Результаты расчета изменения концентрации загрязнения и щелочности моторных масел газовых двигателей

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Вопрос обеспечения надежности двигателей внутреннего сгорания является актуальной комплексной задачей, решаемой по разным направлениям. Важными, среди них являются условия эксплуатации, вид применяемого топлива, контроль состояния моторных масел, а также обоснование сроков службы последних. При обеспечении эксплуатационных свойств моторных масел газовых двигателей на базе дизелей, контроль основных характеристик работающего масла является актуальным.

Исследованиями установлено, что значительная часть отказов сельскохозяйственной техники приходится на долю двигателя. При этом, свойства масла, используемого в двигателе как неконструктивный элемент, оказывают существенное влияние на возникающие отказы.

Экономические показатели эксплуатации и долговечности двигателей всегда взаимно связаны [1, 2]. С этой точки зрения большое значение имеет правильный выбор продолжительности применения масла в двигателе без замены. Благодаря вводимым в масло присадкам, наилучшими свойствами масло обладает в своем исходном состоянии. По мере срабатывания присадок качество масла ухудшается. 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.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Цель исследования состоит в оценке изменения концентрации загрязнения и щелочности масел М10Г₂ газовых двигателей на базе дизеля. Применение расчетных уравнений для теоретического анализа изменения концентрации загрязнения и снижения щелочности, а также построения зависимостей показателей масла.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Из основных путей уменьшения повышенного износа и нагарообразования в двигателях, наиболее важным является добавление присадок к маслу двигателя, способных нейтрализовать коррозионные и нагарообразующие действия сернистых продуктов сгорания топлива, т.е. обладающих высокими антиокислительными и моющими свойствами [2].

В целях улучшения эксплуатационных свойств к маслу добавляются присадки. Только совместное влияние физических свойств базового масла и присадок, составляющих композицию, определяет эксплуатационные свойства масла. Концентрация присадок составляет 20% по отношению к базовому маслу. Намечается тенденция к дальнейшему увеличению концентрации присадок в масле.

В масле, находящемся в масляной системе при работе дизеля, происходят необходимые непрерывные и качественные изменения [3–6]. Количественные изменения происходят за счет его угара в цилиндропоршневой группе двигателя. Качественные изменения, под общим названием «старение масла», складываются из целого ряда физических и химических процессов, протекающих в масляной системе двигателя. Таким образом, изменения качества масла приводят к его количественным изменениям, т.е. к дополнительному расходу масла в смену. В тоже время, количество масла, находящегося в системе, как это будет рассмотрено далее, также оказывает значительное влияние на скорость изменения качественных показателей, т.е. на старение масла [7].

Старение масла в двигателе – это сложный, недостаточно изученный комплекс физических и химических процессов, на скорость которых оказывает влияние большое число различных факторов. Следует отметить, что эти процессы тесно связаны между собой, и абсолютная дифференциация одного от другого часто оказывает невозможной. Тем не менее, для исследования основных закономерностей старения масла в дизеле и в особенности для изучения количественных, т.е. математических зависимостей целесообразно провести разделение их на более простые процессы, хотя, для этого требуются некоторые условные допущения [7].

Из комплекса физических и химических процессов, составляющих старение масла при работе двигателя, в первую очередь могут быть выделены следующие [7]:

1. Окисление масла, происходящее под действием кислорода воздуха и высокой температуры. Продуктами окисления и полимеризации углеводородов масла могут быть жидкие, полужидкие и твердые продукты, часть которых может быть растворима в масле, тогда как другая часть высокополимерных продуктов окисления и термического разложения будет пополнять количество нерастворимых примесей.

При сгорании топливо – воздушной смеси в камере сгорания дизеля образуется окись (NO) и двуокись (NO₂) азота. Как правило, оксиды азота рассматривают в виде смеси общей формулы NO_х. Количество окислов азота в выпускных газах меняется в зависимости от режима работы двигателя и обычно оставляет 0,1–0,2% [7]. Поступление окислов азота в масло пропорционально расходу картерных газов.

2. Загрязнение масла нерастворимыми примесями, которые складываются из проникших в масло твердых углеродистых частиц (сажи) за счет неполного сгорания топлива; из твердых и жидких продуктов окисления самого масла, образующихся при взаимодействии с присадками; из продуктов износа и загрязнений, поступающих из окружающих среды (вода, песок, пыль).
3. Расход присадки, который выражается прежде всего в снижении щелочности масла, в результате нейтрализации кислых продуктов, а также в расходе присадки на диспергирование углеродистых частиц.

Одной из важнейших составных частей процесса старения моторных масел, во многом определяющей работоспособность последних, является срабатываемость присадок, содержащихся в масле.

Перевод с жидкого на газообразное топливо без специальных доработок, ухудшает энергетические показатели двигателя. Причиной этого является более низкая теплопроизводительность газообразного топлива, а также ухудшение наполнения, особенно при подогреве впускного патрубка. Однако оптимальная организация рабочего процесса при полном использовании положительных сторон газообразного топлива- высокой антидетонационной стойкости, устойчивого горения бедных смесей и др., дает существенное улучшение основных показателей двигателя [4, 5]. Средний эксплуатационный КПД и экономичность двигателя при этом также существенно возрастают, а содержание наиболее токсичных компонентов в отработанных газах уменьшается. Современные мероприятия по переводу дизельных двигателей на газовое топливо обычно включает увеличения степени сжатия на 1,5–2 единицы, уменьшение впускного патрубка и применение специальных газовых смесителей и экономайзеров, позволяющих регулировать мощность по оптимальной характеристике [6].

Эксплуатация газовых двигателей, по сравнению с дизельными, характеризуется значительным увеличением межремонтных сроков службы [4–6]. В продуктах сгорания газообразного топлива практически отсутствуют частицы твердого углерода, вызывающие дополнительный износ сопряженных деталей двигателя. Отсутствие разжижения смазки и уменьшение количества нагара, попадающего из камеры сгорания в картер, позволяет увеличить срок службы моторного масла [3–6]. Наряду с положительными эксплуатационными качествами газовое топливо имеет низкую потребительскую стоимость. Очевидно, что применение газообразного топлива наиболее выгодно в районах их добычи и переработки [3, 4, 6].

Влияние вида и качества топлива на старение масла органическими примесями особенно четко проявляется при переводе дизеля на газообразное топливо. В этом случае загрязнение масла и количество отложений уменьшается. При равных мощностях двигателей количество загрязняющих примесей в дизелях, вследствие повышенного загрязнения масла сажей, до 10–20 раз больше, чем в газовых двигателях [6]. Характерно, что количество сажи в отработавших газах дизелей больше, чем в газовых двигателях.

Дисперсионный анализ масла показал наличие в нем крупных (3–4 мк), средних (0,8–1,5 мк) и мелкие (0,4–0,8 мк) частиц; причем число средних частиц составляет 85–90% от общего числа частиц [7]. По мере роста теплонапряженности двигателя происходит некоторое увеличение среднего размера частиц загрязнений.

В процессе эксплуатации двигателей тракторов моторное масло теряет свои свойства, т.е. стареет [6–10]. Примеси загрязнений, попадающие в двигатель вместе со свежим маслом, образуются при изготовлении масла и накапливаются в нем в процессе транспортировки, хранения и непосредственно при заправке в систему смазки ДВС [11].

В процессе окисления в маслах изменяются все их физико-химические и эксплуатационные свойства: вязкость, температура вспышки, щелочное и кислотное числа, содержание нерастворимых осадков [10].

При работе двигателей внутреннего сгорания 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 и др.) [11, 12].

Старение моторных масел в значительной степени зависит от особенностей конструкции двигателя и специфики рабочего процесса, протекающего в нем [13].

Механические примеси накапливаются в моторном масле в результате попадания пыли с засасываемым воздухом или через неплотности картерного пространства, а также вследствие образований нерастворимых продуктов окисления и износа деталей цилиндропоршневой группы. Считается, что наиболее интенсивно механические примеси накапливаются в моторном масле в первые 60–120 ч работы, а затем процесс стабилизируется. В этот период количество накапливающихся в масле и удерживаемых узлами очистки (фильтрами, центрифуги) механических примесей делается постоянным, что является определяющим для равновесного состояния. Интенсивное накопление механических примесей в первый период работы масла объясняется окислением слабостабильных углеводородов масла во всем объёме смазочной системы, а затем этот процесс протекает, в основном, в масле, доливаемом на угар [10].

Щелочное число является условной мерой способности масла нейтрализовать кислоты, образующиеся из продуктов сгорания топлива и окисления основы масла. Щелочность, обусловленная наличием щелочных присадок, расходуется на нейтрализацию кислот с разной скоростью.

При регулярном доливе на угар свежего масла щелочное число обычно убывает достаточно медленно, а кислотное число растёт по экспоненциальному закону. Иногда рост щелочного числа обусловливается значительным испарением основы масла и концентрацией присадок в масле, остающимся в картере. Пределом работоспособности масел очень часто считают равенство общего щелочного числа общему кислотному числу. Допустимое значение щелочного числа ограничивается 1,5–2,0 мг КОН/г, или 50% щелочного числа свежего масла [10].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Содержащиеся в масле посторонние, главным образом минеральные, вещества называются механическими примесями. Механические примеси делят на органическое (сгораемые) и неорганические (несгораемые)вещества. Определения содержания механических примесей в масле основаны на весовом анализе. В свежих моторных маслах механические примеси содержатся в количестве не более 0,015–0,02%. Их содержание определяют по ГОСТ 6370-2000 путем 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.

По имеющимся данным [6–9, 11, 12], скорость загрязнения масла для дизелей составляет 0,02–0,06 г/л.с.ч.

По данным [7] и др., для дизелей скорость загрязнения a=0,01–0,06 г/л.с.ч. Но, при работе двигателя с дымным выхлопом скорость загрязнения может возрастать до a=0,02–0,03 г/л.с.ч. [5, 7].

Изучение закономерностей загрязнения масла в двигателе явилось предметом ряда исследований [7]. Одной из первых работ в этой области было исследование, проведенное З.М. Минкиным. Ниже показана зависимость между возможным содержанием загрязнений в масле, скоростью загрязнения, параметром масляной системы и временем работы дизеля, на основе работы Г.А. Морозова [7].

Если содержание примесей выражается в %, то формула будет иметь вид [7–9, 12–14]:

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

Реальная скорость поступления загрязнений непосредственно в масло будет составлять, а(1–f). Тогда зависимость (1) примет вид [7–9, 11, 12]:

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

Помимо рассмотренных выше формул, рядом исследователей были предложены другие выражения зависимости содержания загрязнений в масле от времени работы двигателя и условий маслообмена. Так, например, [7], для определения концентрации загрязнения предложена упрощенная формула

$x=\frac{a\cdot \tau }{G+Q_y\cdot \tau }$. (3)

При расчете содержания концентрации загрязнения масла использованы результаты расчетов изменения концентрации загрязнения в зависимости от продолжительности работы масла. Связь между параметрами можно представлять в виде графика х = f (Т). По расчетным результатам можно построить график зависимости изменения концентрации загрязнений от продолжительности работы масла. Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1. Расчетные значения изменения концентрации загрязнения и снижения щелочности масла / Table 1. Analytical values of pollution concentration change and oil alkalinity decrease

Расход присадки в масле легче всего контролировать по снижению щелочности масла [3].

При работе дизеля щелочность масла расходуется на нейтрализацию и диспергирование загрязнений, и величина рН изменяется. Так, например, масло М-12 Г₂, у которого рН 9,5, после 100 ч работы имело рН 7,5–8,0 [5].

Содержание присадок в маслах снижается во время работы двигателей. К срабатыванию присадок посвящена много работ, в работах Альтшулера и других рассматривается закономерность срабатывания присадок [1].

При работе двигателя без смены масла в течение 240 ч запас щелочности некоторых присадок срабатывается практически полностью. Быстрая срабатываемость активной части присадки приводит к быстрому падению нейтрализующих и моющих свойств, что в свою очередь, ведёт к уменьшению срока смены масла в двигателе [5].

Для нейтрализации продуктов окисления масла и окислов серы, образующихся при сгорании сернистых топлив, современные моторные масла обладают определенным запасом щелочности, придаваемым им сульфатными, алкилсалицилатными и другими присадками.

По щелочному числу моторных масел можно с достаточной точностью установить их группу. Щелочное определяют методом потенциометрического титрования по ГОСТ 11362-2000. За общие число принимают количество гидроксида калия в миллиграммах, эквивалентное количеству соляной кислоты, израсходованной на нейтрализацию всех основных соединений, содержащихся в 1 г анализируемого масла.

В технических условиях на современные масла, применяемые в тракторных дизелях, установлены следующие значения щелочных чисел: для масел группы В₂ не менее 3,5 мг КОН на 1 г масла, для группы Г₂ не менее 6 мг КОН на 1 г масла.

Повышение кислотности масла сопровождается увеличением коррозионного поражения и износа сопряженных узлов и деталей, ростом отложений и т.д. [5].

Щелочные присадки убывают по мере взаимодействия масел с продуктами сгорания топлива, содержащими значительные количество серы и азота. Другая причина снижения щелочности – взаимодействие присадки с продуктами старения самих масел. Замечено, что скорость реакций нейтрализации кислых продуктов убывает по мере исчерпания щелочного запаса масел.

Изучение кинетики изменения щелочности масла считают наиболее простым способом изучения кинетики срабатывания присадок. Скорость расхода щелочной присадки зависит от содержания в продуктах сгорания топлива кислых веществ. Согласно данным работы Морозова А.Г., Орциомова О.М. [7], скорость изменения щелочности К определяется из формулы:

$K=\mathrm{0,35}\cdot y\cdot F\cdot S$, (в мг КОН/г); (4)

где F – расход топлива, кг/ч; S – содержание серы в топливе, %; y =0,07–0,013 – величина, определяющая, какая часть образовавшихся при сгорании топлива окислов серы поступает в зону поршневых колец и реагирует с щелочной присадкой.

При работе двигателя на газообразном топливе щелочность масла (в мг КОН/г) можно рассчитать по следующей формуле [7]:

$C=C_0+\frac{k}{Q_y}\cdot \lg \left(1-\frac{Q_y\cdot \tau }{G}\right)$. (5)

При работе двигателя без долива масла и с циркуляционной системой смазки расход щелочности можно представить зависимостью:

$\left(G_{}-Q_y\cdot \tau \right)\cdot \frac{dC}{dt}=-K\cdot C-Q_y\cdot C$, (6)

где $G_T$ – масса масла, $Q_{у}$ – скорость угара масла.

Решая эту уравнения можно получить:

$С={С}_0\cdot {\left(1-\frac{Q_y\cdot \tau }{G}\right)}^{\frac{k}{Q_y}+1}$. (7)

Щелочность масла к моменту $\tau$ определяется начальной концентрацией С₀, количеством масла в системе G и параметром А, который, в свою очередь, зависит от $Q_{у}$ и S. Тогда концентрацию щелочности можно записать в виде:

$C=\frac{C_0}{A+1}$. (8)

Предполагая $C=S$, начальную концентрацию щелочности можно определить из уравнения:

$C_0=S\cdot \left(A+1\right)$. (9)

Начальная концентрация щелочности С₀=5,9 мг КОН/г, через 100 ч. работы двигателя рассчитанная щелочность составляет С =4,3, как показывают расчетные значение после 400 ч. Работы двигателя значение щелочности ниже предельного, рекомендуется замена масла или непрерывная ввод присадок в процессе работы масла.

Графическая иллюстрация изменения щелочности масла двигателя от продолжительности работы представлена в рис. 2.

Рис. 1. Графическая зависимость изменения концентрации загрязнений от продолжительности работы масла газового двигателя. / Fig. 1. Graph of dependence of pollution concentration change on service duration of the gas engine oil.

Рис. 2. Графическая зависимость снижения щелочности от продолжительности работы масла газового двигателя. / Fig. 2. Graph of dependence of alkalinity decrease on service duration of the gas engine oil.

Если концентрация присадки в масле С₀ > С_мин, замена одноразового общепринятого ввода присадки с маслом на непрерывное дозирование может обеспечить при этих же расходах присадки, увеличение срока срабатывания почти в два раза больше [5, 8, 9, 12, 13].

ВЫВОДЫ

Количество загрязняющих примесей в первые 240 моточасов эксплуатации интенсивно будит расти. Как выяснилось по результатам исследований концентрация загрязняющих примесей зависит от продолжительности работы масла и условия эксплуатации двигателя. Техническими требованиями установлены допустимые пределы щелочности масла. Эксплуатация двигателя на масле с щелочным числом ниже предельного ведёт к снижению надежности двигателя, ускоренному износу отдельных деталей, лакообразованию и осадкообразованию на поршневых кольцах и цилиндров. Не допускается применение масел щелочным числом ниже 2 мг КОН/г.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад автора. С.А. Утаев ― поиск публикаций по теме статьи, написание и редактирование текста рукописи, создание изображений, экспертная оценка, утверждение финальной версии. Автор подтверждает соответствие своего авторства международным критериям ICMJE. Автор прочел 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. S.A. Utaev ― search for publications, writing and editing the text of the manuscript, creating images, expert opinion, approval of the final version. 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 they have no competing interests.

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

Об авторах

Собир Ачилович Утаев

Автор, ответственный за переписку.
Email: utaev.s@list.ru
ORCID iD: 0000-0003-0377-8929

канд. техн. наук, доцент кафедры «Альтернативные и возобновляемые источники энергии»

Список литературы

Дополнительные файлы

Доп. файлы

Действие

1. JATS XML

Скачать

2. Рис. 1. Графическая зависимость изменения концентрации загрязнений от продолжительности работы масла газового двигателя.

Скачать (66KB)

Метаданные

3. Рис. 2. Графическая зависимость снижения щелочности от продолжительности работы масла газового двигателя.

Скачать (69KB)

Метаданные