К вопросу о способах повышения эксплуатационных свойств моторных масел

Введение. Повышение технического уровня и качества машин и оборудования для агропромышленного комплекса неизменно влечет за собой широкое внедрение новейшей сельскохозяйственной техники с высокими технико-экономическими показателями и ее эффективное использование, которое находится в тесной взаимосвязи с такими аспектами, как: своевременное, полное и качественное диагностирование и техническое обслуживание машин [2, 5, 11], соблюдение режимов их эксплуатации, применение качественных смазочных материалов и технических жидкостей, соблюдение правил хранения в межэксплуатационные периоды. [10]

Для энергонасыщенных мобильных энергетических средств требуются горюче-смазочные материалы с высокими эксплуатационными свойствами, позволяющими обеспечивать надежность и долговечность в работе. Весьма важным элементом для современного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) является моторное масло и режим его использования, что непосредственно связано со сроками замены масла и обслуживания масляных фильтров. Применение улучшенных образцов смазочных материалов в современной технике неизменно будет способствовать снижению затрат на ее эксплуатацию, увеличению временных интервалов замены масел, и, как следствие, к повышению производительности машин, за счет уменьшения непроизводительных простоев. [1]

Основная часть. Повышение качества моторных масел за счет улучшения эксплуатационных свойств может идти по нескольким направлениям: путем подбора и введения композиции присадок, а также воздействием ультразвуковых колебаний с целью лучшего растворения вводимой в масло присадки; магнитной обработки масел с присадками; обработки масел гамма-излучением для придания лучших полярно-активных свойств.

Широко распространенный способ улучшения эксплуатационных свойств масел путем использования присадки (или пакета присадок), с одной стороны, может значительно улучшить одно или несколько свойств смазочных материалов, требуемых для определенных условий применения, и, с другой стороны, характеризуется увеличением эксплуатационных расходов, а также зольности масел. В результате в камере сгорания ДВС повышаются зольные отложения, что приводит к увеличению износа деталей цилиндропоршневой группы и отрицательно влияющие на работоспособность выпускных клапанов.

Присадки находятся в масле в виде мицелл, которые структурно отличаются от твердых частиц. Мицелла состоит из ядра, представляющего собой скопление определенного количества молекул, вокруг которого адсорбированы ионы. Помимо этого, в объеме масла около частиц присадки должны находиться ионы противоположного знака. Диспергирование мицелл присадок может происходить в результате кавитации, разрушающей сначала сальватные ионы оболочки, а потом и ядро. Уменьшению вязкости моторного масла и обеспечению хорошего перемешивания в процессе диспергирования способствует эффект нагрева и звукового ветра.

Для возникновения кавитации необходима определенная мощность ультразвука, на которую также оказывает влияние ряд факторов способствующих либо затруднению процесса (при увеличении внешнего избыточного давления), либо его увеличению (при повышении температуры). Минимальная мощность ультразвука для возникновения кавитации в минеральных маслах находится в пределах 9 – 50 кВт/м2, что является одновременно одним из требований, предъявляемым к выбору акустической аппаратуры.

Улучшению эксплуатационных свойств моторных масел, а именно моющих и противоизносных, способствует последовательная обработка товарного образца ультразвуком с резонансной частотой колебаний 8 – 10 кГц и магнитным полем напряженностью 180 – 200 кА/м. [3, 4]

С развитием научно-технического прогресса широкое распространение получают и другие методы, вызывающие структурные изменения и улучшение отдельных эксплуатационных показателей смазочных материалов – воздействие на моторные масла ионизирующих излучений [6, 8], которые активируют в материале определенные физико-химические процессы передачи энергии от ядерных частиц или квантов излучения его атомам и молекулам.

Рассмотрим влияние ионизирующего излучения Co60, которое относится к электромагнитным с энергией 1,25 МэВ, на физикохимические и эксплуатационные свойства моторного масла с металлсодержащими присадками.

Первичные процессы, возникающие при прохождении гамма-излучения через облучаемое вещество, в первые 10-14с приводят к формированию ионов и возбужденных молекул, способствующих разрыву химических связей с образованием свободных радикалов. Вторичные процессы, продолжительностью 10-2с приводят к конечным молекулярным продуктам. [7, 9]

Обработка моторного масла гамма-излучением проводилась с использованием специализированной установке в стеклянной емкости объемом 10 л различными дозами мощностью 8,5 рад./с. Испытуемое моторное масло марки М-10Г2 ГОСТ 8581-78 (с изм. №1 - 11).

Результаты изменения физико-химических показателей представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Изменение показателей моторного масла в зависимости от дозы гамма-облучения

Таким образом, с изменением дозы облучения от малых значений (до 3 крад.), до более высоких (102 – 104 крад.) показатели вязкости и щелочного числа моторного масла остаются неизменными.

Результаты определения поверхностного натяжения, которое является молекулярно-поверхностной характеристикой масла с присадками и дает возможность судить о полярных компонентах материала, показывают снижение данного показателя на 11,5% при достижении дозы облучения 2 крад и последующей стабилизации при более высоких дозах облучения. Уменьшение данного показателя свидетельствует об активизации полярно-активных компонентов присадок моторного масла с дополнительным процессом формирования новых полярно-активных соединений, увеличении поверхностной активности смазочного материала, которая, в свою очередь положительно влияет на увеличение площади контакта трущихся поверхностей, снижение локальных напряжений и, как следствие, уменьшению величины износа.

Показатель электропроводности также подвергается изменению в зависимости от дозы гамма-излучения. При дозе облучения 2 крад. наблюдается его максимальное изменение (на 11%). В дальнейшем при более высоких дозах облучения данный показатель понижается.

Вариативность электропроводности моторного масла под действием ионизирующего излучения свидетельствует о том, что часть носителей электрического тока, которые образованы при радиолизе, избегают мгновенной взаимной рекомбинации. С увеличением дозы облучения следовало ожидать рост ион-радикальных комплексов, которые являются единственными носителями электронного заряда в моторном масле и обеспечивают увеличение его электропроводности. Но из экспериментальных данных видно, что показатель электропроводности повышается лишь до определенной дозы облучения, при которой в материале формируется наибольшее количество ион-радикальных комплексов, и дальнейшее облучение приводит к интенсификации процесса рекомбинации, следствием чего является уменьшение электропроводности моторного масла. Учитывая, что с увеличением электропроводности масла увеличивается и их моющее действие, можно утверждать, что моющие свойства смазочного материала также улучшатся.

Оценка изменения противоизносных и антифрикционных свойств проводилась с использованием четырехшариковой машины трения. Результаты исследований представлены в таблице 2. Опытным путем установлено, что облученное дозой 2 крад. моторное масло имеет лучшие противозадирные свойства, поскольку произошло увеличение максимальной критической нагрузки на 11,5% в сравнении с базовым товарным образцом, а также лучшие антифрикционные свойства, так как почти в 2 раза уменьшилась интенсивность увеличения коэффициента трения в зависимости от осевой нагрузки.

Таблица 2 – Противоизносные и антифрикционные свойства товарного и облученного моторного масла

Степень приближения реальной противоизносной характеристики масла к идеальной, с помощью которой можно оценить смазывающие свойства моторных масел, повышается в облученных образцах, что объясняется их более высокой поверхностной активностью. Лучшая адсорбция активных полярных частиц в облученном моторном масле способствует формированию более прочной граничной пленки, разделяющей трущиеся поверхности, по сравнению с базовым маслом, а нестабильные продукты радиолиза в зонах контакта с высокими удельными нагрузками усиливают окисление и разложение масел, что приводит к образованию «полимеров трения», обеспечивающих антифрикционное действие.

Проведенные с помощью установки ПВЗ исследования моющих и противоизносных свойств показали, что, независимо от дозы облучения моторного масла, моющие свойства составили 0,5 балла, а противоизносные свойства по результатам оценки износа компрессионных колес (предварительно приработанных на специальном оборудовании) для образца, облученного дозой 2 крад., улучшились – износ колец снизился на 35% по сравнению с использованием базового товарного образца моторного масла.

Выводы. В результате проведенных исследований установлено положительное влияние гамма-излучения на комплекс эксплуатационных свойств базового товарного масла. Выявлена оптимальная доза облучения моторного масла, составляющая 2 крад., при которой происходит увеличение электропроводности (+11%), противоизносных (+35%), противозадирных и антифрикционных свойств (+13%), а также уменьшается поверхностное натяжение (11,5%). При этом отдельные физико-химические показатели, такие как щелочное число и вязкость остаются практически неизменными.