Метод контроля влияния процессов термоокисления и температурной деструкции на эксплуатационные свойства моторных масел

Моторное масло оказывает существенное влияние на надежность дви­ гателя внутреннего сгорания (ДВС). После достижения предельного состоя­ ния моторное масло необходимо заменить на новое. Предельное состояние моторных масел определяется заводами-изготовителями по моточасам или пробегу, но так как не учитываются индивидуальные условия и режимы экс­ плуатации, техническое состояние двигателя и система доливов, то это не обеспечивает их эффективное использование. Данную проблему можно ре­ шить только с помощью организации текущего контроля состояния мотор­ ных масел, системы фильтрации, обоснования показателей качества и их предельных значений.
К основным функциям моторных масел относятся уменьшение коэф­ фициента трения, поглощение теплоты, выделяемой при трении и удаление частиц износа. От правильного выбора моторных масел будет зависеть их ре­ сурс. При этом необходимо учитывать степень нагруженности двигателя, ко­ торую определяет классификация масел по группам эксплуатационных свойств. Однако единая нормативная база для классификации отсутствует.
Качество моторного масла определяет комплекс его эксплуатационных свойств, к которым относят моюще-диспергирующие, антиокислительные, антикоррозионные, противоизносные и вязкостно-температурные свойства. Введение комплекта полярно-активных присадок позволяет улучшить эти свойства, а именно обеспечивать, повышение температуры работоспособно­ сти. Например, температура работоспособности для масел нефтяного проис­ хождения составляет до -200 °C, а синтетических – до 500 °C. Существует стандарт по определению температурной стойкости (ГОСТ 23.221-84), одна­ ко его не указывают ни в одном сертификате качества нефтепродуктов.
Следует отметить, что до сих пор не выявлен механизм действия при­ садок на участках непосредственного контакта микронеровностей. Предпола­ гают, что под действием давлений и высоких температур, возникающих на участках контакта, присадки выступают в роли поставщиков серы, хлора или фосфора, которые на поверхностях трения образуют легкоплавкие сульфиды и хлориды металлов, а также легкоплавкие эвтектики различных фосфидов. Данные расплавленные пленки предотвращают схватывание металлов и, сле­ довательно, возникновение задиров на поверхностях трения. Молекулы орга­ нических присадок и легкоплавкие неорганические пленки претерпевают сложные реакции разложения, которые сопровождаются гомолитическим (образование свободных радикалов) и гетеролитическим (образование ионов) разрывом ковалентных химических связей в молекулах, или промежуточные продукты разрыва химических связей присадок могут инициировать различ­ ные химические реакции деструкции молекул моторного масла, которые протекают как по радикальному, так и по ионному механизмам. За счет не­ желательных побочных процессов снижается качество моторного масла и со­ кращается срок его службы. Для предотвращения этого процесса необходимо
4
изменять химическую природу противозадирных и противоизносных приса­ док таким образом, чтобы в процессе их воздействия и возможного распада при трении не образовывались органические радикалы и катионы, иниции­ рующие при эксплуатации деструкцию масел.
В условиях граничного трения при умеренных температурах формиру­ ются слои физически адсорбированных молекул моторного масла, которые слабо связаны с поверхностью твердых тел. При температуре выше 180 °С на поверхностях трения образуются хемосорбционные слои, которые прочно связаны с поверхностью твердых тел и составляет преимущественно из про­ дуктов окисления. Формированию на поверхностях трения химически моди­ фицированных слоев способствует дальнейшее повышение температуры в результате прямых химических реакций поверхностей металла с активиро­ ванными молекулами присадок.
Температурную стойкость моторных масел определяют приведенные выше механизмы действия присадок, происходящее на поверхностях трения под воздействием температуры. Влияние процессов окисления на свойства моторных масел оценивается (ГОСТ 981-75, ГОСТ 11063-2020, ГОСТ 18136­ 2017, ГОСТ 20457-75, ГОСТ 20944-75, ГОСТ 23175-78, ГОСТ 23797-79) и многочисленными инструментальными методами, которые позволяют опре­ делять термоокислительную стабильность по изменению вязкости, оптиче­ ских свойств, кислотности, тангенса угла диэлектрических потерь, коррози­ онной активности, испаряемости, количества отложений и других показате­ лей. Однако влияние этих показателей на триботехнические характеристики окисленных моторных масел изучено недостаточно. Кроме того, при иссле­ довании температурной стойкости и термоокислительной стабильности вы­ явлено, что моторные масла термостатируются. Процессы окисления и тем­ пературной деструкции протекают одновременно, но с различной интенсив­ ностью. Доминирующее влияние одного из процессов на физико-химические и противоизносные свойства моторных масел изучено недостаточно, поэтому поиск новых методов контроля направлен на установление количественных показателей преимущественного влияния одного из процессов на физико­ химические и противоизносные свойства масел.
Актуальность темы исследования. Адоптированный ГОСТ 17479.1­ 2015 к международным стандартам SAE и API устанавливает общие требова­ ния к качеству моторных масел, производимых на территории Российской Федерации, который не позволяет осуществить обоснованный выбор масел для конкретных ДВС, ввиду отсутствия критериев эксплуатационных свойств, вследствие того, что показатель качества эксплуатационных свойств не является физико-химической константой и зависит от процессов и усло­ вий, в которых оно проявляется.
В связи с этим, современный уровень развития техники и технологий транспортных средств требует применение высокоэффективных моторных масел, производство которых, возможно при наличии новейших технологий,
5

средств и методов контроля качества, что обосновывает цель и задачи дис­ сертационного исследования.
Степень разработанности темы. Научное и практическое значение представляет метод контроля влияния продуктов окисления и температурной деструкции на триботехнические и вязкостно-температурные характеристики моторных масел, обеспечивающие увеличение ресурса их работы в двигате­ лях и повышение надежности самого двигателя. Исследование этих процес­ сов проводилось в два этапа. На первом этапе моторные масла различной ба­ зовой основы, класса вязкости и группы эксплуатационных свойств подвер­ гались окислению при температурах 170 и 180 °С, а затем окисленные масла подвергались триботехническим испытаниям. На втором этапе те же масла подвергались температурной деструкции при тех же температурах, а затем триботехническим испытаниям.
Существенный вклад в изучение процессов окисления смазочных мате­ риалов внесли М. А. Григорьев, А. В. Непогодьев, Н. И. Черножуков, К. К. Папок, Н. М. Эмануэль, Г. И. Шор, Б. И. Ковальский и др. В результате ана­ лиза работ в этой области для оценки интенсивности процессов окисления предложены средства контроля, которые позволяют определить при окисле­ нии изменение испаряемости, вязкости, противоизносных и оптических свойств. Это дало возможность обосновать критерий термоокислительной стабильности, учитывающий сброс избыточной тепловой энергии по двум параметрам – изменению оптической плотности и испаряемости. Примене­ ние фотометрирования позволило установить два вида продуктов различной оптической плотности и явление перераспределения тепловой энергии между продуктами окисления и испарения, вызывающее изменение скорости окис­ ления и испарения. Однако большая часть тепловой энергии поглощается продуктами испарения. В этой связи предложен критерий температурной стойкости смазочных масел, учитывающий изменение оптических свойств и испаряемости.
Изучению механизма температурной деструкции посвящены работы И. Г. Фукса, И. А. Буяновского, Р. М. Матвеевского, Г. И. Шора, Н. К. Мышки­ на, Б. И. Ковальского и др. В них влияние температурной деструкции на па­ раметры износа оценивалось при триботехнических испытаниях, а воздейст­ вие температуры на свойства масел не учитывалось. Поэтому в настоящей работе влияние температуры на процессы температурной деструкции, проте­ кающие в смазочном материале, оценивалось фотометрическим методом, т.е. по изменению оптической плотности, испаряемости и вязкости, а влияние продуктов температурной деструкции на противоизносные свойства – на трехшариковой машине трения со схемой шар – цилиндр.
Для оценки доминирующего влияния продуктов окисления или темпе­ ратурной деструкции на противоизносные свойства масел проведен анализ работ в этой области. Существенный вклад в изучение процессов, протекаю­ щих на фрикционном контакте, внесли И. В. Крагельский, Б. И. Костецкий, Р. М. Матвеевский, И. А. Буяновский, Ю. С. Заславский, И. С. Гершман, А.
6

С. Кужаров, Н.А. Буше, Г.И. Шор, Б.И. Ковальский и др. Однако эти ученые при оценке противоизносных свойств учитывали все процессы, протекающие на фрикционном контакте одновременно. В данной работе противоизносные свойства оценивались при постоянных параметрах трения окисленных и тер­ мостатированных масел в диапазоне температур от 170 до 180 °С, что позво­ лило выявить различия во влиянии продуктов окисления и температурной деструкции на противоизносные свойства масел, обосновать общий критерий противоизносных свойств, учитывающий концентрацию продуктов окисле­ ния или температурой деструкции на номинальной площади фрикционного контакта, и предложить обобщенный показатель противоизносных свойств (ОППС), учитывающий скорости изменения критериев противоизносных свойств окисленных и термостатированных масел, установить доминирую­ щее влияние продуктов окисления или температурной деструкции на меха­ низм изнашивания.
Цель диссертационной работы. Повысить контроль качества эксплуа­ тационных свойств моторных масел, обеспечить обоснованный их выбор для ДВС различной степени нагружености, разработать предложения по усовер­ шенствованию системы классификации моторных масел по классам вязкости и группе эксплуатационных свойств.
Задачи исследования:
1. Разработать метод контроля влияния процессов термоокисления и температурной деструкции на эксплуатационные свойства моторных масел различной базовой основы, классов вязкости и группы эксплуатационных свойств;
2. Исследовать процессы окисления и температурной деструкции мо­ торных масел различной базовой основы, классов вязкости и группы экс­ плуатационных свойств и определить влияния продуктов этих процессов на оптические свойства, кинематическую вязкость и испаряемость;
3. Обосновать количественные критерии процессов окисления и тем­ пературной деструкции и их связь с противоизносными свойствами и вязко­ стно-температурными характеристиками моторных масел различной базовой основы, классов вязкости и группы эксплуатационных свойств;
4. Разработать предложения по усовершенствованию системы клас­ сификации моторных масел по классам вязкости и группе эксплуатационных свойств для ДВС различной степени нагружености.
Объект исследования. Моторные масла минеральной, частично­ синтетической и синтетической базовых основ, различных классов вязкости и групп эксплуатационных свойств.
Предмет исследования. Процессы термоокисления и температурной деструкции, и влияние их продуктов на эксплуатационные свойства мотор­ ных масел.
Методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось с применением анализа методов контроля процессов окисления и темпера­ турной деструкции углеводородов и присадок к ним, теории экспериментов,
7

теории трения, износа и смазки, методов расчета ресурса смазочных мате­ риалов, методов контроля оптических, физических и теплотехнических свойств.
При выполнении работы применялись стандартные и специально раз­ работанные средства испытания и контроля, а для обработки результатов экспериментальных исследований – методы математической статистики и регрессионного анализа.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, по­ лученных автором, подтверждается теоретически и экспериментально. На­ учные положения аргументированы. Теоретические результаты и выводы подтверждены проведенными экспериментальными исследованиями и их ма­ тематической обработкой, непротиворечивостью данным других авторов, ис­ пользованием экспериментального оборудования, позволяющего с достаточ­ ной точностью осуществлять измерения требуемых параметров, а также стандартных программ для обработки экспериментальных данных с приме­ нением современных средств вычислительной техники в соответствии с по­ ставленными задачами.
На защиту выносятся:
1. Метод контроля влияния процессов термоокисления и температур­ ной деструкции на эксплуатационные свойства моторных масел различной базовой основы, классов вязкости и группы эксплуатационных свойств.
2. Результаты исследования влияния выбранных температур испыта­ ния на процессы термоокисления и температурной деструкции, вязкостно­ температурные характеристики, противоизносные свойства моторных масел различной базовой основы, классов вязкости и группы эксплуатационных свойств.
3. Результаты оценки преобладающего влияния процессов термоокис­ ления или температурной деструкции на потенциальный ресурс, вязкостно­ температурные характеристики и противоизносные свойства моторных масел и критерии оценки.
4. Результаты регрессионного анализа процессов термоокисления и температурной деструкции, противоизносных свойств и вязкостно­ температурных характеристик моторных масел различной базовой основы, классов вязкости и группы эксплуатационных свойств.
5. Практические предложения по усовершенствованию системы клас­ сификации моторных масел по классам вязкости и группе эксплуатационных свойств для ДВС различной степени нагружености.
Научная новизна работы:
1. Разработан метод контроля влияния процессов термоокисления и температурной деструкции на эксплуатационные свойства моторных масел различной базовой основы, классов вязкости и группы эксплуатационных свойств, позволивший оценить влияние температуры в диапазоне от 180 и
170°С на их эксплуатационные свойства; 8

2. Предложены альтернативные критерии термоокислительной ста­ бильности и температурной стойкости, позволяющие сравнивать различные смазочные материалы;
3. Предложен коэффициент доминирующего влияния процессов окисления или температурной деструкции, позволяющий обосновано выби­ рать более термостойкие моторные масла;
4. Предложен обобщенный показатель противоизносных свойств тер­ мостатированных масел, позволяющий оценить влияние продуктов термоста- тирования на противоизносные свойства испытуемых моторных масел;
5. Предложен эмпирический критерий эксплуатационных свойств мо­ торных масел, позволяющий комплексно оценить эксплуатационные свойст­ ва исследуемых моторных масел и идентифицировать масла на соответствие группам эксплуатационных свойств.
Практическая значимость работы. На базе теоретических и экспери­ ментальных исследований разработаны практические рекомендации, вклю­ чающие технологии определения: термоокислительной стабильности; темпе­ ратурной стойкости; триботехнических характеристик окисленных и термо­ статированных масел; влияния продуктов окисления и температурной дест­ рукции на вязкостно-температурные свойства; доминирующего влияния про­ дуктов окисления или температурной деструкции на триботехнические и вяз­ костно-температурные характеристики моторных масел.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты теоре­ тических и экспериментальных исследований докладывались на научно­ технических семинарах кафедры «Топливообеспечение и горюче-смазочные материалы» института нефти и газа «Сибирского федерального университе­ та» (Красноярск, 2015-2017 гг.); XXIV Научно-практической конференции «Тенденции развития науки и образования» (Самара, 2017); Наука и иннова­ ции в XXI веке: актуальные вопросы, открытия и достижения МЦНС «Наука и просвещение» (Пенза, 2017).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, включая 10 работ в издании, рекомендованном перечнем ВАК, и 2 работы в издании, рекомендованном перечнем SCOPUS, получено 4 патента РФ (см. приложения А-Г).