Влияние продуктов термокаталитического окисления в дизеле на эксплуатационные свойства масел

Идея проведения данного исследования принадлежит моему учителю, д.т.н., профессору Шору Г. И. (1926;2008гг.).

Дизельные двигатели получают всё большее распространение как силовые и энергетические установки: стационарные дизели, судовые, тепловозные, автотракторные.

Повышенная шумность, слабая разгонная динамика и черные клубы дыма из выхлопной трубы и другие факторы были неотъемлемыми недостатками дизеля в прошлом. Многие новые дизели — практически такие же тихие и динамичные, как бензиновые версии. Сегодня ими оснащают автомобили представительского класса такие как: Audi А8, Volkswagen Phaeton, Mercedes S-Klasse, BMW-Хсерии, VOLVO, PEUGEOT и другие.

Наряду с двигателестроением всё более жесткие требования предъявляются к экологической чистоте эксплуатации техники. Так, загрязнение атмосферы Москвы выхлопными газами автомобилей ежегодно составляет 750 тысяч тонн. Из них около 600 тысяч тонн угарного газа (СО), около 40 тысяч тонн оксидов азота и более 110 тысяч тонн углеводородов. Состав выбросов дизельных двигателей отличается от бензиновых. В дизельном двигателе происходит более полное сгорание топлива. При этом образуется меньше оксида углерода и несгоревших углеводородов. Но, вместе с этим, за счёт избытка воздуха и высокого давления в дизельном двигателе образуется большое количество оксидов азота [1].

При эксплуатации дизельных двигателей существенным загрязняющим фактором являются сажистые продукты неполного сгорания топлива. Для снижения их вредного воздействия на атмосферу предложено использовать рециркуляцию отработанных газов в камере сгорания, что приводит к значительному накоплению сажистых продуктов в моторном масле. Кроме этого, к накоплению сажи в масле приводит снижение температуры воспламенения дизельного топлива для уменьшения количества оксидов азота в выхлопных газах.

Если учесть недостаточную культуру утилизации отработанных масел в России, то экологическая проблема становится ещё более острой.

Не менее важной является не только экологическая, но и экономическая проблема: сажевые суспензии участвуют в образовании отложений на деталях двигателя, забивают масляные фильтры, что приводит к снижению моторесурса двигателя, и более частому проведению сервисных работ при эксплуатации.

Таким образом, необходимость изучения возможностей и способов снижения вредного воздействия сажи при эксплуатации дизелей является актуальной. Несмотря на значительный опыт, накопленный в этом направлении различными исследователями, недостаточно изучена связь между объёмными и поверхностными свойствами масляных суспензий сажи, что может быть осуществлено при помощи короткосрочных, относительно дешёвых лабораторных методов исследования роли сажи в процессе применения дизельных масел.

В настоящее время использование длительных моторных и лабораторных методов становится всё более дорогостоящим. При этом весьма заманчивым и целесообразным можно считать использование лабораторных экспресс методов, моделирующих физико-химические условия работы масел в реальных условиях применения.

Результаты исследования товарного дизельного масла SAE 15W-40 API CI-4, работавшего 130 ч в двигателе CUMMINS и модельных образцов после окисления приведены на рисунке 17.

Анализ диаграмм рисунка 17, построенных по результатам исследования масел окисленных в лабораторных условиях моделирования работы товарного дизельного масла в верней поршневой канавке и работавшего товарного дизельного масла, показал достоверность моделирования с загрязнителем. Показатели потенциалов электризации дизельного масла с 5% (масс.) JIC после 1 часа окисления в пятишпиндельной установке и работавшего масла отличаются всего на 0,5 В. Величина потенциала электризации масла без сажи почти в девять раз выше, чем у образца окисленного с сажей и работавшего масла.

Известно [70], что если даже абсолютное значение электрокинетического потенциала определяется не совсем точно, то*всегда есть возможность получить правильную картину его изменения под влиянием различных факторов. Учитывая высокую сходимость результатов, полученных этим методом (+10мВ), измерение потенциала электризации масла можно считать довольно точным.

Близкие значения показателей электропроводности работавшего в двигателе товарного дизельного масла и образца товарного дизельного масла с сажей, окисленного в течение 1 часа, показывают наличие дисперсной фазы, обладающей достаточным зарядом для разрушения мицелл моюще-диспергирующих присадок и распределение их по объёму. Значения электропроводности у этих масел отличаются незначительно, а с товарным дизельным маслом SAE 15W-40 API CI-4, окисленным в течение 1 часа без модельного загрязнителя отличие составляет почти 2 раза.

Таким образом, в образце масла, окисленного без загрязнителя, качественное изменение незначительно, и образец масла обладает более высоким запасом работоспособности. 8.

CQ 6 4 2 0 uИЗ от а).

0. Потенциал электризации масла, окисленного в течение 1ч Потенциал электризации масла с 5% масс JIC, окисленного в течение 1ч.

Потенциал электризации масла, работавшего 130ч. в дизеле 7 б).

Ш Электропроводность масла, окисленного в течение 1ч Электропроводность масла с 5%масс ЛС, окисленного в течение 1ч масла.

Я Электропроводность масла, работавшего 130 ч. в дизеле в).

Дисперсность чачстиц в масле CI-4 после 1ч окисления.

0. Дисперсностьчастиц в масле CI-4 с 5% (масс) ЛС после 1ч окисления Дисперсность частиц в масле CI-4 после 130 ч. работы в дизеле.

Рисунок 17. Показатели дизельного масла CI-4 работавшего в дизеле и после лабораторного моделирования работы в дизеле: а) потенциал электризации масла относительно стального электродаб) электропроводность маселв) дисперсность частиц в масле.

Дисперсность частиц в работавшем масле выше на 20% этого показателя у масла, окисленного с сажей, но значительно ниже (на 57%) масла, окисленного без сажи. Это различие может быть объяснено, тем что, несмотря на близость JIC к саже накапливающейся в моторном масле при работе дизеля, полностью смоделировать загрязнение товарного дизельного масла не возможно. В реальном двигателе состав и количество дисперсной фазы в масле, зависит от применяемого топлива, режимов работы и технического состояния двигателя.

В ходе сравнения результатов исследования образцов масел, экспериментально показана возможность использования ЛС в качестве загрязнителя при лабораторном моделировании и изучении процессов высокотемпературных превращений дизельных масел в наиболее теплонапряжённых частях двигателей.

5.3. Влияние накопления сажи в дизельном масле на его антинагарные свойства.

Одним из главных требований, предъявляемых к современному дизельному маслу, является увеличение срока его работы в дизельном двигателе. Кроме того, нужно учитывать, что автопроизводители в целях увеличения мощности и выполнения экологических требований, модернизируют дизеля, повышают степень их форсированности преимущественно за счёт регулируемого наддува с охлаждением наддувочного воздуха. Это приводит к увеличению механической и термической нагруженности, что отражается на состоянии дизельных масел, особенно в дизелях легковых автомобилей. Двигатель легкового автомобиля должен быть компактным, что приводит к снижению количества масла, уменьшению объёма масляной системы и рабочего объема. Следовательно, ухудшаеются условийя смесеобразования и сгорания по сравнению с большим дизелем.

Чтобы получить необходимую мощность при малом рабочем объеме, помимо наддува увеличивают номинальную частоту вращения коленчатого вала, которая может быть в 1,5 — 2,5 раза больше, чем на тяжелых грузовиках. Отсюда рост тепловых и механических нагрузок от инерционных сил на детали двигателя и разделяющие их масляные пленки при сокращении времени смесеобразования. В связи с этим, дизели легковых автомобилей нередко изготавливали с разделенными камерами сгорания. Такая организация рабочего процесса, позволяя увеличивать скоростной режим, имеет существенный недостаток — приводит к образованию большого количества сажи. В связи с этим, сокращено производство таких дизелей.

К увеличению содержания сажи в дизельном масле приводит: увеличение сроков службы масел до замены, использование рециркуляции отработанных газов, снижение температуры конца сгорания, многофазный впрыск топлива и другое. Вследствие этого, изменяются вязкостно-температурные свойства масла, что отражается на работоспособности не только масла, но и на состоянии двигателя.

Для определения влиянияе накопления сажи на высокотемпературные поверхностно-объёмные свойства исследовано товарное дизельное масло SAE 15W-40 API CI-4, в которое для получения суспензий сажи вводилась JIC в разных концентрациях. При температуре 240 °C, полученные суспензии и чистое товарное дизельное масло API CI-4 перемешивалась алюминиевым стержнем-электродом в течение 10 минут в стальной ячейке с доступом кислорода на одношпиндельной установке. На электрометрической установке измерялся потенциал электризации алюминиевого стержня-электрода и электропроводность исследуемых образцов. Результаты изучения влияния концентрации JIC на высокотемпературные поверхностно-объёмные свойства товарного дизельного масла SAE 15W-40 API CI-4 представлены на рисунках 18. О.

С сажи ЛС, % (масс.) 2 4.

3 Без сажи.

В 1,5% (масс.) ЛС 2% (масс.) ЛС 5% (масс.) ЛС модифицирование стержня.

Рисунок 18. Зависимость поверхностных и объёмных изменений масла.

SAE 15W-40 API CI-4 от содержания в нём ламповой сажи (ЛС) при перемешивании в ячейке алюминиевым стержнем-электродом в течение 10 минут при температуре 240 °C.

Экспериментальные данные, приведённые на рисунке 18, подтверждают предположение о влиянии концентрации ламповой сажи на высокотемпературные свойства товарного дизельного масла SAE 15W-40 API CI-4.

Изменение потенциала электризации алюминиевого стержня-электрода показывает, что содержание в масле CI-4 сажи 1,5% (масс.) незначительно снижает образование отложений на поверхности алюминиевого, по сравнению с содержанием в масле 2% (масс.) сажи JIC. При достижении концентрации ЛС в товарном дизельном масле CI-4 5% (масс.) приводит к снижению его термической стабильности и росту количества отложений, что следует из роста потенциала электризации алюминиевого стержня-электрода. Это объясняется данными, полученными в главе 4, где показано, что сажа не только накапливает продукты термолиза масла, но и активно взаимодействует с присадками повышающими антиокислительные и моюще-диспергирующие свойства масел.

Таким образом, проведённое исследование показывает, что накопление сажи в количестве 5% (масс.) в дизельном масле нежелательно[116].

О снижении моюще-диспергирующих свойств, товарного дизельного масла при накоплении в нём сажи можно судить, если проанализировать изменение электропроводности масла CI-4 (рис. 18).

Повышение электропроводности у масла API CI-4, содержащем 1,5% (масс.) на 30*10″ 10 См, по отношению к этому показателю у масла термообработанного без сажи, объясняется наличием дисперсной фазы, обладающей достаточным зарядом для разрушения надмицеллярных структур моюще-диспергирующих присадок и распределению их в объёме масла. Повышение концентрации ЛС до 2% (масс.) не снижает активности моюще-диспергирующих присадок, как в случае с дизельным маслом, содержащим 5% (масс.) ламповой сажи.

Согласно уравнению Эйнштейна-Смолуховского [70], подвижность частицы в дисперсионной среде (среднее квадратичное значение проекции смещения частицы) обратно пропорциональна величине динамической вязкости, величине коллоидной частицы и концентрации дисперсной фазы. Исходя из этой зависимости, перемещение сажи в масле может быть затруднено увеличением её концентрации, ростом динамической вязкости и коагуляцией. Учитывая, что основная часть моюще-диспергирующих присадок занята взаимодействием с сажей, а её движение затруднено, снижается электропроводность. При этом, снижаются электростатические барьеры, что приводит к снижению стабильности коллоидной системы масла, и следовательно к коагуляционным процессам в дизельном масле, содержащем 5% (масс.) сажи при десятиминутной термической обработке.

При содержании в дизельном масле 5% (масс.) сажи, силы Ван-Дер-Вальса преобладают над электростатическими, обеспечивающими электрофоретическое перемещение твёрдой фазы в дисперсионной среде. Коллоидная система сажевой суспензии масла, как всех коллоидных систем, стремится к минимизации энтропии. Резкое снижение электропроводности дизельного масла, содержащего 5% (масс.) JIC, указывает на снижение кинетической (седиментационной) и агрегативной устойчивости (наличие межфазной поверхности и противодействие её уменьшению). Снижение кинетической и агрегативной устойчивости в сажевой суспензии дизельного масла связано с тем, что моюще-диспергирующие присадки уже не могут создавать электростатические барьеры у поверхностей твёрдой фазы и металлов, и поддерживать высокую дисперсность суспензии.

Анализ экспериментальных данных, полученных в 5-й Главе позволяет сделать следующие выводы:

— изучена зависимость антинагарных свойств дизельных масел от состояния его коллоидной системы при работе в двигателе;

— разработан экспресс-метод (каталитический термолиз масла в течение 10 минут при температуре 240° в присутствии 5% массовых JIC, с определением изменений на поверхности металла катализатора — АЕэ и в объёме масла — D и %) оценки антинагарных свойств дизельных масел различного уровня эксплуатационных свойств;

— разработан лабораторный метод моделирования старения моторного масла в дизеле (моторные масла SAE 15W-40 API CI-4: окисленное в присутствии 5% (масс.) JIC в течение 1 часа при температуре 230 °C и после 130 часов работы в дизеле — имеют схожие физико-химические показатели);

— экспериментально установлено допустимое содержание сажи в товарном дизельном масле категории CI-4 по API (до 2% массовых). Накопление в дизельном масле CI-4 сажи в количестве 5% массовых приводит к значительному снижению его кинетической и агрегативной устойчивости.