УДК 621. 892.1 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ ПРОДУКТОВ

Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 2
Depending on the identification between filling ratio of the cylinder and change in
lehgth of the intake manifold of the rotary cylinder valve engine
Key words: filling ratio, manifold, mathematical model
Yelagin Mikhail Yurievich, doctor of technical sciences, professor, ivanlunin89@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Lunin Ivan Yurievich , postgraduate, ivanlunin89@mail.ru, Russia, Tula, Tula State
University,
Khmelev Roman Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, ivanlunin89@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621. 892.1
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЕ ПРОДУКТОВ ТЕМПЕРАТУРНОЙ
ДЕСТРУКЦИИ НА ПРОЦЕССЫ ОКИСЛЕНИЯ МИНЕРАЛЬНОГО
МОТОРНОГО МАСЛА
Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, Д.В. Агровиченко,
А.В. Берко, В.Г. Шрам
Представлены результаты исследования состава продуктов окисления предварительно термостатированного минерального моторного масла «Лукойл Стандарт
10W-40 SF/СС» в диапазоне температур от 140 до 240 °С. Определено влияние продуктов температурной деструкции на процессы окисления и испарения.
Ключевые слова: термоокислительная стабильность, температурная стойкость, первичные и вторичные продукты окисления, скорость окисления, энергия, поглощенная продуктами окисления, потенциальный ресурс, скорость поглощения тепловой энергии.
В процессе эксплуатации двигателей внутреннего сгорания моторные масла подвергаются окислению, температурной и механической деструкциям. Продукты окисления и неполного сгорания топлива ускоряют
химические реакции с металлическими поверхностями деталей. Все эти
процессы протекают на поверхностях трения одновременно в тонких масляных слоях. В этой связи важное значение приобретают исследования
влияния продуктов температурной деструкции на процессы окисления, т.к.
это позволяет установить температурную область работоспособности моторных масел, что является целью настоящих исследований.
Для исследования применялись следующие средства контроля и
измерения: прибор для определения термоокислительной стабильности;
230
Транспорт
фотометр; прибор для термостатирования масле в диапазоне температур от
140 до 300 °С; малообъемный вискозиметр; электронные весы.
Техническая характеристика приборов и методика испытания представлены в работе [1].
В качестве объекта испытания выбрано минеральное всесезонное
универсальное моторное масло «Лукойл Стандарт» 10W-40 SF/СС. Данное
масло термостатировалось в диапазоне температур от 140 до 240 °С с повышением температуры на 20 °С без перемешивания и доступа воздуха,
после чего подвергалось окислению при температуре 180 °С с перемешиванием. Степень окисления оценивалась путем прямого фотометрирования
и определением коэффициента поглощения светового потока.
Результаты окисления предварительно термостатированных масел
представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Зависимости коэффициента поглощения светового потока
от времени температуры термостатирования минерального моторного масла «Лукойл Стандарт» 10W-40 SF/СС: 1 – товарное;
2 – 140 °С; 3 – 160 °С; 4 – 180 °С; 5 – 200 °С; 6 – 220 °С; 7 – 240 °С
Установлено, что зависимости коэффициента поглощения светового потока КП от времени окисления имеют изгиб независимо от температуры термостатирования, что указывает на образование двух видов продуктов различной оптической плотности.
Данные продукты названы первичными и вторичными. Начало образование вторичных продуктов определяется продлением участка зависимости после точки изгиба до пересечения с осью абсцисс.
Зависимости К П = f (t ) описываются кусочно-линейными уравнениями вида:
К П = а ⋅ (t − t Н ) ,
(1)
где a – скорость образования первичных или вторичных продуктов окисления, 1/час; t – время окисления, час; tН – время начала образования первичных или вторичных продуктов окисления, час.
Анализ полученных зависимостей показал, что как для товарного
масла (кривая 1), так и для предварительно термостатированных (кривые
2-7) процесс окисления начинается через определенный период времени,
названный областью сопротивления окислению, продолжительность кото231
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 2
рой увеличивается с повышением температуры термостатирования выше
200 °С. Аналогично увеличивается время начала образования вторичных
продуктов окисления.
При окислении предварительно термостатированных масел их летучесть уменьшается с повышением температуры (рис. 2) и объясняется
испарением легких фракций при термостатировании. Так, после 40 часов
окисления термостатированного масла при температуре 240 °С летучесть
составила 6,6 граммов, а товарного масла без термостатирования – 9,6
граммов, т.е. уменьшилась на 45 %.
Рис. 2. Зависимость летучести моторного масла «Лукойл Стандарт»
10W-40 SF/СС от температуры термостатирования после 40 часов
окисления
При окислении масел избыточная тепловая энергия выделяется в
виде продуктов окисления и испарения, количество которой предложено
оценивать коэффициентом термоокислительной стабильности ЕТОС, характеризующим свойства смазочных масел, определяемым суммой:
EТОС = К П + К G ,
(2)
где КG – коэффициент летучести:
КG =
m
,
M
(3)
где m и M – масса испарившегося масла за время окисления и масса оставшегося масла после окисления соответственно.
Зависимости коэффициента термоокислительной стабильности от
времени и температуры предварительного термостатирования представлены на рисунке 3. Данные зависимости описываются кусочно-линейными
функциями за счет изгиба, который подтверждает образование первичных
и вторичных продуктов окисления различной статической плотности.
Так как коэффициент ЕТОС учитывает процессы окисления и испарения, то продолжительность области сопротивления термостатированию
уменьшается по сравнению с данными, приведенными на рисунке 1.
Влияние температуры предварительного термостатирования минерального масла на интенсивность процессов окисления предложено оценивать по показателю потенциального ресурса Р, определяемого по зависи232
Транспорт
мости EТОС = f ( t ) при EТОС = 0,9 ед. (рисунок 4). Установлено, что при температурах термостатирования 140 и 160 °С потенциальный ресурс масел
при окислении равен потенциальному ресурсу товарного масла (54 часа).
Увеличение ресурса наступает в диапазоне температур от 150 до 220 °С, а
дальнейшее повышение температуры вызывает стабилизацию показателя
ресурса. Полученные результаты показывают, что предварительное термостатирование минерального масла при температуре 220 °С замедляет процессы окисления и увеличивает потенциальный ресурс с 54 часов для товарного масла до 73 часов, т.е. на 35 %.
а
б
Рис. 3. Зависимости коэффициента термоокислительной
стабильности от времени окисления и температуры термостатирования моторного масла «Лукойл Стандарт 10W-40 SF/СС»:
1 – товарное; 2 – 140 °С; 3 – 160 °С; 4 – 180 °С; 5 – 200 °С; 6 – 220 °С;
7 – 240 °С
Рис. 4. Зависимости потенциального ресурса при окислении
минерального масла «Лукойл Стандарт 10W-40 SF/СС»
от температуры предварительного термостатирования
(EТОС = 0,9 ед.)
На основе полученных зависимостей К П = f ( t ) и EТОС = f ( t ) создана
физическая модель (рисунок 5) процессов окисления, объясняющая механизм этого процесса, заключающегося в последовательном образовании
под действием температуры первичных продуктов окисления, переходя233
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 2
щих во вторичные.
Рис. 5. Физическая модель процессов окисления
В этой связи процесс окисления предполагается оценивать четырьмя периодами, продолжительность которых определяется графически (рисунок 5).
Первый период термостатирования масла назван областью сопротивления I, в которой окислительные процессы практически отсутствуют
из-за недостаточного количества поглощенной тепловой энергии.
Второй период термостатирования (область II) характеризует образование первичных продуктов. Его продолжительность определяется от
времени начала образования первичных продуктов tОП до времени начала
образования вторичных продуктов окисления tОВ. При достижении определенной концентрации первичных продуктов КП1 начинают образовываться
вторичные продукты.
Третий период (область III) характеризуется образованием как первичных, так и вторичных продуктов окисления. Продолжительность этого
периода определятся от времени начала образования вторичных продуктов
tОВ до времени начала изгиба зависимости К П ( EТОС ) = f ( t ) tИ. В этот период
термостатирования масла увеличивается концентрация как первичных, так
и вторичных продуктов окисления от КП1 до КП2 и зарождаются центры
коагуляции вторичных продуктов окисления, количество которых увеличивается с ростом концентрации первичных продуктов окисления.
Это явление можно наблюдать, если на стеклянную подложку нанести слой окисленного масла, и через некоторое время за счет поверхностного натяжения начнут образовываться сгустки, количество которых
увеличивается с ростом концентрации первичных продуктов (от КП1 до
КП2). Размеры этих центров таковы, что при пропускании монохроматического света (красный спектр) происходит дисперсия света, не оказывающая влияния на коэффициент поглощения светового потока при фотометрировании окисленных масел. По этой причине сохраняется линейность
участка зависимости от tОП до tИ. Однако при увеличении первичных про234
Транспорт
дуктов до КП2 количество центров увеличивается и при концентрации КП2
они вызывают изгиб зависимости.
Четвертый период (область IV) характеризуется колебаниями концентрации первичных продуктов около значения КП2 и преобразованием их
во вторичные продукты с большей оптической плотностью, т.е. в этот период термостатирования стабилизируется концентрация первичных продуктов и увеличивается концентрация вторичных продуктов.
В этой связи площадь под кривой зависимости К П = f ( t ) определяет
количество избыточной тепловой энергии, поглощенной продуктами окисления, а площадь под кривой зависимости EТОС = f ( t ) определяет суммарную энергию, поглощенную как продуктами окисления, так и продуктами
испарения.
Влияние температуры термостатирования на процессы окисления
минерального масла исследовалось по количеству тепловой энергии, поглощенной маслом при образовании первичных и вторичных продуктов с
учетом процессов окисления и суммарной энергии. При определении энергетических показателей использовались зависимости EТОС = f (t ) Результаты
исследования представлены на рисунке 6, а.
Рис. 6. Зависимости количества тепловой энергии, поглощенной
первичными (1) и вторичными (2) суммарными продуктами окисления
(3) (а) и средней скорости их образования (б) от температуры
термостатирования
Согласно представленным данным видно, что зависимости энергии,
поглощенной первичными продуктами окисления (кривая 1) и вторичными
продуктами (кривая 2), от температуры предварительного термостатирования масел находятся в противофазе, т.е. когда количество тепловой энергии, поглощенной первичными продуктами окисления, увеличивается,
энергия, поглощенная вторичными продуктами окисления, уменьшается.
Этим объясняется колебание энергии с увеличением температуры предварительного термостатирования масла и наличие эффекта перераспределения тепловой энергии между продуктами окисления.
Суммарная энергия (кривая 3), поглощенная продуктами окисления
235
Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 11. Ч. 2
и испарения в диапазоне температур от 140 до 160 °С, практически постоянна, но с дальнейшим повышением температуры предварительного термостатирования она увеличивается. Этим объясняется увеличение потенциального ресурса в диапазоне температур от 180 до 220 °С (рисунок 4).
Зависимости средней скорости поглощения избыточной тепловой
энергии продуктами окисления от температуры термостатирования представлены на рисунке 6б. Установлено, что зависимости средней скорости
поглощения энергии первичными (кривая 1) и вторичными (кривая 2) продуктами окисления в диапазоне температур от 140 до 240 °С находятся в
противофазе, т.е. с увеличением скорости поглощения энергии первичными продуктами скорость поглощения энергии вторичными продуктами
окисления уменьшается и наоборот. Однако средняя скорость поглощения
энергии суммарными продуктами окисления (первичными и вторичными)
с учетом испаряемости практически не зависит от температуры предварительного термостатирования и равна ≈0,3 ч – 1.
В результате проведенных исследований установлено:
1. Предварительное термостатирование минерального масла «Лукойл Стандарт» 10W-40 SF/СС замедляет процесс окисления, увеличивая
потенциальный ресурс на 35% при температуре термостатирования 200 °С.
2. Процесс окисления термостатированных масел не отличается от
процесса окисления товарного масла и характеризуется последовательным
образованием первичных продуктов, которые переходят во вторичные,
причем их образование происходит при определенной концентрации первичных продуктов.
3. Доказано наличие явления перераспределения избыточной тепловой энергии между продуктами окисления, вызывающее противофазное
колебание скоростей образования первичных и вторичных продуктов
окисления, а суммарная скорость поглощения энергии процессом окисления практически постоянна и не зависит от температуры термостатирования.
Список литературы
1. Термоокислительная стабильность трансмиссионных масел: монография / Б.И. Ковальский, Ю.Н. Безбородов, Л.А. Фельдман, Н.Н. Малышева. Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2011. 150 с.
Ковальский Болеслав Иванович, д-р техн. наук, проф., Labsm@mail.ru, Россия,
Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Безбородов Юрий Николаевич, д-р техн. наук, проф., Labsm@mail.ru, Россия,
Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Агровиченко Дарья Валентиновна, асп., dashuta2806@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
236
Транспорт
Берко Александр Валентинович, соискатель, BerkoA@rambler.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа,
Шрам Вячеслав Геннадьевич, канд. техн. наук, старший преподаватель,
Shram18rus@mail.ru, Россия, Красноярск, Сибирский федеральный университет, Институт нефти и газа
RESEARCH INFLUENCE OF PRODUCTS OF TEMPERATURE DESTRUCTION ON
PROCESSES OF OXIDATION OF MINERAL ENGINE OIL
B.I. Kowalski, U.N. Bezborodov, D.V. Agrovichenko, A.V. Berko, V.G. Shram
Results of research of structure of products of oxidation of previously temperaturecontrolled mineral engine oil «Lukoil Standard 10W-40 SF/CC» in the range of temperatures
from 140 to 240 °C are presented. Influence of products of temperature destruction on
processes of oxidation and evaporation is defined.
Key words: thermooxidizing stability, temperature firmness, primary and by-products
of oxidation, the oxidation speed, energy absorbed by oxidation products, a potential resource, speed of absorption thermal an energii.okisleniye and evaporations.
Kowalski Boleslav Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, Labsm@mail.ru,
Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Bezborodov Yuri Nikolayevich, doctor of technical sciences, professor,
Labsm@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Agrovichenko Darya Valentinovna, postgraduate, dashuta2806@mail.ru, Russia,
Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Berko Alexander Valentinovich, postgraduate, BerkoA@rambler.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and Gas,
Shram Vyacheslav Gennadevich, candidate of technical sciences, Senior Teacher,
Shram18rus@mail.ru, Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University, Institute of Oil and
Gas
237