Повышение ресурса моторного масла с добавлением специализированных присадок

Известно, коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания находится в пределах от 25 до 30%. Теоретически без изменения принципиальной конструкции двигателя внутреннего сгорания можно повысить коэффициент полезного действия до 40%. Как видим, разброс цифр довольно большой. Нельзя не обратить внимания на то, что увеличение коэффициента полезного действия на 1% приводит к увеличению мощности двигателя примерно на 4%, так как 25% КПД соответствует 100% мощности двигателя. Выявлено, что на трение и утечки приходится 25−50% всех механических потерь в двигателе автомобиля, а потери в паре трения поршневое кольцо — стенки цилиндра составляет 9 — 15% мощности двигателя. Снижение потерь в этой паре может дать огромную экономию топлива, а также приводит к существенному увеличению мощности двигателя.

При оценке надежности двигателя большое значение имеет качество используемого моторного масла. В свою очередь, специфика конструкции двигателя и особенности его рабочего процесса напрямую влияют на напряженность работы моторного масла и сроки его смены в двигателях. Вместе с тем, напряженность работы моторного масла характеризуется совокупностью показателей, часть из которых относится к конструкции двигателя, особенностям протекающего рабочего процесса, условиям эксплуатации, в то время как другая — непосредственно к качеству масла.

Такое сочетание показателей может служить дополнительным обоснованием возможности рассмотрения масла как технического элемента, равноправного элементу конструкции двигателя.

При работе ДВС 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.).

Масла, выполняя свои функции, претерпевают различного рода превращения. присадка моторный окисел загрязняющий Общее изменение состояния масла во времени (ф) можно характеризовать производством энтропии (S), которое определяется соотношением:

(1).

где: х — скорость химической реакции;

А — сродство реакции;

Т — температура.

В свою очередь, скорость химической реакции связана со степенью ее развития или с полнотой (о) соотношением:

(2).

Значения о меняются от 0 до 1.

Можно предположить, что о= 0 соответствует исходному состоянию масла, а о = 1 — состоянию, к моменту реализации которого в масле прошли все возможные превращения.

Поскольку большинство протекающих в любой системе процессов описываются преимущественно S-образной кривой, без существенной ошибки можно допустить аналогичный характер изменения о от времени (рис. 1).

Рисунок 1 — Общий характер изменения полноты превращения масла от времени На приведенной кривой принципиально следует выделить три типичные или характерные значения о (о1, о2, о3).

Точка о1 характеризует начало активного изменения состояния масла в результате развития протекающих в нем термохимических процессов.

Точка о2 соответствует началу снижения скорости термохимических превращений в масле, которое интерпретируется изменением тангенса угла наклона касательной к кривой, а точка о3 определяет практическое прекращение всех химических превращений в масле и выход на теоретически стабильное состояние.

От вязкости масла зависит величина механических потерь в двигателе, его коэффициент полезного действия и, что особенно важно, — расход топлива.

Конструкция системы смазки современных двигателей позволяет достаточно эффективно решать вопрос очистки и подачи охлажденного моторного масла в работающем двигателе. Однако проблема обеспечения своевременной подачи масла к деталям в период его пуска и прогрева все еще окончательно не решена, что и является одной из причин износа деталей в этот период.

Для двигателей, различной конструкции предельное значение вязкости масел, при которых их пусковая система не обеспечивает провертывание коленчатого вала с требуемой частотой вращения, изменяется в пределах 4000−10 000 сСт.

С понижением температуры окружающего воздуха частота вращения коленчатого вала при пуске уменьшается. Температура, при которой частота вращения, обеспечиваемая пусковой системой двигателя, совпадает с минимальным пусковым числом оборотов, необходимым для воспламенения топливно-воздушной смеси в цилиндре, является минимальной температурой пуска двигателя.

Удовлетворение этих требований достигается за счет оптимизации вязкости масла во всем диапазоне рабочих температур двигателя и применения для снижения трения специальных присадок-модификаторов трения.

Высокая температура деталей цилиндропоршневой группы двигателей обеспечивает необходимую энергию активации и в результате взаимодействия между функциональными группами образуются полимерные продукты. Присутствие в масле серы, кислорода, и других элементов способствует переводу их в нерастворимые полимерные структуры — лак и смолы. Действие серной кислоты на пленку масла в кольцевом поясе поршней также приводит к образованию отложений, содержащих серу и другие элементы (рис. 2).

Рисунок 2 — Отложения на деталях двигателя при низкотемпературном режиме Большую роль в образовании низкотемпературных отложений играют окислы азота (NOx). Они оказывают сильное каталитическое действие на ускорение всех выше указанных реакций окисления и поликонденсации углеводородов (табл. 1).

Масло с присадками в большей степени оказывает влияние не на количество, а на агрегатное состояние органических загрязняющих примесей и возможность их выделения на деталях, т. е. за счет моюще-диспергирующих свойств масло переводит эти примеси в высокодисперсное состояние или коллоидный раствор и препятствует их осаждению на деталях.

Таблица 1 — Влияние NOx на образование нерастворимых загрязняющих примесей в масле с различными присадками.

* Миллимолей на 100 г масла, загрязненного окисленным бензином.

Трение изначально является термодинамически неравновесным процессом, который может существовать как в области близкой к равновесию, так и вдали от неё, образуя различные структурные классы, переход к которым осуществляется скачкообразно. В связи с этим термодинамически возможно существование систем трения не накапливающих потенциальной энергии в виде скоплений дефектов.

Таким образом, теоретически возможно «управлять» изнашиванием, «подвигая» термодинамическую систему к состоянию равновесия. Химическая термодинамика указывает, что выполнить это возможно, подводя к системе или отводя из системы теплоту, повышая температуру нагреванием или снижая её охлаждением. Теоретически возможно также воздействовать на систему путём изменения давления. Однако эти пути воздействия на физико-химическую систему с целью приближения её к состоянию равновесия не могут быть применены в условиях трения в двигателе внутреннего сгорания.

Остаётся единственный возможный путь воздействия на физико-химическую трибологическую систему — введение в неё химических реагентов. Основой коллоидной химии и учения о поверхностных явлениях является понимание, что введение в систему веществ с теми или иными свойствами способно кардинально изменить её, существенно повысить или понизить поверхностную энергию.

В состав масляной композиции, как известно, входят присадки различного функционального назначения. Присадки могут относиться к разным химическим классам и отличаться по составу и строению. Присадки выполняют в маслах доминирующие функции, их выбор требует наиболее объективного обоснования. Для этого была проведена серия исследований, направленных на определение эффективности действия присадок, включая салицилаты, феноляты и сульфонаты металлов и др.

Для получения поверхностно-активного вещества (ПАВ) был приведен химический синтез, реагентами которого являются:

• — перфторкарбоновая кислота СF3(СF2)nСООН;
• — этаноламин H2N — CH2 — CH2 — OH;
• — борная кислота H3BO3.

В качестве присадки используются органические соединения борат этаноламид перфторкарбоновой кислоты, состоящие из:

• — фторангидрид перфторкарбоновой кислоты — 71,7%;
• — перфторгексан — 20,81%;
• — фторангидрид щгидроперфторгептановой кислоты — 3,8%;
• — щ — гидроперфторгексан Н (CF2)5CF 3 — 2%;
• — прочие примеси — 1,69%.

При введении этих добавок в моторное масло на трущихся поверхностях формируется самовосстанавливающийся защитный антифрикционный слой. Молекулы этого органического соединения размером 3 нм являются поверхностно-активными. ПАВ слой как магнит. ПАВ имеет положительный и отрицательный заряд на молекуле СОНN и отрицательный везде связывается с металлом. Микроскопически он покрывает все поверхности ПАВ-ом. Они связываются, потому что сталь принимает отрицательный заряд и прилипают к ней подобно магниту. Другая часть имеет очень сильный положительный заряд. Этот положительный заряд сталкивается с другим положительным зарядом. Весь мотор сейчас охвачен этим положительным зарядом, и когда может возникнуть стачивание металлических деталей — они отталкиваются. Адсорбируясь на поверхностях трения, такие молекулы формируют квазикристаллическую структуру, которая защищает поверхность от износа и уменьшает граничное и гидродинамическое трение. На поверхности этого слоя устанавливается динамическое равновесие между атомами металла самого слоя и переходными металло-органическими комплексами ПАВ металла в составе моторного масла. В результате достигается замкнутый цикл «износ-восстановление», что позволяет реализовать принцип самовосстановления механизмов и перевести протекание процессов трения в режим близкий к идеальному. В зоне трения за счет высоких локальных температур и давления также происходит разрушение смазочных материалов с выделением углерода и атомарного водорода, что также ускоряет изнашивание металла. Присадка взаимодействует с металлическими поверхностями именно при таких условиях. Молекулы полученного соединения адсорбируются на поверхности металла за счет водородной связи, которую обеспечивает водород группы. Энергетически водородная связь превышает силы Ван-дер-Ваальса более чем в 10 раз. Она легко вытесняет с поверхности металла неполярные молекулы. Не поделённые электроны атома азота в амиде образуют комплексные соединения с катионами металла.

Исследования проводились на трибометре марки TRD-S-DE. В чашу помещался диск (сталь 30), приливалось исследуемое масло (масло + присадка). На поверхность диска опускался индентор (шарик, сталь марки Inox 440 под различными нагрузками). Скорость вращения 50 см/с. Длина пути 500 м (приработка) и 1000 м (основное испытание) (рис. 3−5).

Рисунок 3 — Изменение коэффициента трения и глубины износа стального диска (Ст 30) (Моторное масло + присадка (10%), нагрузка 40 N, длина пути 1000 м).

Рисунок 4. Изменение коэффициента трения и глубины износа стального диска (Ст 30) (Моторное масло + присадка (10%), нагрузка 45 N, длина пути 1000 м).

Рисунок 5. Изменение коэффициента трения и глубины износа стального диска (Ст 30) (Моторное масло + присадка (10%), нагрузка 50 N, длина пути 1000 м) В результате оптимизации состава присадки по содержанию активных компонентов выяснено, что существует диапазон эффективных концентраций ионов пластичных металлов, при которых происходит существенное, статистически достоверное, снижение износа поверхностей трения по сравнению с контролем (моторным маслом, не модифицированным присадкой). В диапазоне эффективных концентраций компонентов присадки износ может быть до 4 раз меньше, чем в контроле.

Также в диапазоне эффективных концентраций обнаружен чётко выраженный экстремум — минимальный износ в парах трения при оптимальном содержании (%) активных веществ в присадке. В условиях проведения испытаний, минимум износа соответствовал концентрации — 0,5%.

Таким образом, установлено, что использование специализированной присадки, действие которой заключается в формировании молекулярного слоя на поверхностях трения, снижает коэффициент трения на 17%. Рациональный уровень изменения показателей качества, при котором необходимо проводить мероприятия по продлению ресурса моторного масла, составляет 250…320 мото-ч наработки ДВС, при этом ресурс моторных масел увеличивается на 35…45%. Применение данной технологии позволяет защитить поверхности контакта с помощью пленки ПАВ толщиной 4 -6 нм, как при сухом трении, так и при гидродинамическом.