close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Очистка работающего моторного масла от продуктов старения.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Бусин Игорь Вячеславович
ОЧИСТКА РАБОТАЮЩЕГО МОТОРНОГО МАСЛА
ОТ ПРОДУКТОВ СТАРЕНИЯ
Специальность 05.20.03 – Технологии средства технического обслуживания
в сельском хозяйстве
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Мичуринск – наукоград РФ, 2014
Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИИТиН
Россельхозакадемии).
Научный руководитель:
доктор технических наук
Остриков Валерий Васильевич
Официальные оппоненты:
Ли Роман Иннокентьевич
доктор технических наук, профессор / ФГБОУ
ВПО «Липецкий государственный технический
университет», кафедра транспортных средств и
техносферной безопасности, заведующий
Жачкин Сергей Юрьевич доктор технических
наук, доцент / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», кафедра автоматизированного оборудования машиностроительного производства, профессор
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Пензенская государственная
сельскохозяйственная академия»
Защита диссертации состоится «5»июня 2014 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.041.03 при федеральном государственном
бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мичуринский государственный аграрный университет» по адресу:
393760, Тамбовская область, г. Мичуринск, ул. Интернациональная, д. 101,
корпус 1, зал заседаний диссертационных советов,
тел./факс (47545) 5-32-13, Е-mail:dissov@mgau.ru.
С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ
ВПО МичГАУ и на сайте www.mgau.ru,с авторефератом – на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации
www.vak.ed.gov.ru.
Автореферат разослан «____»_____________ 2014 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук, доцент
В.Ю. Ланцев
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Смазочное моторное масло
в процессе работы в двигателе внутреннего сгорания претерпевает значительные изменения. Изменяется его состав, срабатываются присадки, масло загрязняется механическими примесями, продуктами разложения и сгорания присадок и топлива. По мере наработки масла в двигателях тракторов и накопления
смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов оно начинает интенсивно стареть, что
в значительной степени влияет на срок его службы, а соответственно отражается на технико-экономических показателях эффективной эксплуатации машины.
Существующие способы и средства очистки масел встроенные в систему
смазки двигателей не позволяют вместе с механическими примесями удалить и
продукты старения, что ставит вопрос необходимости разработки новых способов воздействия на работающее масло в разряд особо актуальных. И создает
основу для разработки высокоэффективных технологических процессов восстановления свойств работающих моторных масел, продления сроков их службы и обеспечения повышения надежности работы сельскохозяйственной
техники.
Степень разработанности темы. Вопросами продления сроков службы
масел, очистки их от примесей, восстановления эксплуатационных свойств и
увеличения ресурса работы масел посвящены труды Венцеля С.В., Григорьева
М.А., Ленивцева Г.А., Картошкина А.П., Коваленко В.П., Лышко Г.П., Острикова В.В., Рыбакова К.В., Стрельцова В.В., Цыпцина В. И., Фукса И.Г., Уханова
А.П., Сафонова В.В. и др.
Разработанные методы и технологии направлены, прежде всего, на решение задач удаления из масел механических примесей и воды. Существующие
способы очистки масел различного рода центрифугами и фильтрами не позволяют удалять продукты окисления и смолы, которые снижают работоспособность моюще-диспергирующих, противоизносных и антиокислительных
присадок, тем самым уменьшаются сроки эффективной работы смазочного
материала.
Достижения в области очистки отработанных масел позволяют приблизиться к решению поставленных задач удаления продуктов старения, однако
значительная разница составов и свойств отработанных и работающих масел не
позволяют в полной мере воспользоваться известными научными разработками.
Одним из возможных путей решения проблемы эффективного продления
сроков службы масел является удаление мелкодиспергированных продуктов
старения путем разработки нового технологического процесса периодической
очистки работающего моторного масла без его слива из картера двигателя.
Работа выполнена в Государственном научном учреждении «Всероссийский научно-исследовательский институт использования техники и нефтепродуктов Российской академии сельскохозяйственных наук» (ГНУ ВНИИТиН
Россельхозакадемии) в соответствии с заданиями Россельхозакадемии 09.04.07
«Разработать технологии, новые материалы, приборы и оборудование для
эффективного использования моторного топлива и смазочных материалов».
4
Цель работы – повышение эффективности очистки работающего моторного масла за счет удаления мелкодиспергированных продуктов старения.
Задачи исследований:
- теоретически обосновать закономерности укрупнения мелкодиспергированных частиц продуктов старения для их удаления из работающего моторного масла;
- обосновать параметры процесса удаления продуктов старения из работающего моторного масла, определить критериальные характеристики работоспособности масла;
- провести экспериментальные исследования по укрупнению частиц загрязнений, разработать способ очистки работающего моторного масла от продуктов старения, оценить противоизносные свойства очищенных масел
и их остаточный ресурс;
- определить конструктивно-режимные параметры технологического
процесса очистки работающих масел в стендовых и производственных
условиях;
- дать технико-экономическую оценку очистки работающего моторного
масла, от продуктов старения, повышающей эффективность его использования.
Научная новизна работы состоит в:
- установлении теоретических закономерностей укрупнения мелкодиспергированных частиц загрязнений и продуктов старения для их эффективного
удаления из работающего моторного масла;
- теоретическом обосновании и установлении оптимальных параметров
процесса очистки работающих моторных масел от продуктов старения без
слива их из картера двигателя внутреннего сгорания;
- обосновании совокупного показателя эффективности удаления продуктов старения и оценки работоспособности моторного масла;
- полученных результатах экспериментальных исследований подтверждающих необходимость и эффективность удаления продуктов старения из работающих моторных масел и позволяющих разработать принципиально новый
способ очистки масла;
Новизна предложенных технологических и технических решений подтверждена патентами РФ на изобретения № 2476589 «Способ очистки моторного масла от продуктов старения и загрязнений», № 2484462 «Способ определения щелочного числа моторных масел».
Теоретическая и практическая значимость работы:
Теоретические закономерности, полученные в ходе исследований, позволяют обосновать эффективные параметры технологического процесса удаления
продуктов старения из работающего моторного масла.
Применение технологического процесса удаления продуктов старения
позволяет увеличить срок службы работающего моторного масла и повысить
его работоспособность в двигателях тракторов.
Полученные результаты исследований рекомендуются для широкого
применения в сельскохозяйственном производстве, а так же предприятиям и
организациям, имеющим автотракторный парк.
5
Объект исследований – технологические и динамические процессы удаления продуктов старения из работающего моторного масла.
Предмет исследований – закономерности изменения свойств работающих моторных масел в процессе удаления продуктов старения при их дальнейшем использовании.
Методы исследований - исследования выполнялись теоретическими и
экспериментальными методами и включали в себя лабораторные, стендовые и
эксплуатационные испытания исследуемых моторных масел.
При проведении исследований использовались современные методики и
оборудование для оценки физико-химических показателей масел. Стендовые
испытания проводились по специально разработанной методике на тормозном
стенде, моделирующем работу двигателя в реальных условиях.
Производственные испытания проводились в сельскохозяйственных
предприятиях Тамбовской области.
Положения, выносимые на защиту:
- закономерности процесса укрупнения мелкодиспергированных частиц
загрязнений, продуктов старения для их эффективного удаления из работающего моторного масла;
- результаты экспериментальных исследований и режимных параметров
процесса очистки работающего моторного масла от продуктов старения;
- результаты стендовых и производственных испытаний устройства и
способа очистки моторных масел от продуктов старения и способа определения
работоспособности масла по щелочному числу;
- технологический процесс очистки работающего моторного масла от
продуктов старения и технико-экономическая оценка эффективности внедрения
разработок в сельскохозяйственное производство.
Степень достоверности и аппробация результатов исследований –
подтверждается сходимостью теоретических предположений с результатами,
полученными в ходе реальных исследований, выполненных с использованием
современной контрольно-измерительной и вычислительной техники; большим
объемом проведенных лабораторных физико-химических анализов проб моторных масел, испытаниями проведенными в реальных условиях эксплуатации,
подтвержденных положительными отзывами инженерных и технических служб
сельскохозяйственных предприятий.
Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на международных и всероссийских конференциях: «Dynamika
naukowych» (Badan, 2011); «Актуальные проблемы нано и микроэлектроники»
(Тамбов, 2011); «Повышение эффективности использования ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции» (Тамбов, 2011); «Naukowa myśl
informacyjnej powieki» - 2012»; «Изучение обеспечения инновационных процессов в агропромышленной сфере» (Москва, 2012); «Бъдещето въпроси от света
на науката» (София, 2012-2013).
Реализация результатов работы:
По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработан технологический процесс для удаления продуктов старения из работаю-
6
щего масла. Эксплуатационные испытания проведены в ФГУП ПЗ «Пригородный» Тамбовского района Тамбовской области, результаты испытаний внедрены в колхозе им. Ленина, Тамбовского района Тамбовской области.
Публикации по теме диссертации:
По результатам проведенных исследований опубликовано 17 научных
статей в ведущих научных и научно-технических журналах, в том числе 8
в журналах, рекомендованных ВАК, получено 2 патента РФ на изобретение
(№ 2476589, 2013 г., № 2484462, 2013 г.).
Структура и объем работы:
Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения,
приложений и списка использованной литературы, который включает 138
наименований. Работа изложена на 196 страницах машинописного текста,
и содержит 22 таблицы, 62 рисунка, 8 приложений.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы и изложены основные научные положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» проведен
анализ изменения свойств работающего моторного масла, происходящих под
воздействием факторов обуславливаемых работой двигателя внутреннего сгорания и качеством применяемого топлива. Проведен обзор существующих способов продления сроков службы и восстановления свойств работающего моторного масла, проведен литературный обзор существующих способов определения критериев и параметров его работоспособности.
В процессе работы двигателя внутреннего сгорания моторное масло и
входящие в его состав присадки непрерывно подвергаются воздействию высокой температуры, окислению, термоокислительному разложению углеводородов, составляющих основу масла. Происходит интенсивное накопление продуктов окисления масла, продуктов взаимодействия их с присадками, мелкодиспергированных продуктов неполного сгорания топлива размером 0,01-0,05 мкм.
В суммарном нерастворимом осадке, выделяемом из отработанных дизельных
масел центрифугированием на лабораторных центрифугах, неорганические
продукты сгорания топлива и масла составляют не столь значительную часть и
в меньшей степени оказывают влияние на скорость старения моторного масла.
В большей степени на старение масла оказывают влияние окислительные процессы и накопление продуктов старения.
Проведенный анализ существующих способов очистки и способов продления и восстановления свойств работающих моторных масел позволил установить, что встроенные в систему смазки устройства очистки позволяют удалить механические примеси размером более 3-5 мкм, что влияет на уменьшение
износа ЦПГ, но не оказывает значительного влияния на увеличение ресурса
работы моторного масла и на удаление продуктов окисления и разложения углеводородной основы масел. Удаление мелкодиспергированных загрязнений из
отработанного моторного масла требует внесения коагулянтов, агрессивно воз-
7
действующих на базу присадок, что крайне не желательно для работающих моторных масел. Установленная периодичность замены моторного масла, согласно заводским инструкциям зачастую не оправдана.
В настоящее время существует большое количество критериев и параметров позволяющих дать оценку работоспособности моторного масла, однако
воспользоваться ими в условиях эксплуатации техники сельхозпроизводителями можно лишь при возможности проведения физико-химических анализов и
высококвалифицированных специалистов.
В соответствии с результатами проведенного анализа состояния вопроса
и поставленной цели были сформулированы цель и задачи.
Во второй главе «Теоретические предпосылки продления сроков службы
работающих моторных масел за счет удаления продуктов старения» рассмотрены общие тенденции изменения свойств моторных масел по мере наработки,
а также процесс срабатывания присадок. Проведено теоретическое моделирование процесса укрупнения мелкодиспергированных частиц продуктов старения и оценка их последующего центробежного удаления из работающих
моторных масел.
Из-за наличия в работающем масле антиокислительных присадок различного механизма действия действительную скорость поступления кислых продуктов рассчитать довольно сложно, однако для описания общего случая
накопления кислых продуктов в работающем масле можно допустить, что скорость поступлений кислых продуктов пропорциональна некоторому обобщенному коэффициенту окисления ок :
ок
(1)
ок ок
где ок - концентрация образуемых кислых соединений в масле;
Тогда скорость поступления кислых продуктов в работающем масле равна (2). Графически этот процесс представлен на рисунке 1:
к
к Сок
(2)
ок ок
гдек - константа реакции нейтрализации псевдопервого порядка;
пр
КК – концентрация кислых продуктов в работающем масле; Кк – предельная концентрация кислых продуктов в работающем масле;τ окп - время срабатывания антиокислительных присадок; τ щп - время срабатывания щелочных
присадок
Рисунок 1 – Изменение концентрации кислых продуктов в масле в период
действия антиокислительных и щелочных присадок
8
I участок (0-50 ч) - характерен тем, что в этот период времени эффек-
тивно действуют антиокислительные присадки и накопления кислых продуктов в масле до определенного времени почти нет или оно незначительно за счет поступления их из сгоревшего топлива.
II участок (50-100 ч) - характерен тем, что количество кислых продуктов в масле пока еще мало, следовательно скорость реакции нейтрализации тоже не велика. На этой стадии процесса имеет место рост продуктов окисления;
III участок (100-150 ч) - квазистационарный процесс, прикотором скорость поступления продуктов окисления равна скорости реакции нейтрализации.
IV участок (150-220) - время работы масла достаточно велико и скорость
окисления масла большая. В основном идет процесс нейтрализации кислых
продуктов щелочными присадками.
V участок (220-τ щп )- после срабатывания щелочных присадок в масле
начинают накапливаться кислые продукты, ухудшая его эксплуатационные
свойства.
Работающее моторное масло представляет собой сложную дисперсную
систему, в которой, по мере наработки, накапливаются продукты сгорания топлива, термического разложения базы присадок, окисления масляной основы и
т.д. Размеры частиц продуктов старения масла сосредоточены в дисперсном
диапазоне 0,5-5 мкм и менее. Встроенные в систему смазки средства очистки не
могут полностью удалять эти загрязнения.
Для решения проблемы укрупнения и последующего удаления центрифугированием мелкодиспергированных продуктов старения рассматривался процесс их коагуляции путем дестабилизации дисперсной среды работающего моторного масла.
Как известно, частота столкновения m-мерной частицы (агрегата, содержащего m первичных частиц) с n-мерной частицей определяется их концентрациями nm nn:
∙
∙
(3)
– константа скорости столкновения частиц;
где
Изменение суммарного числа агрегатов Σ всех размеров (от m=1 до
≈ 30) во времени описывается дифференциальным уравнением Смолуховского:
(4)
После решения уравнения (5) методом разделения переменных с последующим интегрированием, оно приобретает вид:
(5)
Следовательно, функция времени может быть записана как:
!
"
(6)
9
Допустим, что начальное количество агрегатов " , изменяется экспоненциально т.е.:
! #$ %& '
(7)
где+ – параметр эффективности коагуляции;
Таким образом параметр эффективности коагуляции равен:
,+
.
(8)
'
Подставив уравнение (9) в (8) получим:
%.
/
% / '
/'
!
(9)
"$
"2
Графически изображение снижения количества n – агрегатов от времени
кратном имеет вид представленный на рисунке 2:
Агрегативная
устойчивость
масляной системы в значительной
степени зависит от состава дисперсной среды и может быть значительно изменена введением малых количеств электролитов. Моделируя процесс можно убедиться, что при введении в работавшее моторное масло
Рисунок 2 – Зависимость снижения ко- незначительного количества водного
личества агрегатов загрязнений от вре- раствора карбамида, резко интенсифицируется процесс коагуляции замени
грязнений. Водный раствор карбамида является электролитом и при увеличении содержания карбамида в воде
электропроводность смеси изменяется в соответствии с известной закономерностью, показанной на рисунке 3 (получена эмпирическим путем).
В зоне I электропроводность не
нарастает, в зоне II нарастает быстро и
стабилизируется, а в зоне III даже замедляется.
Для центрифуги, рассматриваемой нами конструкции, наименьший
диаметр гарантированно улавливаемых
частиц можно рассчитать по формуле:
Рисунок 3 – Изменение удельной
электропроводности водного
раствора карбамида
2п
3
4∙5∙6∙7
∆∙9: ∙;∙<
(10)
где = – расход очищаемого масла, проходящего через ротор, м3/с; > – кинематическая вязкость масла, мм2/с; ? –
границы пути осаждения частиц продуктов старения в роторе центрифуги, м; @
– угловая скорость вращения ротора, рад/с;
∆ Aпс Aм !/Aм – относительная разность плотностей дисперсной фазы
загрязнений (продуктов старения)Aпс и очищаемого масла Aм ; D объем зоны
очистки, м3; E – зона очистки; a=(F ?!, м.
10
Величина задерживаемых частиц диаметром 2G составит:
HG
I JK .
(11)
п
где 2п – предельный диаметр задерживаемых частиц; 2G
Коэффициент пропуска:
MG = 1 − HG .
(12)
Однако, выражение 12 характерно скорее всего для однократного прохождения частицы через центрифугу. Выражение 13 справедливо для частиц
определенного диаметра. В нашем случае диапазон частиц продуктов старения
(загрязнений) варьирует от 0,1 до 5 мкм. С учетом решения условий укрупнения частиц их предварительной коагуляцией, суммарный коэффициент пропуска центрифуги (MG ) можно найти, определив коэффициенты для каждой отдельной фракции:
OMG P = I1 −
:
J
:
п
K
(13)
Анализ изменения содержания нерастворимого осадка в отработанном
моторном масле при очистке в поле центробежных сил с 1,0 % до 0,1-0,2 %
указывает на взаимосвязь данного показателя со значением кислотного числа
как показателя эффективности удаления продуктов старения.
Рассмотрим функцию Q !, показывающюю количество загрязнений или
продуктов окисления, которое поступило в масло в момент времени . Пусть
масло отработало в течение периода времени . Посчитаем, какое количество
загрязнений поступило в него за это время. Для этого разделим период на
частей.
Обозначим Δ - длину k-ой части т.е.:
Δ =
− ,
(14)
Возьмем в каждой части произвольно по точке , определим величину
загрязнений Q ! и составим сумму произведений:
T = ∑ Q ! Δ .
(15)
Полученная сумма называется интегральной суммой для функции x t!, и
при Δ равна определенному интегралу:
lim[ '→" ] = lim ∑ Q ! Δ = ^" _ Q !2
(16)
Таким образом, за время
[ ' →"
в масло поступило загрязнений:
_
(17)
^" Q !2
Если не фиксировать , а взять произвольно, то получим формулу для
определения количества загрязнений, поступивших в масло за время :
Φ ! = ^" Q !2
(18)
Если в течение срока службы масло подвергалось очистке, то количество
накопившихся загрязнений будет меньше. Рассмотрим график Q !. В данном
случае
11
область определения функции можно
разбить на конечное число частей так,
что внутри каждой из них сама функция и ее производная являются непрерывными. При этом точки разбиения –
это моменты времени, в которые происходила очистка масла. Если масло
подвергалось очистке, то Q ! приниРисунок 4 –Характер процесса накоплемает вид кусочно-гладкой функции.
ния продуктов старения в работающем
Наибольший эффект удаления
моторном масле при их периодическом
загрязнений, при равном числе произудалении (очистке)
веденных очисток масла, можно достичь, если очистка будет производится через равные промежутки времени:
b
aр !
Φ
(19)
^" Q !2
e
Если масло очищалось n раз, то s
время между очисткой масла,
а t – время использования масла.
При очистке масла от продуктов старения ресурс масла (по загрязненности) может достигать 90 - 95% от ресурса свежего масла, т.к. масло после
очистки должно практически полностью освобождаться от смол, продуктов
окисления и срабатывания присадок, интенсифицирующих процессы окисления
углеводородов.
В общем случае, зависимость совокупного показателя качества очищенного масла СКрмм от n–го числа технологических параметров процесса очистки
работающего моторного масла при его использовании может быть выражена
моделью уравнения первого порядка:
СКрмм
в" f g вG ∙ EG f g вhi ∙ Ei ∙ Ei f
∑ вGi ∙ EG ∙ Ei ∙ E f. . . fвGi … ∙ EG ∙ Ei ∙ E . . E
(20)
При этом оптимизация значений технологических параметров должна исходить из условия обеспечения запаса качества и свойств очищенного работающего масла т.е.:
n 0,90СКп
(21)
kСКрмм T E E El … E !m
G
Таким образом, разработанный совокупный показатель характеризует качество очистки работающего моторного масла по содержанию нерастворимых
загрязнений (смол, асфальтенов, карбенов, карбоидов), продуктов старения
масла и щелочному числу как показателю запаса эксплуатационных свойств.
В третьей главе «Программа и методики экспериментальных исследований» изложена программа и методики проведения исследований, включающие
в себя:
- оценку характеристик работающих моторных масел на основании проведенных физико-химических анализов проб по методикам ГОСТ;
12
- определение дисперсного состава загрязнений моторного масла с различным временем наработки методом микроскопии, а также с помощью анализатора механических примесей ФС – 151;
- оценку коагулирующей способности мельчайших частиц загрязнений и
определение наиболее эффективной концентрации водного раствора карбамида;
- моделирование процесса удаления скоагулировавших частиц загрязнений в поле центробежных сил лабораторной центрифуги с оценкой физикохимических свойств и дисперсного состава моторного масла;
- сравнительная оценка противоизносных свойств работающих моторных
масел на четырехшарковой машинке трения типа КТ-2 при заданной осевой
нагрузке и температуре;
- сравнение смазывающей способности образцов моторных масел и изучение поверхностей трения на трибометре «TRB-S-DE», предоставленном ГНУ
ГОСНИТИ;
- разработку технологического процесса и устройства для удаления продуктов старения из работающего моторного масла, проведение испытаний по
установлению технологических параметров процесса очистки моторного масла;
- проведение стендовых и эксплуатационных испытаний с контролем
технического состояния двигателя и функциональных свойств моторного масла.
Эксплуатационные испытания технологического процесса по удалению
продуктов старения из работающего моторного масла проводились в весеннеосенний период на тракторах, принадлежащих ФГУП ПЗ «Пригородный» Тамбовского района Тамбовской области, СХПК «им. Ленина» Тамбовского района
Тамбовской области, а также на тракторе ЮМЗ принадлежащего ГНУ ВНИИТиН.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований
очистки работающего моторного масла от продуктов старения» приведены результаты исследований по изменению физико-химических показателей моторного масла в процессе его работы в ДВС, на основании которых определена периодичность проведения операции по удалению продуктов старения. Представлены результаты, полученные при проведении лабораторных исследований и
стендовых, эксплуатационных испытаний технологического процесса и устройства для удаления продуктов старения из работающего моторного масла.
Рисунок 5– Изменение содержания
нерастворимого осадка по мере наработки
моторного масла
13
Результаты исследований основных физико-химических показателей указывают на то, что в первые 100 - 150 часов в работающем моторном масле происходит наиболее интенсивное увеличение содержания нерастворимого осадка
(рисунок 5), 0,13% за первые 100 часов наработки, а к 250 часам наработки составляет 0,3%.
По данным проведенных анализов (рисунок 6 (а)) щелочное число моторного масла к 300 часам наработки уменьшилось на 3,1 мг КОН/г (за первые 100
часов на 1,1 мг КОН/г), кислотное число (рисунок 6 (б)) на 0,21 мг КОН/г (в
первые 100 часов на 0,05 мг КОН/г)
а)
б)
а) щелочное число; б) кислотное число
Рисунок 6 – Изменение физико-химических показателей моторного масла
с увеличением его наработки
Анализ результатов подсчета частиц загрязнений показывает, что
наибольшую часть составляют частицы загрязнений размером от 0,5 до 5 мкм.
Наличие в моторном масле моюще-диспергирующих присадок обеспечивает
дисперсионную устойчивость системы «работающее моторное масло - продукты старения», что является положительным моментом при работе масла, но в то
же время, необходимо дестабилизировать эту систему для дальнейшего укрупнения и удаления продуктов старения.
Анализ механизмов стабилизации дисперсной системы позволил выявить
необходимость снижения электрического барьера вокруг частиц загрязнений.
Для дестабилизации масляных систем был выбран карбамид, поскольку его
водный раствор позволяет ослабить воздействие как зольных так и беззольных
присадок на частицы загрязнений.
Результаты исследований по определению оптимальной концентрации
вносимого коагулянта и температуры позволили установить, что при внесении
0,2% 50%-го водного раствора карбамида и нагреве до 80 оС происходит заметное укрупнение мелкодиспергированных частиц размером от 0,5 до 5 мкм до
10-20 мкм (рисунок 7). При поддержании данной температуры в течении
10-15 минут частицы агрегатируют до 20-40 мкм.
Дальнейшее увеличение вносимой концентрации до 1,5-2% приводит к
заметному укрупнению частиц. Однако при таких концентрациях возможно не
полное выведение коагулянта, и как следствие, повторное укрупнение и засорение масляных каналов системы смазки.
14
Проведенные лабораторные
исследования по определению оптимальных параметров процесса
удаления продуктов старения из
работающего моторного масла в
поле центробежных сил лабораа)
б)
торной центрифуги позволили
установить, что удаление скоагулировавших продуктов старения и
окисления достаточно эффективно
происходит уже при 6000-7000
об/мин с дальнейшим увеличением
в)
г)
скорости вращения барабана центрифуги до 7000-8000. На основаа) при внесении 0,2% коагулянта;
нии проведенных исследований
б) при внесении 0,3% коагулянта;
разработан способ очистки моторв) при внесении 1% коагулянта;
ного масла от продуктов старения
г) при внесении 2% коагулянта;
Рисунок 7 - Микрофотографии работаю- и загрязнений Пат. 2476589 Росщего моторного масла при внесении вод- сийская Федерация, МПК С10М
175/02 и устройство (рисунок 8),
ного раствора коагулянта и нагреве
подключаемое к системе смазки
до 80 оС
двигателя, проведены испытания
(схема установки показана на рисунке 9) по установлению оптимальных технологических параметров очистки.
Таблица 1 – Результаты физико-химических анализов проб моторного
масла М-10Г2к, до и после очистки на лабораторной центрифуге
Показатели
Вязкость кинематическая, мм2/с
при 100ºС
Кислотное число, мг КОН/г
Температура вспышки
Содержание примесей, %
Содержание воды, %
Термоокислительная
стабильность при 250 ºС, мин
Цвет, ед. ЦНТ
ГОСТ
8581-78
Исходное После центримасло
фугирования
(6000 об/мин)
Предельные
показатели
11,0±0,5
11,5
10,5
205
0,015
Следы
2,33
187
0,80
Следы
0,79
190
0,01
Отс.
+35%
-20%
185
3
Следы
60
35
48
-
4,0
8,0
5,0
-
На основании полученных данных было разработано устройство для удаления продуктов старения из масла без его слива из картера двигателя. Устройство состоит из рамы, насоса НШ-10 (поз. 5), электродвигателя, реактивной
масляной центрифуги, манометра, трехходового крана и системы трубопроводов.
15
Рисунок 8– Общий вид
устройства для удаления продуктов старения из работающего
моторного масла
1 – бак-реактор; 2 – нагревательный элемент; 3 –
датчик температуры; 4 – кран;
5 – электродвигатель с насосом; 6 – манометр; 7 –
центрифуга; 8 – трехходовой кран;
Рисунок 9 - Схема установки для определения оптимальных технологических параметров очистки
работающего моторного масла
В результате проведения эксперимента установлено, что при температуре
нагрева масла до 65 - 70 оС укрупнение частиц загрязнений отсутствует. С увеличением температуры до 70 – 75 оС коагуляция загрязнений малозаметна в течение 1 – 5 минут. После 80 – 85 оС процесс коагуляции протекает более интенсивно, за меньший промежуток времени, при дальнейшем же увеличении температуры процесс коагуляции аналогичен. В ходе последующей очистки масла
от продуктов старения с помощью разрабатываемого устройства было установлено, что после центрифугирования при 4000 об/мин содержание нерастворимого осадка уменьшилось на 40%, а дальнейшее увеличение частоты вращения
ротора центрифуги до 6000 об/мин - на 85% При 7000-8000об/мин растет не
значительно. Изменение толщины осадка в роторе центрифуги и содержания
нерастворимого осадка в зависимости от скорости вращения ротора центрифуги показано на рисунке 10.
Рисунок 11 – Зависимость содерРисунок 10 – Изменение толщины осадка
жания нерастворимого осадка
(L) и величины нерастворимого осадка
от температуры масла и частоты
(НО) в роторе центрифуги в зависимости от вращения ротора центрифуги при
изменения частоты вращения ротора
перемешивании в течении 1 мин
Математическая обработка результатов полученных в ходе проведения
экспериментов позволила определить, что зависимость содержания нерастворимого осадка в масле от температуры масла (Q ) и частоты вращения ротора
16
центрифуги (Q ) описывается уравнением регрессии (22). Графически эта зависимость представлена на рисунке 11
p = 0,54 0,19Q
0,11Q
0,04Ql − 0,08Q Q − 0,03Q Ql
(22)
Проведение лабораторных исследований по оценке противоизносных и
смазывающих свойств позволило установить улучшение противоизносных
свойств масла после очистки его 50% -ным водным раствором карбамида, по
сравнению с исходным на 15-20% (рисунок 12). Коэффициенты трения полученные на трибометре «TRB-S-DE» товарного масла М-10Г2к и очищенного
масла близки по значению.
В ходе проведения сравнительных стендовых испытаний по очистке моторного масла
от продуктов старения с использованием разработанного
устройства на тормозном стенде
КИ 5543 ГОСНИТИ с двигателем Д-240 (рисунок 13) при работе масла с периодической
очисткой наблюдалось снижеРисунок 12 – Изменение диаметра пятна
ние расхода топлива на 2-3%.
износа масел в зависимости
Также происходит снижение
от температурных режимов
лако-и нагарообразования на
деталях цилиндро-поршневой группы, образуется в 2-3 раза меньше нагара в
зоне поршневых колец. Износ шатунных и коренных вкладышей снизился на
14-15%, поршневых колец на 7%.
Сравнивая значение щелочного число масла
проработавшего 250 часов с периодической
очисткой (3,3 мг КОН/г) и показатель для масла,
работавшего без очистки (2,5 мг КОН/г), можно
говорить об определенном запасе свойств масла к
моменту его регламентной замены. Кислотное
число для масла без очистки увеличилось на 27%
(с 1,4 до1,95 мг КОН/г). Для очищаемого масла
оно напротив уменьшилось (за счет удаления продуктов окисления, удаления сработавшейся части
Рисунок 13 – Проведение
щелочных присадок) на 0,8 мг КОН/г и составило
стендовых испытаний
0,58 мг КОН/г. Исследованиями подтверждено
улучшение на 30% смазывающих свойств работающего моторного масла М10Г2к после внесения в него коагулянта и удаления продуктов старения.
Производственные испытания технологического процесса и устройства
для удаления продуктов старения из работающих моторных масел проводились
в весенне – осенний период, на тракторах ДТ-75М и МТЗ – 80 (рисунок 14) принадлежащих ФГУП ПЗ «Пригородный» Тамбовского района Тамбовской области, а также на тракторе марки ЮМЗ принадлежащего ГНУ ВНИИТиН. На всех
этапах испытаний проводился замер и оценка технического состояния двигате-
17
лей тракторов. Через каждые 50 часов наработки отбирались пробы для проведения физико-химических анализов в условиях химической лаборатории ГНУ
ВНИИТиН, а так же до и после проведения операции по удалению продуктов
старения из работающего моторного масла.
Каждые 20 часов
проводилась проверка
щелочного числа работающего
моторного
масла специально разработанным способом
патент РФ № 2484462.
В результате проведенных физико-химичеса)
б)
ких анализов установа) МТЗ - 80; б) ЮМЗ
лено, что вязкость масРисунок 13 –Производственные испытания
ла работающего без
очистки изменилась в среднем на 12%, щелочное число снизилось на 55%, кислотное число увеличилось на 18%, а для масла работавшего с периодической
очисткой вязкость практически не изменилась (1,5%), щелочное число уменьшилось на 47%, кислотное число снизилось на 43%. Это происходит за счет удаления продуктов старения, разложения углеводородной основы присадок и продуктов окисления моторного масла. Содержание механических примесей в масле
работавшем без очистки увеличилось с 0,1% до 1,3%. Для масла работавшего с
периодической очисткой этот показатель остался неизменным. В целом можно
сказать, что масло с периодической очисткой после наработки в 300 мото-часов
обладает некоторым запасом эксплуатационных свойств.
По результатам проведенных исследований разработан технологический
процесс удаления продуктов старения и продления срока службы работающего
моторного масла.
В пятой главе «Оценка экономической эффективности удаления продуктов старения из работающих моторных масел и увеличения срока его службы»
был проведен расчет и анализ затрат на моторное масло в базовом и новом варианте с периодическим удалением продуктов старения из работающего моторного
масла. Годовой экономический эффект от использования технологического процесса составил 3020,45 рублей в расчете на один трактор. При этом окупаемость
капитальных вложений осуществляется за 0,29 года.
Заключение
1. Анализ процессов накопления загрязнений в работающих моторных
маслах и изменения их свойств показал, что образующиеся в маслах продукты
окисления и старения масел играют важную роль в снижении сроков службы масел и увеличении износа деталей двигателя.
2. Установлено, что скорость поступления продуктов старения, по мере
наработки масла в двигателе внутреннего сгорания, пропорциональна обобщенному коэффициенту окисления K. Агрегативная устойчивость масляной системы
18
в очень высокой степени зависит от состава дисперсной среды и может быть
значительно изменена введением очень малых количеств электролитов или коагулянтов. Оптимизация параметров способа и средства очистки масла должна
исходить, из условия обеспечения запаса качества и свойств работающего моторного масла.
3. Экспериментальные исследования показали, что основная часть загрязнений являющихся продуктами старения масла, сосредоточена в мельчайших частицах размером от 0,5 до 5 мкм, а укрупнить их можно введением в работающее
моторное масло 0,2-0,5 % от объема системы смазки 50 %-го водного раствора
карбамида, при температуре масла в картере двигателя не менее 80 оС
и дальнейшим перемешиванием в течении 10-15 минут.
4. Определены оптимальные параметры процесса очистки масла методом
центрифугирования, проходящего при частоте вращения ротора центрифуги
5000-6000 об/мин. Разработаны способ очистки моторного масла от продуктов
старения и загрязнений и устройство для удаления продуктов старения из работающего моторного масла.
5. Проведенными сравнительными стендовыми испытаниями установлено,
что средний износ вкладышей двигателя Д-240 при периодическом удалении
продуктов старения из работающего моторного масла снизился на 14 % для
шатунных и на 15 % для коренных относительно обычных условиях эксплуатации. Количество нагара снятого с внутренней поверхности первого компрессионного кольца после контрольной наработки 300 мото-часов в 2-3 раза меньше,
чем при работе двигателя в штатном режиме. Общая загрязненность поршня
уменьшилась в 1,78 раза. Щелочное число снизилось с 6 до 3 мг КОН/г, тогда
как в обычных условиях эксплуатации, до 2 мг КОН/г
6. Производственными испытаниями установлено, что за период наработки
300 мото-часов расход топлива в двигателях тракторов МТЗ-80 снизился в среднем на 3-8 %, а срок службы масла увеличился на 20 %. Загрязненность масла к
завершению испытаний составила 0,6 %, при том, что в обычных условиях эксплуатации этот показатель превышал 1,2 %.
7. Экономическая оценка показала, что внедрение технологического процесса, способа и устройства для удаления продуктов старения из работающего
моторного масла позволит получить экономический эффект от снижения затрат
на потребление масел и ремонт техники в размере 3045,4 рубля на один трактор
при сроке окупаемости 0,29 года.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы
Разработанный способ и технология очистки работающего моторного масла от продуктов старения и загрязнений в настоящий момент используется в
колхозе «им. Ленина» Тамбовского района Тамбовской области и рекомендуется
к использованию в двигателях внутреннего сгорания сельскохозяйственной техники
19
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ
В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ
В изданиях, рекомендованных ВАК
1. Бусин, И.В. Регенерация отработанного синтетического моторного
масла [Текст] / Н.Н. Тупотилов, В.В. Остриков, А.Г. Зимин, И.В. Бусин // Техника в сельском хозяйстве. – 2011. - №4. - с. 22-24.
2. Бусин, И.В. Использование карбамида для очистки моторных масел
[Текст] / В.В. Остриков, И.В. Бусин // Техника в сельском хозяйстве. – 2011. №5 - с. 23-24.
3. Бусин, И.В. Влияние карбамида на свойства работающего моторного
масла [Текст] / В.В. Остриков, Н.Н. Тупотилов, И.В. Бусин, // Механизация и
электрификация сельского хозяйства. – 2011. - №10. - с. 23-24.
4. Бусин, И.В. Удаление продуктов старения из масел [Текст] / В.В.
Остриков, И.В. Бусин // Сельский механизатор 2012, №1, с. 36-37.
5. Бусин, И.В. Определение содержания антиокислительной присадки в
работающем моторном масле [Текст] / В.В. Остриков, И.В. Бусин, С.Ю. Попов
// Механизация электрификация сельского хозяйства. – 2012. - №1. - с. 25-26.
6. Бусин, И.В. Анализ термостабильности присадок в моторном масле
[Текст] / В.В. Остриков, И.В. Бусин, С.Ю. Попов // Техника в сельском хозяйстве. – 2012. - №1. - с. 23-25.
7. Бусин, И.В. Увеличение ресурса работающего моторного масла и повышение его противоизносных свойств / И.В. Бусин, В.В. Остриков, С.Ю. Попов // Труды Всеросийского научно-исследовательского института ремонта и
эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ). М.: ГОСНИТИ, т. 109,
ч. 1. – 2012. - с. 81-84.
8. Бусин, И.В. Продление срока службы работающих моторных масел за
счет удаления продуктов старения [Текст] / В.В. Остриков, И.В. Бусин // Труды
Всеросийского научно-исследовательского института ремонта и эксплуатации
машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ). М.: ГОСНИТИ, т. 111, ч. 1. – 2013. с 75-77.
Патенты РФ:
9. Пат. 2476589 Российская Федерация, МПК С10М 175/02 . Способ
очистки моторного масла от продуктов старения и загрязнений / Остриков В.В.,
Бусин И.В., Вязинкин В.С.; заявитель и патентообладатель ГНУ ВНИИТиН
Россельхохакадемии – № 2011138661/04; заявл. 20.09.2011; опубл. 27.02.2013
10. Пат. 2484462 Российская Федерация, МПК С1 G 33/28. Способ определения щелочного числа моторных масел / Остриков В.В., Тупотилов Н.Н.,
Корнев А.Ю., Забродская А.В., Бусин И.В., Попов С.Ю.; заявитель и патентообладатель ГНУ ВНИИТиН Россельхохакадемии – 2012123336/15; заявл.
05.06.2012; опубл. 10.06.2013 Бюл. № 16
20
Публикации в сборниках научных трудов и материалах конференций:
11. Бусин, И.В.Теоретические предпосылки удаления воды из масел методом центрифугирования [Текст] / В.В. Остриков, А.Г. Зимин, А.Ю. Бектилевов, И.В. Бусин // Materialiy VII miedzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Dynamika naukowych badan. – 2011. - Volume 16. - Ekologia.Chemia I
chemiczne technologie.: Przemysl. Nauka I studia. – str. 16-22.
12. Бусин, И.В. Улучшение противоизносных свойств моторных масел
[Текст] : Тезисы докладов всероссийской научной школы 7-8 июля 2011г. / В.В.
Остриков, И.В. Бусин, В.П. Шелохвостов // Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники. - Тамбов.: 2011. - с. 68-69.
13. Бусин, И.В. Качество моторных масел и контроль основных физикохимических показателей [Текст] : Тезисы докладов всероссийской научной
школы 7-8 июля 2011г / В.В. Остриков, И.В. Бусин, В.П. Шелохвостов // Актуальные проблемы нано- и микроэлектроники. - Тамбов: 2011. – с. 118-119.
14. Бусин, И.В. Теоретические аспекты процесса удаления воды из масел
и топлив методом центрифугирования [Текст] : Сборник научных докладов 16й Международной научно-практической конференции 20-21 сентября / В.В.
Остриков, А.Г. Зимин, А.Ю. Бектилетов, И.В. Бусин - Тамбов: 2011. - с. 334338.
15. Бусин, И.В. Теоретический анализ физико-химического действия карбамида в среде работающего моторного масла [Текст] : Сборник научных докладов 16-й Международной научно-практической конференции 20-21 сентября
2011года / В.В. Остриков, Н.Н. Тупотилов, И.В. Бусин. – Тамбов: 2011. - с. 339343.
16. Бусин, И.В., Теоретические аспекты удаления продуктов старения из
работающих моторных масел [Текст] / И.В. Бусин, В.В. Остриков, С.Ю. Попов //
Materiały VIII iędzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Naukowa myśl informacyjnej powieki. – 2012. Volume 27. Rolnictwo.: Przemyśl. Nauka i studia. str. 8-15.
17. Бусин, И.В Критерии эффективности очистки моторных масел от продуктов старения и его работоспособности [Текст] / В.В. Остриков, И.В. Бусин,
С.Ю. Попов, И.А. Забродский // Материали за VIII междунардна научна практична конференция «Бъдещето въпроси от света на науката 2012» 17-25 декември, 2012 том 39 технологии. София «Бял ГРАД-БГ» ООД 2012, с.89-98.
18. Бусин, И.В. К обоснованию совокупного показателя восстановления
работоспособности моторного масла / В.В. Остриков, И.В. Бусин // VIII промышленный салон. Материалы IV Международной научно-практической конференции 19-21 марта 2013г София «Бял ГРАД-БГ» ООД. - с. 126-128.
19. Бусин, И.В. Теоретический анализ критериальных характеристик работоспособности моторного масла при восстановлении его свойств [Текст] /
Остриков В.В. С.Ю. Попов, И.В. Бусин, И.А. Забродский // Научное обозрение.
– 2013. -№ 10. - с. 134-138
Подписано в печать _______Формат 60х84/16
Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз.
392022 г. Томбов, пер. Новорубежный, 28,
ГНУ ВНИИТиН Россельхозакадемии
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
9
Размер файла
1 563 Кб
Теги
продуктов, очистки, старение, масло, моторного, работающего
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа