Исследование процесса парообразования моторного масла дизельных двигателей

Вопросы обеспечения ускорения научно-технического прогресса с применением высокоэффективной современной техники, технологии и материалов, отвечающих эксплуатационным условиям, с учетом соблюдения естественного баланса в природе являются постоянно актуальными.

Для обеспечения минимизации нарушения естественного баланса между вопросами ускорения научнотехнического прогресса и реальным внедрением высокоэффективных техники и технологии с применением соответствующих материалов необходимы систематические исследования и пополнение сведений о физико-химических свойствах материалов.

Обоснование темы

Одним из важных направлений и резервов повышения техникоэкономических и экологических показателей, используемых и проектируемых в настоящее время в мире горных машин и карьерной техники (ГМ и КТ), являются исследование и совершенствование свойств масел и смазок, применяемых в гидросистемах, двигателях внутреннего сгорания (ДВС), ответственных узлах и других трущихся поверхностях упомянутой техники.

Долговечность и надежность работы ДВС весьма ощутимо влияют на коэффициент готовности и в целом на тех-

Национальный исследовательский технологический университет нико-экономические и экологические показатели ГМ и КТ. Значения упомянутых показателей во многом определяются условиями эксплуатации ГМ и КТ, испытывающих высокие нагрузки, приводящие к большим перепадам термодинамических параметров (температуры и давления), а также частым использованием сернистого топлива с активным попаданием частиц сажи и несгоревшего топлива в картер и во впускной коллектор (выхлопные газы, содержащие сернистую и серную кислоту и частицы сажи) ДВС [1-10]. В связи с этим при выборе масел, в том числе для дизельных ДВС, особое внимание уделяется вязкостно-температурным свойствам, необходимым диапазонам рабочих температур, термической и окислительной стабильности и другим стандартным требованиям безопасности [1, 2, 11-21]. В зависимости от условий эксплуатации в рабочей среде масел генерируются высокие температуры, достигающие значений 150-200 °С, а на стадии кипения и процесса парообразования (ПП) температура моторного масла достигает 250-260 °С, из-за чего уже на верхнем пределе допускаемой температуры начинается понижение вязкости масла и, как следствие, теряется качественное смазывание деталей ДВС (масляная пленка становится недопустимо тонкой), уменьшаются размеры допускаемых зазоров между деталями и узлами, в результате чего происходит повреждение механизма, а на отметке температуры 125 °С масло будет гореть вместе с топливом, после того как обойдет поршневые кольца, и т.д. Не менее важной является и температура застывания масла -температура, при которой масло перестает быть тягучим и подвижным, резко увеличивается его вязкость и начинается процесс кристаллизации парафина (более твердая консистенция и меньшая пла- стичность из-за выделения углеводородных компонентов). От температуры застывания (замерзания) масла зависят пусковые свойства ДВС (т.е. температура гарантированного пуска двигателя, которая должна быть ниже на 5-10 °С температуры запуска ДВС), что также существенно влияет на эксплуатационные показатели ГМ и КТ.

Таким образом, обусловливается фундаментальная значимость вопросов исследования термической устойчивости дизельных моторных масел, в том числе определения характера и термодинамических параметров ПП масел для современных дизельных ДВС ГМ и КТ, испытывающих высокие нагрузки - длительное время работы в значительном тепловом режиме, применение сернистых дизельных топлив и т.д.

Вопросам установления диапазонов термической устойчивости моторных масел и техники измерения температурных параметров посвящен ряд работ [22 - 29], которые способствуют: научно обоснованному подбору моторных масел в зависимости от условий их эксплуатации; обеспечению надежности работы ДВС ГМ и КТ; снижению затрат на единицу выполняемых работ. Однако, несмотря на достижение определенных результатов в области исследования физикохимических свойств и улучшение диапазонов рабочих температур дизельных масел для ДВС с учетом обоснования термодинамических параметров и практического их применения, вопрос обеспечения улучшения упомянутых показателей остается приоритетным, о чем свидетельствуют положительные результаты работ [12, 16].

В связи с изложенным полагаем целесообразным провести исследования ПП как одного из важных свойств капельных жидкостей изменять свое агрегатное со- стояние на газообразное, зависящее от температуры, давления и содержащее стадии испарения и кипения. Нами проведены исследования ПП дизельного масла марки М-10Г2 (ГОСТ 8581-78), используемого соответственно для зимней и летней эксплуатации автотракторных дизелей без наддува или с невысоким наддувом, срок смены которого в 1,5-2 раза меньше чем дизельных масел марок ЛУКОЙЛ-8-ДМ/ЛУКОЙЛ-10-ДМ и ЛУКОЙЛ-СУПЕР. Исследование ПП проведено в изохорических и равновесных условиях с использованием метода тензиметрии с мембранным нуль-манометром [30]. Метод широко применяется при исследовании термической устойчивости различных химических соединений [31, 32].

Для достижения равновесной системы каждая изотермическая точка на кривой зависимости давления пара от температуры (далее - барограмма) выдерживалась в течение 20-24 ч до достижения неизменности давления в течение двух часов. Исследование проведено в двух режимах: а - без предварительной откачки исследуемого масла и б - с предварительной его откачкой. Откачка масла из мембранной камеры производилась в течение двух часов при комнатной температуре.

Графическая интерпретация результатов исследования, проведённого в интервале температур 300–600 К, показывает, что кривая барограммы ПП состоит из пяти ( а ) и четырёх ( б ) ступеней (рис. 1). При предварительной откачке ( б ) масла, происходит удаление поглощенной влаги и других газов, которое соответствует первой ступени режима ( а ). Данная ступень протекает при температурах ниже 370 К. Последующие стадии ПП масла, барограммы которых совпадают для (а) и (б), протекают в следующих интервалах температур: от 370 до 455 К; от 470 до 520 К; от 525 до 575 К и от 580 до 600 К.

Р мм.рт.ст.

1400 -|

1200 -

1000 -

800 -

800 -«О -

2оа -      (а)

о -        • *

250     300     350     4 00     450     500     550     800     050

Рис. 1. Барограмма процесса парообразования масла марки М-10Г2

Национальный исследовательский технологический университет

Барограммы ПП масла, полученные при его прямом (нагревание) и обратном (охлаждение) ходах, не совпадают, даже при многократном увеличении времени выдержки (более чем 70 ч). Этот факт свидетельствует о необратимости характера процесса термической деструкции исследуемого вещества. Обработанное таким образом масло приобретает более тёмную окраску по сравнению с исходным образцом. Экспериментальные данные для каждой ступени процесса парообразования исследованного масла, приведенные в виде зависимости lgP от об- ратной температуры, обработаны отдельно (рис. 2). Обработка произведена по методу наименьших квадратов с использованием значения t – коэффициента Стьюдента [33] при 95%-ном доверительном интервале.

По полученным уравнениям прямых линий рассчитаны термодинамические брутто параметры: энтальпия (∆ Н , кДж/моль), энтропия (∆ S , Дж/моль∙К) и энергия Гиббса (∆ G , кДж/моль) всех ступеней ПП исследуемого масла, которые приведены в табл. 1.

lgP 3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0 "1-----------------1-----------------1-----------------1-----------------1-----------------1-----------------1-----------------1-----------------1-----------------1-----------------1    1/T

1,4     1,6     1,8     2,0     2,2     2,4     2,6     2,8     3,0     3,2     3,4

Рис. 2. Зависимость lg P от обратной температуры ступеней процесса парообразования

Таблица 1

Уравнения барограмм и термодинамические параметры ступеней ПП масла М-10Г2

К о К н и	∆ Т , К	Уравнение lg P = B - A ⋅ 10 3 /T ат		Термодинамические параметры
		А	В	Δ H 0, кДж/моль	Δ S 0, Дж/моль∙К	Δ G 2098, кДж/моль
I	300 – 370	3,96±0,04	10,87±0,08	18,1±0,2	49,7±0,4	3,15±0,2
II	370 – 455	2,81±0,05	5,83±0,09	12,9±0,2	26,7±0,4	5,1±0,2
III	470 – 520	4,68±0,04	8,14±0,08	21,4±0,1	37,2±0,4	10,4±0,3
IV	525 – 575	5,56±0,06	9,07±0,13	25,4±0,2	41,5±0,5	12,9±0,2
V	580 – 600	13,07±0,11	21,59±0,21	59,8±0,5	98,7±0,6	30,2±0,5

Примечание : в табл. 1 - А и В - безразмерные коэффициенты уравнения барограмм, определенные из графика (рис. 2)

Национальный исследовательский технологический университет

Известно, что при образовании одной моли парообразного вещества энтропия системы возрастает и её изменение составляет в среднем Δ S ⁰ ≈ 22 Дж/моль ⋅ К. Исходя из значений изменения энтропии ∆ S отдельных стадий, можно предполагать, что ПП исследованного масла протекает по сложной схеме. На первой стадии выделяются две моли парообразных веществ, на второй – одна моль, на третьей и четвёртой – полторы моли и на пятой – четыре моли продуктов парообразования. По значению стандартной энергии Гиббса (формула Δ G ⁰ = Δ H ⁰ - T Δ S ⁰) можно определить начальную температуру самопроизвольного протекания отдельных стадий процесса. Этому состоянию соответствует нулевое значение энергии Гиббса, т.е. Δ G ⁰ = 0 .

Заключение

На основании аналитических и графических интерпретаций результатов исследования с использованием вышеприведенных методов и тензиметрических опытов обусловливаются следующие выводы:

• 1.    ПП моторного масла марки М-10Г 2 протекает по сложной схеме и в интервале температур T = 300 - 600К состоит из пяти ступеней (табл. 1):

• -    динамика изменения величин термодинамических параметров в интервалах температур от 370 - 455 К до 580 - 600 К (со II по V ступени) определялась следующими значениями: рост энтальпии Δ H ⁰ ): с II на III ступени составил 65,9 %; с III на IV - 18,7 %; с IV на V - 235,4 %; рост величин энтропии Δ S ⁰ ) и энергии Гиббса Δ G ⁰ на рассматриваемых температурных ступенях соответственно составил: 39 %, 11,6 %, 238 %; 203,9 %, 124 %; 34 %;

• -    при эксплуатации моторного масла марки М-10Г 2 в диапазоне температур 550 - 600 К происходит необратимый процесс его термической деструкции.

• 2.    Полученные результаты исследований ПП на примере моторного масла М-10Г 2 пополняют и расширяют базу данных термодинамических характеристик дизельных масел, благодаря которым появится возможность для улучшения и реформулирования продукций групп масел Г 2 или им подобных, тем самым в будущем расширится ассортимент продуктового портфеля масел и смазок, увеличится сегмент продаж импортозамещающей продукции не только в России, но и в пространстве стран СНГ.

• 3.    Дальнейшее исследование динамики изменения термодинамических параметров, а также физико-химических свойств масел, применяемых при эксплуатации ГМ и КТ и другой техники в тяжелых горно-геологических и климатических условиях, является приоритетной задачей, что является предметом дальнейших наших исследований.

Национальный исследовательский технологический университет

<2^ ГОРНЫЕ НАУКИ Ж и