Results of the study of wear products and contamination percentage of engine oils of diesel and gas engines

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Решение проблемы обеспечения надёжности двигателей внутреннего сгорания в процессе эксплуатации требует комплексного подхода, по разным направлениям. Указанная проблема является актуальной, комплексной задачей. Среди факторов выделяют условия эксплуатации, вид используемого топлива, контроль показателей моторных масел, а также разработку обоснованных сроков службы последних. При поддержке эксплуатационных свойств моторных масел двигателей, контроль основных характеристик работающего масла является также актуальным.

Исследованиями установлено, что от 40 до 45% всех отказов сельскохозяйственной техники приходится на долю двигателя.

Чтобы сроки замены масла были более продолжительными, масло в исходном состоянии должно иметь «запас качества», который позволил бы сохранить его достаточно высокие эксплуатационные свойства в течение длительного времени применения в двигателе [1–3].

Цель исследования состоит в оценке накопления продуктов загрязнения и износа в масле М10Г2 дизелей и газовых двигателей на базе дизеля. Применение теоретических уравнений для оценки изменения концентрации продуктов загрязнения. Проведение лабораторных анализов для определения концентрации продуктов износа и размер частиц.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В ходе исследований использовались законы теории смазки, методы планирования экспериментов и математической статистики, а также методы, базирующиеся на существующих нормативных документах. При обработке экспериментальных данных применялись методы обработки на прикладных пакетах Microsoft Office Excel.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Продукты органического и неорганического происхождения и механические примеси продуктов износа накапливаются в моторном масле в результате длительной эксплуатации. После первых 100 часов работы масла, в нём содержатся определённые количества продуктов загрязнения и износа, а также нерастворимые продукты окисления и износа деталей двигателя [1–3].

В целях поддержания показателей масла в предельном значении и улучшения эксплуатационных свойств, к маслам добавляются различные добавки, т.е. ремонтно-восстановительные составы, присадки и трибомеханические стабилизаторы. Только совместное влияние физических свойств базового масла и присадок, составляющих композицию, определяет эксплуатационные свойства масла. Оно составляло 20% по отношению к базовому маслу. Намечается тенденция к дальнейшему увеличению концентрации присадок в маслах.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Накопление нерастворимых примесей в масле происходит как за счёт проникновения сажи, продуктов износа, посторонних веществ извне, так и за счёт образования продуктов окисления и термического разложения самого масла.

При работе изношенного двигателя скорость загрязнения масла увеличивается за счёт большего прорыва продуктов сгорания через поршневые кольца. Все это подтверждает ведущую роль топлива в процессе загрязнения масла.

Другим неизбежным источником загрязнения масла являются продукты износа деталей двигателя (железо, алюминий, медь, свинец, хром и. др.). Металлические продукты износа частично растворяются в масле, образуя соединения типа мыл, а частично остаются в виде нерастворимых и повышается зольность масла.

В настоящее время считается установленным, что наиболее интенсивный износ двигателя вызывается крупными частицами продуктов износа. По мере роста теплонапряжённости двигателя происходит некоторые увеличение среднего размера частиц продуктов загрязнения. Причём число средних частиц составляет 85-90 % от общего числа частиц [5].

При оценке технического состояния деталей и узлов двигателей по содержанию продуктов износа в смазочном масле критерием может послужить концентрация металлов, по содержанию которых можно оценит техническое состояние двигателей в процессе эксплуатации.

Размер образующихся в масле частиц загрязнений при работе двигателя не остаётся постоянным, особенно при срабатывании присадок. Скорость накопления металлических частиц продуктов износа происходит медленнее, чем поступление углеродистых частиц.

Численное значение скорости изнашивания будет неодинаковым для различных типов двигателей и должно рассматриваться в связи с конструкцией, состоянием, режимом работы двигателя и качеством смазочного масла [3–5].

Эксплуатация газовых двигателей по сравнению с дизельными характеризуется значительным увеличением сроков службы моторных масел [3, 4]. В продуктах сгорания газообразного топлива практически отсутствуют частицы твёрдого углерода, вызывающие дополнительный износ сопряжённых деталей двигателя. Отсутствие разжижения смазки и уменьшение количества нагара, попадающего из камеры сгорания в картер, позволяет увеличит срок службы моторного масла [3-5].

Для уменьшения интенсивности изнашивания деталей цилиндра-поршневой группы используются методы добавления в моторное масла функциональных присадок в рабочем процессе дизеля, введённые присадки значительно увеличивают ресурсы моторных масел.

В теплонапряжённом режиме работа двигателя, по мере роста теплонапряжённости двигателя, происходит некоторое увеличение среднего размера частиц загрязнений. Напряжённость работы масла в двигателях внутреннего сгорания определяется по воспринимаемой им тепловой нагрузке. В свою очередь, она имеет определённые количественные выражения и характеризуется соответствующими показателями [6–8].

При работе двигателей в маслах активно развиваются термохимические процессы, приводящие к снижению их качества вследствие срабатывания присадок и накопления в маслах продуктов превращений (нерастворимые продукты — органические и неорганические кислоты, продукты износа и др.) [5].

В свежих моторных маслах механические примеси содержатся в количестве не более 0,015–0,02% содержание их определяют по ГОСТ 6370-2000 путём фильтрации, разбавленной бензином навески масла. Осадок на бумажном фильтре промывают бензином, высушивают, взвешивают и выражают примеси в процентах. Скорость загрязнения масла зависит от мощности двигателя, режима работы, от степени его изношенности, от качества применяемого топлива и масла.

Для количественного определения и анализа состава продуктов износа и загрязнений в масле могут применяться различные методы. Их можно разделить на две группы:

• определение химических элементов (металлов) в составе частиц износа и феррография
• контроль размеров и вида частиц, определяемых видом износа [9]. Для теоретической оценки содержания продуктов износа посвящён ряд исследований, в работе [9] предложено уравнение:

$K=K_0{e}^{\frac{At}{Q_0}}+\frac{g}{A}\left(1-e^{-\frac{At}{Q_0}}\right)$

где K₀ и K — начальная и текущая концентрации продуктов износа в смазочном масле, г/т; Q₀ — ёмкость масляной системы; g — интенсивность поступления продуктов износа, г/ч; А — предельное значение продуктов износа в масле г/ч; t — время эксплуатации агрегата после долива масла, ч.

$А=g_{\text{ф}}+g_{\text{у}}$, г/ч;

где g_ф — количество отложение на фильтре, г/ч; g_у, — количество продуктов износа в составе угара масла, г/ч

Однако, здесь учитывается долив масла в систему, в нашем случае при работе на газообразном топливе долив масла не предусмотрена.

Для теоретических исследований можно использовать уравнений описывающие изменения концентрации загрязнения масел [11]. Если содержание примесей выражается в %, то формула будет иметь вид [8–12]:

$х=\frac{100a}{Q_y}\cdot \left(1-e^{-\frac{Q_y\tau }{G}}\right)$, (1)

где а — скорость поступления продуктов износа в масло, г/ч; $Q_y$ — количества масла расходуемое на угар, г/ч; G — количества масла в системе, кг; Τ — время поступления продуктов износа в масло, ч.

Реальная скорость поступления загрязнений непосредственно в масло будет составлять, а (1 – f ). Тогда формула (1) примет вид [6, 7, 9]:

$х=\frac{100а\left(1-f\right)}{Q_{у}}\left(1-{е}^{-\frac{Q_{у}\tau }{G}}\right)$, (2)

где $f$ — коэффициент отфильтрования масла, а — скорость поступления загрязнения в масло, г/ч.

Помимо рассмотренных выше формул, рядом исследователей были предложены другие выражения зависимости содержания загрязнений в масле от времени работы двигателя и условий маслообмена. Так, например [3, 5, 12], для определения концентрации загрязнения предложена упрощённая формула:

$х=\frac{a\cdot \tau }{G+Q_y\cdot \tau }$, (3)

Решая уравнение (3) относительно τ, получим выражение для определения времени, по истечении которого содержание примесей в масле достигает величины х [5]:

$\tau =\frac{G}{Q_y}\cdot \mathrm{In}\left(\frac{A}{A-\text{х}}\right)$, (4)

а реальная скорость поступления загрязнений непосредственно в масло будет составлять, а (1 – f). Тогда формула для определения содержания загрязнений примет вид [5]:

$х=\frac{100а\left(1-f\right)}{Q_{у}}\left(1-{е}^{-\frac{Q_{у}\tau }{G}}\right)$, (5)

Формулы (1) и (5) являются основными для расчёта содержания загрязнение х в масле продуктами износа.

В результате лабораторных анализов выявлено, что продукты загрязнения и износа, содержимые в составе масла при использовании стандартного жидкого топлива и газообразного топлива, имеют частицы с различными величинами и формами (табл. 1).

Таблица 1. Результаты анализа оценки размеров частиц продуктов загрязнения при работе двигателей на дизельном и газообразном топливе

Table 1. Results of assessment of particle size of contaminants during engine operation using diesel and gaseous fuel

Методика проведения исследования соответствует требованием существующих стандартов и нормативно-правовых документов. По методике исследования после 100 мото-часов наработки отбирались пробы масел. Перед проведением лабораторных исследований пробы тщательно перемешивались и по стандартной методике определялись содержание продуктов износа и размер частиц, составляющих их.

В составе продуктов износа основная масса состоит из железа и способствует увеличению общей массы. Результаты анализа представлены в табл. 1.

Цель проведения лабораторных исследований по определения продуктов износа складывается из определения содержания продуктов износа в масле дизеля и газового двигателя для количественной оценки размер частиц в зависимости от наработки.

Продукты загрязнения с меньшими размерами при работе на дизельном топливе выявлены в виде графитообразных и смолистых веществ. В зависимости от времени работы двигателя, концентрация крупных частиц в моторном масле резко возрастает, а затем снижается.

Изменение формы и поверхностного покрытия деталей цилиндропоршневой группы двигателей и подобрав сочетаемые присадки в моторном масле, можно улучшить смазывающие свойства масел на поверхности сопрягаемых деталей, с достижением рациональных характеристик изнашивания цилиндропоршневой группы двигателей.

По полученным результатам лабораторных анализов можно построить зависимость размеров частиц продуктов износа в масле от наработки двигателей, работающих на дизельном и газообразном топливе (рис. 1, рис. 2). Между размером частиц продуктов износа и наработки существует зависимость х = f (T).

Рис. 1. Зависимость изменения размер частиц продуктов износа х в масле от наработки Т при работе дизеля.

Fig. 1. Dependence of change of particle size х of wear products in oil on running hours Т during diesel engine operation.

Рис. 2. Зависимость изменения размер частиц продуктов износа х в масле от наработки Т при работе газового двигателя.

Fig. 2. Dependence of change of particle size х of wear products in oil on running hours Т during gas engine operation.

По росту наработки увеличивается размер частиц продуктов износа. Этот явление связано с ухудшением смазывающих способностей масла в результате влияния различных факторов и срабатываемости присадок в составе масла.

При использовании дизельного топлива, с оптимальной концентрацией образовалось меньше лака, т.к. износ, уменьшается в меньшей мере (см. рис. 1).

Концентрация продуктов износа в составе смазочного масла, определяемая в лабораторных анализах, может иметь отклонения от средней величины в зависимости от характера методов измерения, технологии и периодичности отбора пробы в условиях эксплуатации двигателя, в зависимости режимов работы и т.д. На значение концентрации продуктов износа существенное влияние имеют условия эксплуатации, вид применяемого топлива и качества смазочного масла.

Для улучшения противоизносных характеристик масел рекомендуется введение противоизносных присадок или трибомеханических стабилизаторов в состав масла в условиях эксплуатации.

Опыт показал, что загрязняющие продукты в моторном масле состоят из частиц с металлической основой и частиц из органических соединений — лака, по структуре аналогичному графиту.

Как видно из результатов лабораторных анализов основная доля выхода приходится на железо — 26,0%, на кальций — 24,64%, магний — 2,86%, алюминий — 16,24%, натрий — 16,8%, калий — 6,16%.

ВЫВОДЫ

Таким образом, по результатам лабораторных исследований особый интерес представляло определение железа в составе масла. Кроме этого, в составе масла двигателей в определённом количестве встречаются такие металлы как кальций, магний, алюминий, натрий, калий, что составляет концентрацию продуктов износа.

Теоритеческие уравнения способствуют оценке содержания загрязняющих примесей продуктов износа в зависимости от продолжительности работы масла. Для уменьшения количества продуктов износа к маслам рекомендуется добавление противоизносных присадок и трибомеханических стабилизаторов. Введение трибомеханических стабилизаторов в масло М10Г2 газового двигателя влияет на улучшение эксплуатационных показателей, незначительно уменьшает содержание загрязняющих примесей и количество продуктов износа:

• По содержанию продуктов износа в масле можно судить о величине износе деталей двигателя. Повышение концентрация продуктов износа и размер частиц по сравнению предельными значениями свидетельствует об ухудшении противоизносных свойств масла.
• Методика и периодичность отбирания проб масел должно соответствовать стандартным методам исследований.
• Качество фильтрации масла влияет на концентрацию продуктов износа в масле.
• По элементарному составу продуктов износа можно судить об износе отдельных деталей двигателя.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад автора. Автор подтверждает соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (автор внёс существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочёл и одобрил финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Автор декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Автор заявляет об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Author’s contribution. The author made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agrees to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The author declares that he has no competing interests.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

About the authors

Sobir A. Utaev

Author for correspondence.
Email: utaev.s@list.ru
ORCID iD: 0000-0003-0377-8929
SPIN-code: 6478-8885

Cand. Sci. (Engineering), Associate Professor of the Industrial Engineering Department

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Dependence of change of particle size х of wear products in oil on running hours Т during diesel engine operation.

Download (263KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Dependence of change of particle size х of wear products in oil on running hours Т during gas engine operation.

Download (138KB)

Indexing metadata