освежения работающего масла свежим происходит стабилизация системы и сохранение свойств, но необходимо учитывать особенности коллоидного строения, так как возможны случаи несовместимости в процессе долива. Наиболее склонны к несовместимости смеси свежего масла с работающим, наименее - смеси свежего со свежим [55]. Освежение смазочного масла в двигателе иногда оказывается настолько существенным (при расходе порядка 150 - 300 г/ч), что фактически за период его работы в двигателе до замены оно несколько раз обновляется. Частичное освежение, характеризующее освежение моторного масла периодической доливкой свежего, выражается отношением количества масла, доливаемого в картер, к полному его количеству в двигателе [14, 56]:

Таким образом, первоначально залитое в картер масло и свежее, доливаемое в процессе эксплуатации, интенсивно перемешиваются в системе смазки. В последующий интервал времени будет уже расходоваться не изначально залитое масло, а смесь, состоящая из разных долей, проработавших различное время [14, 56].

Наиболее интенсивное уменьшение первоначально залитого масла происходит в двигателе в течение первого периода его работы. Поскольку процесс освежения моторного масла у тракторных двигателей различных марок не одинаков и зависит от угара и вместимости системы смазки, то при подборе масла и оценке степени изменения его физико-химических и эксплуатационных показателей этот фактор следует учитывать [14, 56].

На рисунке 1.3 [56] представлены графики среднего изменения угара моторного масла в зависимости от продолжительности его работы в двигателях некоторых марок.

Рисунок 1.3 – Изменение угара (у) моторного масла в тракторных двигателях в зависимости от продолжительности работы масла до замены (t) Анализ кривых показывает, что угар масла в первые 120 - 200 часов его работы возрастает примерно на 10 - 15 %, а затем проявляется тенденция к его снижению. Так через 600 - 700 часов угар становится меньше, чем в начальные периоды работы (в среднем снижение составляет 8 - 12 %) [56].

Возрастание угара масла в первый период работы связано с большей интенсивностью испарения легкокипящих фракций в картере двигателя из всего первоначального залитого в него объема масла. Затем это испарение происходит только из объемов доливаемого масла [56].

Уменьшение угара происходит так же из за повышения вязкости моторного масла по мере его работы в двигателе, что затрудняет попадание масла в камеру сгорания через зазоры поршневых колец и канавки поршней, это подтверждается результатами испытаний тракторов Т-74, которые работали как в режиме увеличенного срока службы масла до замены, так и при установленном режиме замены через 240 ч (рис. 1.4) [56].

Рисунок 1.4 – Изменение угара (у) масла в двигателе СМД в зависимости от Как следует из рисунка 1.4, у трактора при работе масла без замены его угар за 670 ч снизился со 146 до 118 г/ч, а у трактора в котором производилась замена через 240 часов, средний угар составил 157 г/ч [56].

При увеличенном сроке службы моторного масла количество свежего масла меньше, так как дополнительно оно поступает только при доливе, а значит, и доля испаряющейся части его в этом случае меньше. Так при увеличенном сроке работы вязкость масла к 670 ч достигла 15-16 сСт при 100 оС, а при замене через 240 часов вязкость работающего масла к этому времени не превышала значения 13 - 14 сСт [56]. С увеличением концентрации свежего масла в работающем увеличивается и несовместимость, достигая максимума при 80 - 65 %. Для снижения отрицательного эффекта необходимо ограничить долив свежего масла в работающее 10 % от объема системы смазки двигателя [56].

Экспериментально доказано, что эксплуатационные свойства масел возможно значительно повысить, обработав их ультразвуком [14, 57, 58]. Объясняется это тем, что образуется тонкодисперсный коллоидный раствор металлосодержащей присадки в масле, в результате чего присадка в меньшей степени выпадает в осадок и большее время сохраняет свою работоспособность. Максимального улучшения эксплуатационных свойств моторных масел можно достичь при их обработке ультразвуком с частотой колебаний около 20 кГц и мощностью 15 кВт/м2, с разовым объемом 30 - 40 л масла (высота столба 25 - 35 см) в течении 1 ч. Срок работы моторных масел, обработанных ультразвуком, увеличивается с 240 до мото-часов, что значительно экономит масло [14].

Уменьшить износ деталей двигателя на 15 - 20 % можно с помощью магнитной очистки в системе смазки и в сливной пробке картера, что позволяет практически полностью удалить из масла продукты износа (железо), наличие которых повышается интенсивность износа трущихся деталей [59, 60].

В композициях масляных составов содержится определенное количество той или иной присадки, обеспечивающее длительную работоспособность масла которые в процессе использования масла срабатываются, что приводит к снижению его эксплуатационных свойств. На данный момент разработано большое количество препаратов (пакетов присадок) к моторным маслам воздействующих как в комплексе на эксплуатационные характеристики двигателя, физико-химические свойства масла и продление сроков службы масел до замены, так и на улучшение отдельных параметров [19].

Наиболее сложным технологическим процессом восстановления свойств работающих масел является дозированный ввод щелочных и антиокислительных присадок. Однако передозировка может негативно сказаться как на эксплуатационных свойствах масел, так и двигателя [61].

Наиболее актуально дозированное введение присадок в работающее моторные масла, содержащие небольшое количество присадок. К настоящему времени на практике в большей степени исследована технология дозированного введения в работающее моторное масло антиокислительных и моюще-диспергирующих присадок [62, 63, 64]. Разработаны [65, 66] теоретические предпосылки восстановления основных эксплуатационных свойств дизельных масел, а для внесения антиокислительной ДФ-11 и моюще-диспергирующей С-150 присадок разработана технология и сконструирована установка для обогащения присадками [63].

Для определенных типов двигателей установлена периодичность долива обогащенной смеси. Однако из-за различных трудностей экономического характера, отсутствии в сельхозпредприятиях хорошо подготовленных инженерных кадров восстановлением свойств работающих масел занимаются недостаточно широко, предпочитая сразу производить замену выработавшего свой ресурс масла.

В результате анализа методов и способов продления сроков службы работающих моторных масел установлено, что основными и наиболее эффективными технологиями является очистка масел от механических примесей и введение в работающее масло присадок.

Однако удаление механических примесей из работающих масел позволяет только в незначительной степени продлить срок службы масла и в основном рассчитано на снижение износа деталей ЦПГ. Продукты окисления масла в результате его очистки всевозможными центрифугами, фильтрами остаются в работающем масле и интенсифицируют процесс старения, не смотря на долив свежего масла, снижаются сроки его службы.

Использование дополнительных ступеней очистки масел к уже существующим встроенным в систему смазки двигателя позволяет повысить эффективность удаления загрязнений, но не решает задачи «замедления процесса старения».

Представляют интерес новые разработки, способов в области очистки полностью отработавших свой срок службы моторных масел [61, 65, 67, 68, 69, 70].

Такие масла содержат в своем составе большое количество продуктов окисления масла, сгорания присадок и топлива [71, 72]. Содержание присадок в отработанных моторных маслах находится на уровне 20 – 30 % от уровня свежих масел и для таких масел необходим полный процесс восстановления [65, 73, 74, 75, 76].

Используемые для очистки отработанных моторных масел реагенты и разделяющие агенты способны скоагулировать более 80 % смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов с последующим отстаиванием и удалением центрифугированием [77, 78].

Разработанные способы очистки отработанных масел [79, 80, 81, 82, 83, 84] хорошо себя зарекомендовали в известных технологиях утилизации, получения на базе глубокоочищенных отработанных масел аналогов гидравлических, трансмиссионных [85], индустриальных и других смазочных материалов. В тоже время использование известных разделяющих агентов для очистки масел в двигателях машин не всегда представляется возможным по ряду важных причин:

1. Содержание присадок в работающем моторном масле (в зависимости от наработки) значительно выше, чем в отработанных, в том числе и моющеедиспергирующих, которые препятствуют агрегатации мелкодиспергированных частиц, что требует проведения исследований и испытаний в условиях эксплуатации.

2. Использование тех или иных веществ, добавок, присадок, коагулянтов, разделяющих агентов для очистки масел вызывает снижение щелочного числа масла (а значит концентрации присадок) на 25 – 30 %, что крайне не желательно в условиях эксплуатации.

3. Концентрация вносимого вещества рассчитана на работу в жестких условиях с запредельным количеством загрязнений (смол, асфальтенов и т.д.) 4. Температурный режим работы разделяющих агентов предусматривает прогрев и поддержку температуры масла выше 130 оС, что не всегда возможно обеспечить в работающем двигателе.

5. При внесении в работающее масло разделяющего агента в том или ином состоянии возможно его выпадение в осадок.

6. Не исключен эффект последействия разделяющего агента, когда после завершения операции очистки масла продолжается процесс коагуляции загрязнений в системе смазки двигателя, что может стать причиной образования отложений или даже закупоривания масляных каналов.

Все вышесказанное предопределяет необходимость поиска новых путей и решения вопросов продления сроков службы работающих моторных масел за счет удаления продуктов старения с минимальным воздействием на остаточную базу присадок, а разрабатываемый способ должен отвечать следующим основным условиям и требованиям:

- возможность удаления продуктов старения из работающего моторного масла без его слива из картера двигателя;

- допустимое снижение количества остаточной базы присадок должно составлять не более 5 - 7 %;

- технологический процесс удаления продуктов старения из работающих масел должен быть совместим с операциями и периодичностью технического обслуживания машины (100, 125, 250 часов наработки);

- в процессе очистки масла от продуктов старения должны улучшаться не только его физико-химические, но и эксплуатационные характеристики, такие как смазывающие, противоизносные;

- разрабатываемые технические средства должны быть простыми, адаптированными к использованию в системах смазки любых типов тракторов и комбайнов;

- затраты на реализацию способа продления срока службы работающего моторного масла должны быть минимальными;

1.3 Критерии и параметры оценки работоспособности моторных масел До настоящего времени не разработан единый математический аппарат, который позволял бы оперативно оценивать качество работающего моторного масла. Одним из направлений является обоснование комплексного коэффициента качества моторного масла Км, по которому можно было бы делать оценку о его пригодности к эксплуатации [86]:

где А - концентрация нежелательных примесей в масле;

С - концентрация присадок в масле;

Е - предельная скорость изнашивания деталей двигателя, лимитирующая ресурс всего агрегата;

В, Д - коэффициенты, характеризующие скорость изнашивания деталей.

При достижении комплексного коэффициента предельного значения Км масло необходимо заменить или очистить (долить, восстановить и др.).

Расчет такого комплексного коэффициента предлагается применять при техническом обслуживании трансмиссий по потребности, т.е. для трансмиссионных масел, которые проще по составу, но работают в иных условиях, чем моторные масла. Разработать такой комплексный коэффициент для моторных масел сложно, так как все входящие в него показатели не нашли пока однозначных трактований и способов их количественного определения.

В ряде случаев используют упрощенный коэффициент качества К, равный [8]:

где Х – концентрация мехпримесей (нерастворимых в бензоле), %; С - щелочное число работающего моторного масла, мг КОН/г;

При значении К = 1,5 масло рекомендуют менять.

Наиболее достоверная оценка целесообразного межсменного срока службы масла в двигателе обеспечивается проведением эксплуатационных испытаний с определением влияния срока службы масла на совокупность таких показателей, как безотказность и долговечность двигателей (в том числе состояние поверхностей деталей по загрязнению и повреждению), затраты на техническое обслуживание и ремонты, физико-химические свойства масла.

Все члены уравнения (1.1) связаны с процессом старения моторного масла.

В отчете 05.05.02.01 1998 года ГНУ ВНИИТиН предложена схема теоретиковероятностной оценки процесса старения моторного масла, позволяющая прогнозировать процесс старения масла, протекающий во время работы двигателя в разных условиях. Для построения вероятностной модели старения масла выделяют наиболее важные процессы: срабатывание присадок, окисление углеводородов масла, попадание загрязнений (пыли, воды, топлива и др.) С помощью математического аппарата рассчитывается вероятность протекания старения масла по определенному механизму, соответствующему одному из многих состоянии масла [8].

Для практической оценки интенсивности старения масла можно использовать метод предложенный А.В. Непогодьевым [87]. В нем масла в двигателях внутреннего сгорания рассматривают как состоящий из двух противоположных процессов. Окисление масла, загрязнение его различными продуктами и срабатывание присадок изменяют состав и свойства масла. Доливы, восполняющие угар, и работа фильтрующих устройств, тормозят это изменение. При длительной работе с периодическим пополнением системы смазки скорость изменения физикохимических показателей масла постепенно уменьшается, а отдельные его характеристики могут на каком-то уровне стабилизироваться [14]. Происходит кажущееся замедление или прекращение протекающих в масле процессов старения.

Если двигатель работает длительное время без долива свежего масла, скорость изменения показателей качества масла постепенно возрастает из-за уменьшения его количества в системе смазки.

При исследованиях скорость химических процессов оценивается по изменению концентрации вещества во времени. Влияние угара, доливов и фильтрации затрудняет изучение протекающих в картерном масле физико-химических явлений.

Изменение содержания какого-либо вещества в картерном масле описывается дифференциальным уравнением [87]:

где - время; - количество исследуемого вещества в масле; - количество масла в двигателе; - скорость образования, поступления или расходования какого-либо вещества; - пропускная способность фильтрующих устройств; - коэффициент очистки масла фильтрами; q - скорость расходования смеси масла с исследуемым продуктом.

Интегрирование данного уравнения позволяет получить уравнения изменения концентрации продукта по времени.

Если количество масла в картере поддерживается неизменным путем непрерывного долива, концентрация продукта в масле равняется:

где - концентрация продута в масле в начальный момент.

Это уравнение показывает, что благодаря фильтрации и доливам масла его состав изменяется с убывающей интенсивностью, и концентрация любого продукта со временем приближается к пределу [87]:

или больше Действительная скорость происходящих в масле химических или физических процессов обозначена в уравнениях буквой «а». Это может быть, например, скорость образования определенных продуктов окисления, скорость поступления пыли или воды или скорость срабатывания присадки.

формулой (1.5).

При небольших величинах пользуются формулой [87]:

где. - количество вещества, поступившего в масло за время ;

- концентрация вещества в доливаемом масле; Д - количество масла, залитого за время ; - количество вещества, выделенное фильтром за время.

По экспериментальным данным подсчитывается количество вещества, поступившего в масло, образовавшегося в масле или израсходованного на какиелибо реакции за время между отбором проб масла (.). Затем строится график поступления или расхода вещества до времени. Действительная скорость процесса в любой момент времени определяется как тангенс угла наклона касательной к линии поступления или расходования вещества.

При оценке ожидаемого уровня загрязнения масла с помощью формулы (1.5), и для определения необходимой эффективности и грязеемкости фильтрующих устройств, скорость загрязнения масла нерастворимыми продуктами лежит в пределах = 0,01 - 0,03 для четырехтактных дизелей.

Описанный метод определения действительной скорости процесса старения может быть использован для определения скорости образования продуктов окисления масла, в частности оксикислот, скорости срабатывания нейтрализующих присадок, для исследования влияния на старение масла качества процесса сгорания, температуры смазочного масла, расхода масла на угар и фильтрации и др.

Установлено, что основные показатели старения масла во всех двигателях изменяются идентично: в начале работы на свежем масле более быстро возрастают концентрации примесей и кислотность, а щелочное число масла снижается.

После достижения определенной наработки процесс становится устойчивым, в основном из-за работы фильтрующих устройств и долива масла. Процессы старения начинают протекать с меньшей интенсивностью доливами свежего или целенаправленными добавками основных присадок можно продлевать срок службы работающего масла.

Для расчетов времени срабатывания присадок до предельного значения 5доп предлагается пользоваться зависимостью [87]:

центрация присадки; - концентрация присадки в доливаемом масле;

- минимально допустимая концентрация присадок; F - константа скорости срабатывания присадки;

то в течение всего времени работы двигателя содержание присадки в масле будет находится на постоянном уровне. Так, если необходимо, чтобы минимальная конA =8 $9 >* если добавить необходимое число уходящих присадок, то можно значительно замедлить процесс старения масла.

Проведя обзор существующих способов определения критериев и параметров работоспособности моторных масел можно сделать вывод, что на данный момент оперативно оценивать качество работающего моторного возможно исходя из результатов проведенных физико-химических анализов. Общая закономерность изменения физико-химических показателей работающего моторного масла в технически исправном двигателе одинакова, однако скорость процесса старения зависит от ряда усредненных факторов, что не всегда применимо для реальных условий эксплуатации.

Анализ состояния вопросов загрязнения моторного масла продуктами старения, способов продления сроков службы масел и существующих параметров оценки работоспособности позволяет сделать следующие выводы:

1. Происходящие в работающем моторном масле окислительные процессы и накопление продуктов старения прежде всего, влияют на изменение кинематической вязкости масла, щелочного числа и содержание нерастворимых загрязнений в масле.

2. Вводимые в моторное масло присадки срабатываются под воздействием высоких температур, а образующиеся при работе двигателя продукты сгорания топлива интенсифицируют процессы старения масла.

3. Существующие способы продления сроков службы работающего моторного масла позволяют удалить механические примеси размером более 3 – 5 мкм, что влияет только на износ ЦПГ, оказывая не значительное влияние на ресурс работающего моторного масла, удаление продуктов окисления практически не происходит.

4. Существующие технологии очистки отработанных масел требуют условий недостижимых при работе двигателя, удаление загрязнений требует внесения разделяющих агентов, агрессивно воздействующих на базу присадок, что не желательно для работающих моторных масел.

5. В настоящее время существует большое количество критериев и параметров позволяющих дать оценку работоспособности моторного масла, однако воспользоваться ими в условиях эксплуатации автотракторного парка не представляется возможным.

Проведенный анализ литературы и существующий опыт промышленности по очистке моторных масел показал, что существует большое количество технологий по удалению продуктов старения из отработанных масел и способов продления срока службы работающего моторного масла, но они имеют ряд недостатков и не отвечают конечным целям – технико-экономическому эффекту и доступности.

Целью исследований является повышение эффективности очистки работающего моторного масла за счет удаления мелкодиспергированных продуктов старения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Теоретически обосновать закономерности укрупнения мелкодиспергированных частиц продуктов старения для их удаления из работающего моторного масла.

2. Обосновать параметры процесса удаления продуктов старения из работающего моторного масла, определить критериальные характеристики работоспособности масла.

3. Провести экспериментальные исследования по укрупнению частиц загрязнений, разработать способ очистки работающего моторного масла от продуктов старения, оценить противоизносные свойства очищенных масел и их остаточный ресурс.

4. Определить конструктивно-режимные параметры технологического процесса очистки работающих масел в стендовых и производственных условиях.

5. Дать технико-экономическую оценку очистки работающего моторного масла, от продуктов старения, повышающей эффективность его использования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРОДЛЕНИЯ СРОКОВ

СЛУЖБЫ РАБОТАЮЩИХ МОТОРНЫХ МАСЕЛ ЗА СЧЕТ УДАЛЕНИЯ

ПРОДУКТОВ СТАРЕНИЯ

2.1 Теоретический анализ процессов старения масла и продления В процессе анализа теоретических аспектов продления сроков службы работающих моторных масел необходимо знать общие тенденции изменения свойств масел, уменьшения концентрации присадок и накопления продуктов старения по мере наработки масла в двигателе внутреннего сгорания.

Известно [8, 88, 89, 90, 91 ], что скорость изменения концентрации моющедиспергирующих присадок происходит постепенно или скачком, обычно после снижения щелочности масла до определенных значений, определяемых качеством масла. Также очень важно учитывать техническое состояние двигателя [ 92 ].

В неисправной машине процесс срабатывания присадок, их выгорание происходит более интенсивно. Низкое качество товарного масла может вызвать резкую интенсификацию окислительных процессов и «старение» масла. В качественном масле до момента замедления и после него скорость расходования присадок остается как правило, постоянной. Из анализа состояния вопроса установлено, что скорость расходования щелочных присадок связана с тремя основными факторами: поступлением в масло кислот, образовавшихся в результате сгорания топлива;

образованием продуктов окисления масла и активностью присадок. Щелочные присадки, даже при их высокой концентрации, нейтрализуют не все кислоты поступившие в масло и образующиеся в результате его окисления. Некоторые органические кислоты не вступают в реакцию с присадками и накапливаются в масле. Это подтверждается ростом общего кислотного числа масла.

С момента, когда скорость расходования нейтрализующих присадок замедляется, соответственно возрастает интенсивность накопления в масле не нейтрализованных кислот [3]. Полагают, что снижение скорости расходования нейтрализующих присадок объясняется уменьшением их активности, в результате чего они теряют способность реагировать с некоторыми ранее нейтрализовавшимися органическими кислотами Неорганические кислоты реагируют с щелочными присадками полностью. Из органических кислот не все реагируют с щелочными присадками, особенно при их низких концентрациях. Оксикислоты, образуемые при начальных стадиях окисления масла, интенсивно нейтрализуются щелочными присадками. На нейтрализацию продуктов окисления масла в этот период может расходоваться до трех четвертей щелочи. При определенных концентрациях щелочности масла происходит прекращение нейтрализации слабых кислот и, как следствие, возрастают процессы износа деталей двигателей, обычно поршневых колец и гильз цилиндров. Если работать с малым содержанием нейтрализующих присадок в масле, обеспечивающем нейтрализацию только сильных кислот, то скорость расходования присадок будет сравнительно небольшой, но при этом износ деталей двигателя будет повышенным.

В данном случае может быть предложено другое решение, заключающееся в повышении смазывающих свойств работающего моторного масла введением доступных препаратов, при одновременном удалении продуктов окисления, увеличивая срок службы масла.

Гипотетически в данной работе предполагается замедлить процесс окисления масла, убрать основную массу кислот. Освободить щелочные присадки от обволакивающих их смол, асфальтенов, которые конгломерируют молекулы присадок не позволяя им выполнять антиокислительные свойства.

На практике обычно контролируют скорость снижения щелочного числа (IЩТ ). Некоторую усредненную величину IЩТ для отдельных типов дизельных двигателей можно получить из несложного соотношения [93]:

где: IЩТ - скорость снижения щелочного числа Щсв - щелочное число свежего масла, мг (КОН)/г; Щпр - предельное значение щелочного числа для данной группы масла, мг (КОН)/г; Тр – периодичность регламентной замены масла в эксплуатируемом двигателе, часы.

Считается [94, 95], что уменьшение концентрации щелочных присадок подчиняется кинетике реакций первого порядка. Однако если учесть, что в масле первоначально заложен большой избыток нейтрализующих свойств и в процессе эксплуатации из-за долива свежего масла этот избыток поддерживается длительKKKK):

ное время, то реакции нейтрализации могут идти по псевдопервому порядку (к где: концентрация образуемых кислых соединений в масле;СЩП - концентраок - ция щелочных (нейтрализующих) присадок; F - константа реакции концентрации второго порядка; F/ - константа реакции нейтрализации псевдопервого порядка.

Появление константы F/ псевдопервого порядка объясняется тем, что в работающем масле до определенного времени концентрация щелочных присадок гораздо больше концентрации появляющихся в результате окислительных пренебречь (F СЩП OP;Q5 = к/ ) то скорость реакции нейтрализации равна:

масле равна скорости поступления кислых продуктов за счет окислительных процессов ( * плюс скорость нейтрализации кислых продуктов за счет химичен Из-за наличия в работающем масле антиокислительных присадок различного механизма действия действительную скорость поступления кислых продуктов рассчитать довольно сложно, однако для описания общего случая накопления кислых продуктов в работающем масле можно допустить, что скорость поступлений кислых продуктов пропорциональна некоторому обобщенному коэффициенту окисления Fок :

Тогда скорость поступления кислых продуктов в работающем масле равна:

Графически этот процесс представлен рисунке 2.1.

В плане поддержки выдвинутой гипотезы снижения окислительных процессов и продления сроков службы работающего моторного масла за счет периодического удаления продуктов старения можно предположить некоторые уточнения на рисунке 2.1, которые следует подтвердить в результате лабораторных, стендовых и производственных испытаний разрабатываемой технологии периодической очистки работающих масел от продуктов старения [66].

Пока не найдено источников подтверждающих или опровергающих механизм работы антиокислительных и других присадок при снижении уровня кислотной среды масла, если удалить из него продукты окисления. Возможна активизация «деятельности» моющих, противоизносных и антиокислительных присадок.

Использование же карбамида, как уже доказано [96, 97, 98, 99, 100] улучшает противоизносные свойства работающего моторного масла, уменьшает нагар и продляет срок службы масла. Карбамид, по заявлению В.В. Острикова, способствует образованию пленки на поверхностях трущихся деталей и в малых дозах не вызывает коррозионных процессов.

КК – концентрация кислых продуктов в работающем масле;

Кк – предельная концентрация кислых продуктов в работающем масле;

ок - время срабатывания антиокислительных присадок; щ - время срабатывания Рисунок 2.1 – Изменение концентрации кислых продуктов в масле в период действия антиокислительных и щелочных присадок I участок (0 - 50 ч) - характерен тем, что в этот период времени эффективно действуют антиокислительные присадки и накопления кислых продуктов в масле до определенного времени почти нет или оно незначительно, за счет поступления их из сгоревшего топлива.

II участок (50 - 100 ч) - характерен тем, что количество кислых продуктов в масле пока еще мало, следовательно скорость реакции нейтрализации тоже не велика. На этой стадии процесса имеет место рост продуктов окисления.

III участок (100 - 150 ч) - квазистационарный процесс, при котором скорость поступления продуктов окисления равна скорости реакции нейтрализации.

IV участок (150 - 220) - время работы масла достаточно велико и скорость окисления масла большая. В основном идет процесс нейтрализации кислых продуктов щелочными присадками.

V участок (220 - щ )- после срабатывания щелочных присадок в масле начип нают накапливаться кислые продукты, ухудшая его эксплуатационные свойства.

Данное первоначальное рассмотрение окислительных процессов в масле является основой теоретических представлений о работоспособности моторного масла. Зная скорость поступления продуктов окисления в работающее масло можно в первом приближении оценить эффективность их удаления в зависимости от наработки. В нашем случае можно делать предположение, что в период наработки масла 100 - 150 часов целесообразно провести технологические операции по удалению продуктов старения, что должно быть подтверждено экспериментальными исследованиями.

2.2 Моделирование процесса укрупнения мелкодипергированных частиц продуктов старения моторного масла для их эффективного удаления Работающее моторное масло - сложная дисперсная система. По мере наработки в масле накапливаются продукты сгорания топлива, термического разложения присадок, окисления масляной основы и т.д. При этом дисперсный состав загрязнений изменяется незначительно. Меняется количество загрязнений, а размер индивидуальных частиц продуктов старения масла остается в диапазоне 0,5 - 5 мкм и более. Массовая же доля загрязнений в работающем моторном масле по мере его наработки изменяется более существенно и при наработке 100 ч.

находится в диапазоне 0,1 - 0,5%, при 200 ч. - 0,5 – 1 %, при дальнейшем использовании масла 1 - 2 % и более.

Изменение дисперсного состава загрязнений в работающем масле по мере наработки можно наблюдать при рассмотрении дисперсного состава частиц загрязнений под микроскопом (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Изменение дисперсного состава частиц загрязнений При детальном рассмотрении можно заметить, что в загрязненных маслах наблюдается конгломерация, частиц загрязнений, но они не изменяются в размерах. Причем связь между частицами не прочна и при механическом воздействии происходит дробление конгломератов.

Так как размеры продуктов старения масла сосредоточены в дисперсном диапазоне 0,5 - 5 мкм и менее, существующие встроенные в систему смазки средства очистки работающего масла не могут полностью выполнять функции удаления загрязнений из–за низкого значения фактора разделения. В известных системах смазки тракторов встроенные центрифуги имеют частоту вращения не более 5000 об/мин [101, 102]. Для удаления из масла частиц загрязнений диаметром 0,1 - 1 мкм потребуется увеличение частоты вращения до 20 - 30 тыс. об/мин [103], что невозможно достичь на установленных штатных центрифугах двигателей тракторов.

На рисунке 2.2 представлены микрофотографии проб масел, с различной наработкой Другим более адекватным подходом к решению проблемы удаления продуктов старения из работающего моторного масла центрифугированием может быть дестабилизация дисперсной среды и укрупнение частиц загрязнений.

Среди известных методов наиболее приемлемым считается коагуляция загрязнений.

В разбавленной, слабозагрязненной системе масла вероятность одновременного столкновения трех частиц загрязнений масла мала. Если учитывать соударения двух частиц, то описание коагуляции можно рассматривать только как серию последовательных бимолекулярных реакций между двумя одиночными частицами, одиночной и двойной и т.д. Тогда частота столкновения m-мерной частицы (агрегата, содержащего m первичных частиц) с n-мерной частицей определяется их концентрациями nm nn [104]:

где FCE – константа скорости столкновения частиц;

Константа скорости этого процесса слабо зависит от размеров частиц и при их близких размерах равна [105]:

где Z – вязкость дисперсионной среды масла, мм2/с; k – константа Больцмана Дж/К; Т – температура, К;

При каждом столкновении два агрегата объединяются в один. Изменение суммарного числа агрегатов ; всех размеров (от m = 1 до 30) во времени описывается дифференциальным уравнением Смолуховского [105]:

Решим уравнение (2.9) методом разделения переменных:

Проинтегрируем обе части.

В начальный момент времени 5 = 0 количество агрегатов равно ;3.

Таким образом, уравнение Смолуховского может быть записано так:

Иначе его можно записать следующим образом.

Здесь время коагуляции 58, представляет собой время уменьшения агрегатов вдвое. Это означает, что функция времени может быть записана как:

Допустим, что начальное количество агрегатов ;3, изменяется экспоненциально т.е.:

где i – параметр эффективности коагуляции;

Найдем параметр f. В начальный момент времени 58 = 0, количество агрегатов равно ;3, следовательно:

и (2.19), получим:

Прологарифмируем обе части:

Тогда i – параметр эффективности коагуляции:

Подставив (2.22) в (2.19) получим:

На основании полученного теоретического анализа графически изобразим снижение количества n – агрегатов от времени 5 кратном 58 (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 – Зависимость снижения количества агрегатов (n) загрязнений Агрегативная устойчивость масляной системы в очень сильной степени зависит от состава дисперсной среды и может быть значительно изменена введением очень малых количеств электролитов. Моделируя процесс можно убедиться, что при введении в работавшее моторное масло незначительного количества водного раствора карбамида, резко интенсифицируется процесс коагуляции загрязнений. Водный раствор карбамида является электролитом и при увеличении содержания карбамида в воде электропроводность смеси изменяется в соответствии с известной закономерностью, показанной на рисунке 2.4, полученной эмпирическим путем.

Рисунок 2.4 – Изменение удельной электропроводности водного раствора В зоне I электропроводность не нарастает, в зоне II нарастает быстро и стабилизируется, и даже замедляется в зоне III.

Однако данные предположения и известные гипотезы требуют экспериментального подтверждения.

При решении задачи очистки работающего моторного масла от продуктов старения необходимо сделать некоторые пояснения по характеру процесса коагуляции.

Для снижения скорости загрязнения деталей двигателя отложениями, моторные масла обладают моюще-диспергирующими свойствами, обеспечиваемые действием специальных присадок [8, 94]. Под диспергирующей способностью масла, как известно, понимают свойство масла препятствовать слипанию (коагуляции), частиц загрязнений, удерживать их в состоянии устойчивой суспензии.

Механизм действия присадок основан на создании электрического заряда на частицах загрязнений. Взаимоотталкивание одноименно заряженных частиц препятствует их укрупнению, наиболее эффективно моюще-диспергирующие присадки действуют на частицы 1 - 5 и более мкм. Эффективность моющедиспергирующих присадок снижается в присутствии воды.

При разработке нового способа очистки работающих моторных масел от продуктов старения (смол, асфальтенов карбенов, карбоидов) – необходимо создать условия кратковременного воздействия на присадку с целью ослабления и нейтрализации ее пептизационного свойства, не затрагивая активной части присадки.

Подтверждение данному противоречивому факту можно найти только экспериментальным путем.

2.3 Оценка эффективности центробежного удаления продуктов Одним из недостатков центрифуг используемых для очистки масел в системах смазки тракторов является их низкая эффективность при удалении мелкодиспергированых частиц загрязнений, характеризуемая минимальным диаметром частиц гарантированно осаждаемых при проходе через средство очистки (как уже многократно упоминалось).

4000 - 5000 об/мин, а это говорит об их низком разделяющем факторе. Частицы загрязнений сосредоточенные в диапазоне 0,1 - 5 мкм, во время работы тракторных центрифуг остаются в масле, циркулируя по системе смазки, образуя отложения в масляных каналах.

Практическими наблюдениями установлено [54], что за период наработки 125 ч толщина слоя отложений в роторах тракторных центрифуг не превышает 5-10 мм, а при очистке отработанных масел с предварительной коагуляцией мелкодиспергированых загрязнений [54] в специально разработанных центрифугах этот показатель составляет 30 – 40 мм, за 1 ч работы центрифуги [54]. Такой вариант центрифуги предполагается реализовать в качестве дополнительного средства для удаления продуктов старения из работающего масла (рис. 2.5).

Принципиально это происходит следующим образом. Поток загрязненного моторного масла, попадая в корпус ротора центрифуги 1 заполняет полость между корпусом и гильзой 2, далее поступает в канал 3 колонки 4 выходя через сопла 5 расположенные в основании ротора центрифуги 6. За счет разнонаправленности потоков масла, ротор центрифуги начинает вращаться. Достигая определенной угловой скорости ротора, дисперсная система «масло – инородные примеси»

находящаяся в полости стакана под действием поля центробежных сил во много раз превышающих силы тяжести, стремится к стенке стакана ротора.

1 –ротор центрифуги; 2 – гильза; 3 – канал колонки; 4 – колонка;

5 – сопла; 6 – основание ротора; 7 –корпус центрифуги;

Рисунок 2.5 – Схема центрифуги для удаления продуктов старения По мере их удаления от центра вращения скорость движения инородных частиц увеличивается за счет возрастания силы тяжести. Если инородные частицы, достигшие под действием центробежного поля внутренней поверхности стакана ротора и при определенной величине центробежного поля удерживаются на стенке, они считаются отделившимися, а исходный поток масла очищенным от части инородных примесей.

За счет давления потока исходного масла очищенный поток перемещается в верхнюю часть полости, очищенное масло уходит по каналу колонки, далее проходя через сопла и попадая на стенку корпуса центрифуги 7 стекает в систему смазки. Многократно циркулируя, поток исходного масла освобождается от инородных примесей определенного размера. Минимальный размер удаляемых частиц 5 - 10 мкм, для удаления частиц меньшего размера необходимо увеличение поля центробежных сил за счет увеличения угловой скорости ротора, что требует внесения изменений в конструкцию центрифуги.

Между тем из теории центрифугирования известно, что предельный размер улавливаемых частиц определяется выражением [106]:

– время осаждения частиц, с; v – кинематическая вязкость масла, мм2/с;

где w, x – границы пути осаждения частиц продуктов старения в роторе центрифуги, м;

y – угловая скорость вращения ротора, рад/с;

= bzпс zм c/zм – относительная разность плотностей дисперсной фазы загрязнений (продуктов старения) zпс и очищаемого масла zм.

Время осаждения частиц:

где ~ – высота ротора, м; I - осевая скорость потока масла в роторе, м/с;

Осевая скорость:

– расход очищаемого масла, проходящего через ротор, м3/с; € площадь где сечения рабочей части ротора, м;

Подставив (2.26) в выражение (2.25), получим:

Подставляя (2.27) в (2.24) получаем:

Таким образом, для центрифуги, рассматриваемой нами конструкции рисунок 2.5, 2,6 наименьший диаметр гарантированно улавливаемых частиц можно рассчитать по формуле (2.28).

Определение предельного диаметра _п задерживаемых частиц в нашем конкретном случае не позволяет дать количественную оценку эффективности работы центрифуги так как для этого необходимо знать дисперсный состав продуктов старения в очищаемом масле.

Рисунок 2.6 – Схема рабочей части ротора рассматриваемой центрифуги Предположим, что за счет коагуляции загрязнений в работающем моторном масле обеспечиваемых действием электролита (водного раствора карбамида) _D _п пропорционально площади рабочей части центрифуги.

При этом площадь осаждения частиц в роторе может быть определена, как:

где …D – путь осаждения частиц _D за время пребывания их в роторе, м;

Величина задерживаемых частиц диаметром _D составит:

где ‹ – общая площадь полости центрифуги, м2, "•" – ширина полости определяется по формуле [106]:

Аналогично, путь осаждения частицы диаметром _D :

Подставляя (2.32) и (2.31) в (2.30) получим:

Коэффициент пропуска:

Однако, полученное выражение характерно скорее всего для однократного прохождения частицы через центрифугу. Вероятность ее осаждения не является достаточно высокой. В общем объеме масла при прохождении частиц продуктов старения через центрифугу когда их концентрация велика, степень очистки является важным показателем.

После каждого прохода масла через центрифугу концентрация продуктов После следующих проходов:

где n – число проходов масла через центрифугу;

Из выражений (2.36) получим:

Перемножая между собой правые и левые части выражений получим:

Или с учетом (2.33):

Полученное выражение справедливо для частиц определенного диаметра.

В нашем случае диапазон частиц продуктов старения (загрязнений) варьирует от 0,1 до 5 мкм. С учетом решения условий укрупнения частиц их предварительной коагуляцией, суммарный коэффициент пропуска центрифуги (D ) можно найти определив коэффициенты для каждой отдельной фракции.

2.4 Обоснование совокупного показателя эффективности удаления продуктов старения и работоспособности моторного масла В процессе работы моторного масла в двигателях внутреннего сгорания изменяется его вязкость, загрязненность, срабатываются присадки. Как указанно в разделе 1.1 данные свойства работающего масла взаимосвязаны и, в целом, характеризуют процесс его старения.

В настоящее время в химмотологии отсутствует единичный показатель характеризующий качество работающего моторного масла, необходимый и достаточный для оценки эффективности восстановления его свойств и предела работоспособности.

Существует достаточно много методов которые предполагают использование того или иного физико-химического показателя для оценки качества работающего моторного масла, различные комбинации показатели как критерии оценки работоспособности [ 107 ]. Однако все данные исследования и разработанные методы направлены в основном на решение задач своевременной замены масел, полностью отработавших свой ресурс.

Как уже отмечалось в разделе 1.1 в процессе старения в масле накапливаются продукты сгорания топлива, разложения присадок, образующие продукты окисления, которые при физико-химическом анализе могут характеризоваться изменением содержания нерастворимого осадка, щелочного числа, кислотного числа работающего масла.

Щелочное и кислотное число, работающего масла являются важнейшими показателями, свидетельствующими о содержании и срабатываемости присадок в масле. Так, в ряде известных технологий продления сроков службы моторных масел и их замены по фактическому состоянию, щелочное число рассматривается как основной браковочный показатель [31].

Срок службы масла во многом зависит от исходного и остаточного содержания в нем антиокислительных, противоизносных и противозадирных присадок, определяемых щелочным числом как значение не менее 6,0 мг (КОН)/г. для свежего масла и 1,5 - 2,5 мг (КОН)/г для масла отработавшего свой ресурс [6, 108].

Кислотное число свежего масла имеет значение от 1 мг (КОН)/г до 1,5 мг (КОН)/г и по мере наработки может увеличиваться.

В принципе кислотное число масла косвенно связано с содержанием присадок и по мере их срабатывания (наработки) должно уменьшаться, однако накапливающиеся в масле продукты окисления, старения масла искажают фактическое значение данного параметра, который зачастую даже не рассматривают как браковочный показатель срока службы или работоспособности масла.

Вместе с тем как, показывают результаты многолетних исследований по очистке отработанных масел [109], если из отработанного масла удалить 80 - 90 % смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов, то кислотное число уменьшится с 1,5 до 0,3 - 0,5 мг (КОН)/г. С учетом щадящих воздействий на остаточную базу присадок [98] можно предположить, что данная степень очистки так же характеризует остаточное содержание присадок (т.е. содержание присадок уменьшилось в 3 - 5 раз).

Для анализа изменения кислотного числа работающего моторного масла проведен не сложный математический анализ. Кислотное число, косвенно определяющее накопление продуктов окисления, с течением времени обозначим Кк (t).

Скорость изменения кислотного числа выражается уравнением:

где – константа скорости (отражает увеличение кислотного числа); В – дополнительный параметр;

Проведем разделение переменных:

Проинтегрировав, получим:

Константу С` запишем в виде С`= ln С, тогда:

Используя начальные условия 53 = 0, 8 b53 c = 1мг bКОНc/г K › bt 3 c = Ce3 = 1; получаем C = 1.

Т.к. кислотное число масла зависит от содержания присадок - Pbtc и продуктов окисления, старения масла Pокс btc, то параметр:

Зависимость кислотного числа масла от содержания присадок и продуктов окисления и старения масла:

Здесь функция P(t) – убывает, а Pокс btc возрастает.

Из (2.47) определим время увеличения кислотного числа масла:

Анализ изменения содержания нерастворимого осадка в отработанном моторном масле при очистке в поле центробежных сил с 1,0 % до 0,1 - 0,2 % указывает на взаимосвязь данного показателя со значением кислотного числа как показателя эффективности удаления продуктов старения [66].

Рассмотрим функцию b5c, показывающюю количество загрязнений или продуктов окисления которое поступило в масло, в момент времени 5. Пусть масло отработало в течение периода времени 5E. Посчитаем, какое количество загрязнений поступило в него за это время. Для этого разделим период 5E на ;

частей [110].

Обозначим 58 - длину k-ой части т.е.:

Возьмем в каждой части произвольно по точке 58, определим величину загрязнений b58 c и составим сумму произведений:

Полученная сумма называется интегральной суммой для функции xbtc, и при 58 равна определенному интегралу:

Таким образом, за время 58 в масло поступило загрязнений:

Если не фиксировать 5E, а взять произвольно, то получим формулу для определения количества загрязнений, поступивших в масло за время 5:

Если в течение срока службы масло подвергалось очистке, то количество накопившихся загрязнений будет меньше. Рассмотрим график случае область определения функции можно разбить на конечное число частей так, Рисунок 2.7 –Характер процесса накопления продуктов старения в работающем моторном масле при их периодическом удалении (очистке) что внутри каждой из них сама функция и ее производная являются непрерывными. При этом точки разбиения – это моменты времени, в которые происходила очистка масла. Если масло подвергалось очистке, то кусочно-гладкой функции.

Определим количество загрязнений, поступившее в масло в случае, его периодической очистки.

Пусть процедура очистки производилась ; раз в моменты времени 5/, 5,..., 5E, тогда / b5c, b5c,..., E b5c – количество загрязнений поступивших в масло, за отрезки времени 53, 5/ °, 5/, 5 °,..., 5E /, 5E °, Исходя из формулы (2.53) получим:

Обозначим b5c количество загрязнений поступивших в масло, за время 5, учитывая, что масло очищалось, тогда:

Разница между количеством загрязнений, поступивших в масло без его очистки и с очисткой равна:

Наибольший эффект удаления загрязнений при равном числе произведенных очисток масла, можно достичь, если очистка будет производится через равные промежутки времени.

Тогда формулу (2.56) можно записать в виде:

t – время использования масла.

Необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований по обоснованию совокупного показателя качества работающего моторного масла объяснятся отсутствием научно-обоснованного, доступного критериального параметра оценки состояния и свойств масла для своевременной его очистки от продуктов старения. Что в конечном результате может значительно продлить срок службы работающего моторного масла, снизить износ деталей двигателя и уменьшить затраты на ремонт и эксплуатацию сельскохозяйственной техники.

Разработка технологического процесса продления сроков службы работающих масел, восстановления их эксплуатационных свойств, путем удаления продуктов старения предусматривает обязательный периодический контроль загрязненности масла и щелочного числа. Организация периодического контроля качества масла в работающей технике для проведения операции по его очистке от смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов в условиях сельскохозяйственных предприятий представляется довольно сложной задачей. Использование лабораторных методов анализа физико-химических показателей масел предусматривает применение сложного, дорогостоящего оборудования и специалистов, что ограничивает возможность их реализации в современных сельхозпредприятиях.

Поэтому хорошо зарекомендовавшей себя альтернативной заменой лабораторного анализа может служить технология экспресс-контроля качества масел [28, 29].

Для экспресс оценки эксплуатационных свойств работающих моторных масел предлагается использовать совокупный показатель качества, отражающий и состояние свойств масел в динамике и качество очистки от продуктов старения.

Применение такой методики позволяет отказаться от регламентной неэффективной замены масла и продлить срок его службы. В качестве совокупного показателя качества принят показатель СКрмм, характеризующий взаимосвязь состояния масла с параметрами технологического процесса очистки работающих моторных масел от продуктов старения. Он выражается суммой единичных оценочных показателей. Применение этого показателя повышает адекватность оценки свойств масел в условиях реальной эксплуатации сельскохозяйственной техники.

По аналогии с известными решениями определения обобщенных комплексных показателей качества масел [111] совокупный показатель качества работающих моторных масел определяется по формуле:

где FD - показатель качества работающего моторного масла по i-ому параметру, балл; n - число оцениваемых диагностических показателей; Fп - предельно допустимое значение совокупного показателя качества, соответствующее надежной работе двигателя, баллы;

Выражение (2.59) показывает, что ухудшение качества работающего моторного масла наблюдается при увеличении совокупного показателя оценки эксплуатационных свойств очищенного от продуктов старения масла СКрмм.

Показатели качественного состояния очищенного от продуктов старения моторного масла, по которым оценивают его эксплуатационные свойства и определяется срок службы масла, были разделены условно на две группы (рис. 2.8).

1 группа Рисунок 2.8 – Оценочные показатели качества работающего моторного С учетом выбранных оценочных показателей, выражение (2.58) можно записать в следующем виде:

где Кнзс - показатель качества очистки работающих масел от нерастворимых загрязнений и продуктов старения, баллы; Кщч - показатель качества очистки и срока службы масла по щелочному числу, баллы;

Если показатель качества очистки ( Кнзс ) от нерастворимых загрязнений (продуктов старения – смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов) в принципе прогнозируем и стремится к нулю, то показатель качества очистки по щелочному числу является единовременным и только относительно может характеризовать остаточный «запас прочности» масла и срок его службы. В соответствии с чем Кщч может быть записан следующей формулой:

где Щим - щелочное число исходного масла, мг КОН/г; Щпр - предельное значение щелочного числа, мг (КОН)/г (Щпр = 2мг жительность использования масла (наработка 100, 200, 300 часов); где Х – поправочный коэффициент: определяемый - Щтов.м/Щисх.

где Щтов.м – щелочное число товарного масла, по нормативному документу [108] (для масла М-10Г2к – 6мг (КОН)/г); Щисх – щелочное число исходного масла определяемого на момент начала использования мг (КОН)/г.

лочного числа и может быть обозначен через Щ, тогда выражение (2.60) может быть записано:

Например Щтов.м = 6 мг (КОН)/г Щисх - 5,8 – Х = 1,3. Если щелочное число соответствует требованиям ГОСТ т.е. > 6мг КОН/г, то Х = 7/5,8 = 1,2.

При оценке качества очистки работающего масла от нерастворимых загрязнений Кнзс требуется знание характера и темпов их накопления в период наработки.

При очистке масла от продуктов старения ресурс масла (по загрязненности) может достигать 90 – 95 % от ресурса свежего масла, т.к. масло после очистки должно практически полностью освобождаться от смол, продуктов окисления и углеводородов.

Теоретический анализ и разработка метода определения работоспособности масла по щелочному числу проводилась совместно с аспирантом Поповым С.Ю.

Для более точной количественной оценки динамики накопления, удаления продуктов старения и представления ее в виде расчетных зависимостей требуется проведение исследований, в т.ч. в условиях эксплуатации.

Вместе с тем, путем несложных выкладок можно получить расчетное выражение, позволяющее оценить ресурс масла по накоплению загрязнений (продуктов старения) или показатель качества очистки:

где пр - предельное содержание нерастворимых загрязнений (смол, асфальтенов и т.д.) % (масс); оч – содержание загрязнений в очищенном масле, % (масс);

- темп накопления загрязнений, % (масс); f – коэффициент учитывающий, отбор продуктов старения масла средствами очистки в двигателе (0,1 - 0,15).

где v - скорость поступления продуктов старения в работающее моторное масло при работе двигателя (30 мг/л.с. ч); N – мощность двигателя, л.с.; V – объем системы смазки двигателя, л; z - плотность масла кг/м3;

С учетом выше приведенного:

Обоснование оптимального технологического процесса очистки и удаления продуктов старения из работающего моторного масла предусматривает проведение многофакторного эксперимента и нахождение зависимости совокупного показателя качества работающего моторного масла от параметров технологического процесса очистки.

В общем случае, зависимость (2.59) можно записать как функцию:

где, – технологические параметры процесса очистки работающего моторного масла;

Выражение (2.65) показывает, что использование совокупного показателя качества очистки работающего моторного масла упрощает многофакторный анализ.

В общем случае, зависимость совокупного показателя качества очищенного масла СКрмм от n–го числа технологических параметров процесса очистки работающего моторного масла при его использовании, может быть выражена моделью уравнения первого порядка:

При этом оптимизация значений технологических параметров должна исходить из условия обеспечения запаса качества и свойств очищенного работающего масла т.е.:

Таким образом, разработанный совокупный показатель характеризует качество очистки работающего моторного масла по содержанию нерастворимых загрязнений (смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов) продуктов старения масла и щелочному числу как показателю запаса эксплуатационных свойств.

1. В результате теоретического анализа процессов старения работающих моторных масел определены тенденции накопления продуктов окисления, смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов, в зависимости от наработки масла.

Установлено, что скорость поступления продуктов окисления работающего моторного масла пропорциональна некоторому обобщенному коэффициенту ок и описывается выражением (2.6).

В плане интерпретации выдвинутой гипотезы снижения окислительных процессов и продления сроков службы работающего моторного масла за счет периодического удаления продуктов старения можно предположить некоторые уточнения графически представленного (рисунок 2.1) процесса, которые следует подтвердить лабораторными, стендовыми и производственными испытаниями.

2. Установлено, что известными встроенными в систему смазки машин средствами очистки масел удалить мелкодиспергированные продукты старения невозможно, а дестабилизация дисперсной среды загрязнений и их укрупнение может быть произведено методом коагуляции. Получена зависимость снижения количества агрегатов загрязнений или продуктов старения от времени коагуляции описываемые выражениями (2.17, 2.23), что теоретически дает основание полагать о возможности изменения агрегатной устойчивости масляной системы за счет введения очень малых количеств электролитов в виде водного раствора карбамида.

3. Оценка эффективности центробежного удаления продуктов старения из работающих моторных масел подтвердила необходимость разработки нового способа очистки масла, а определение величины предельного диаметра задерживаемых частиц может быть осуществлено согласно выражению 2.29. С учетом решения условий укрупнения частиц их предварительной коагуляцией суммарный коэффициент пропуска центрифуги ( D ) можно найти определив коэффициенты для каждой отдельной фракции и установить оптимальные конструктивные параметры центрифугирования и самой центрифуги.

4. Обоснование совокупного показателя эффективности удаления продуктов старения из работающего моторного масла позволило установить закономерность изменения скорости кислотного числа выражаемого уравнением (2.40) и определить время увеличения кислотного числа масла t (формула 2.47), так же установлено, что наибольший эффект удаления продуктов старения при равном числе производимых очисток масла можно достичь, если очистка будет производится через равные промежутки времени (2.57). Получено расчетное выражение позволяющее оценить ресурс масла по накоплению продуктов старения или показатель качества очистки нзс (2.62, 2.54). В общем случае, зависимость совокупного показателя качества очищаемого масла СКрмм от n-го числа технологических параметров очистки работающего моторного масла при использовании для математического описания модели уравнения первого порядка может быть выражена как функция (2.67) характеризующая качество очистки по содержанию нерастворимых загрязнений, продуктов старения и щелочному числу масла, как показатель запаса эксплуатационных свойств работающего моторного масла.

3 ПРОГРАММА И МЕТОДИКИ ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Выполнение исследований проводилось с использованием материальнотехнических баз ГНУ ВНИИТиН, ГНУ ГОСНИТИ, ТГТУ, в сотрудничестве с сельскохозяйственными организациями Тамбовской области.

Физико-химические исследования проб масел осуществлялись в условиях химической лаборатории ГНУ ВНИИТиН, лаборатории кафедры «Материалы и технологии» ТГТУ с использованием ГОСТированных и оригинальных методик.

Стендовые и эксплуатационные испытания устройства и способа удаления продуктов старения из работающих масел проводились на оборудовании лаборатории №8 ГНУ ВНИИТиН и сельскохозяйственной технике, по договоренности с с/х предприятиями Тамбовской области по оригинальным методикам.

3.1 Оценка характеристик работающих моторных масел В соответствии с целью и задачами исследований разработана методика определения характеристик работающих и очищенных моторных масел.

В основу определения свойств масел в первую очередь положен принцип изначального анализа важнейших показателей старения масел. К которому в первую очередь следует отнести содержание нерастворимого осадка, кислотного числа.

Содержание нерастворимого осадка характеризует наличие в масле смол, асфальтенов, продуктов термического разложения присадок и основы масла, сажи образующейся при сгорании топлива, карбенов и карбоидов.

Вторым по важности может быть значение кислотного числа масла.

Третьим – щелочное число масла, которое при его уменьшении косвенно констатирует о срабатывании основных антиокислительных, моющедиспергирующих и противоизносных присадок способствующих замедлению процессов старения масла.

Для оценки накопления продуктов старения масла так же важно знать вязкость масла – она увеличивается с их ростом.

Термоокислительная стабильность – показатель, характеризующий свойства масел противостоять окислению.

На рисунке 3.1 представлены фотографии оборудования, применявшегося для определения физико-химических свойств масел.

а) РН-метр для определения кислотного и щелочного числа масел;

б) аппарат для определения температуры вспышки в закрытом тигле; в) вискозиметр в штативе, для определения вязкости масла; г) аппарат «Папок» для определения термоокислительной стабильности масел;

Рисунок 3.1 – Оборудование для определения свойств масел В ходе проведения исследований определялись физико-химические показатели свежего моторного масла, проб работающего моторного масла различной степени загрязненности и временем наработки.

Физико-химические показатели масел определялись методами установленными ГОСТами:

1. Определение кинематической вязкости [112];

2. Определение кислотного числа [113];

3. Определение щелочного числа [113];

5.Определение цвета [114];

6. Определение содержания механических примесей [115];

7.Термоокислительная стабильность по [116];

8. Определение содержания нерастворимого осадка [16];

Определение всех свойств, характеристик и полученных показателей сопоставлялось с предельно допустимыми показателями для работающих моторных масел.

Помимо оценки физико-химических показателей по методикам ГОСТ проводился экспресс-анализ вязкости, щелочного числа [ 117 ], загрязненности работающего моторного масла методом капельной пробы, кроме того проводился анализ состава механических примесей с использованием микроскопа «Биолам» и микрофотосъемки образцов проб в условиях химической лаборатории и по специально разработанным методикам ГНУ ВНИИТиН 3.2 Определение дисперсного состава загрязнений работающего Свойства и состав загрязнения оценивают целым рядом показателей, из которых следует отметить численную концентрацию и дисперсный состав загрязнений. Дисперсный состав загрязнений является одним из важнейших показателей, по которому определяется размер частиц загрязнений, эффективность удаления загрязнений, характер процесса коагуляции.