Колода А.В., Маркин Д.А.
АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОТОРНОГО МАСЛА, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ ПРОЦЕСС ЕГО СТАРЕНИЯ *
Аннотация:
статья посвящена комплексному анализу физико-химических параметров моторных масел, характеризующих процесс их старения в условиях эксплуатации. Рассмотрены ключевые показатели качества масла: вязкость, индекс вязкости, щелочное и кислотное числа, зольность, температура вспышки и коксуемость, а также их влияние на работоспособность двигателя. Особое внимание уделено современным методам диагностики состояния масла, включая диэлектрическую спектроскопию и анализ электрических свойств. Приведены предельно допустимые значения основных параметров, служащие критериями для своевременной замены масла. Исследовано воздействие различных загрязнений (продукты износа, вода, топливо) на эксплуатационные характеристики смазочного материала.
Ключевые слова:
моторное масло, старение масла, вязкость, индекс вязкости, щелочное число, диэлектрическая спектроскопия, диагностика масла, загрязнение масла, замена масла
Эксплуатационные требования, предъявляемые к моторным маслам, являются гарантом надежной и безотказной работы двигателя. Для обеспечения нормальной работы двигателя моторное масло должно соответствовать ряду требований, эффективность выполнения которых зависит от его физико-химических параметров.Вязкость моторного масла является одним из основных требований, предъявляемых к моторным маслам. Значение вязкости нормируется Российским ГОСТом 17479.1-2015 «Масла моторные. Классификация и обозначение», а также, зарубежными классификациями SAE J 300:2013, ACEA, ILSAC. Решающим фактором, влияющим на вязкость масла, является его температура. Например, при понижении температуры масла от 100 до 50оС вязкость масла может увеличиться в 5 раз, а при охлаждении моторных масел до 0оС и ниже, вязкость может увеличиваться в сотни и тысячи раз. Превышение максимального уровня вязкости приводит к увеличению потерь на трение и увеличению расхода топлива двигателем, затруднению пуска двигателя и увеличению интенсивности изнашивания пар трения от недостаточного поступления масла в зоны трения. Уменьшение вязкости сопровождается повышением интенсивности изнашивания деталей, увеличения испаряемости масла и задирам трущихся поверхностей. Изменения вязкости моторного масла от температуры описывают с помощью различных экспоненциальных и логарифмических зависимостей, таких, например, как уравнения Вальтера, Рамайя, Салмина.Формула Вальтера имеет вид: где:vt – кинематическая вязкость, мм2/с при температуре t оС,Т – абсолютная температура,а – коэффициент, зависящий от индивидуальных свойств жидкости.Формула Рамайя имеет вид:где:η – динамическая вязкость масла,Т – абсолютная температура,А и В – коэффициенты, постоянные для данного масла.Формула Салмина имеет вид:Наличие в представленных уравнениях эмпирических коэффициентов является их существенным недостатком. Из них также не ясно, какие физические явления протекают в масле при изменении его температур.На вязкость моторного масла оказывает влияние и давление в узле трения. С увеличением давления, динамическая вязкость масла возрастает по степенному закону.Температурный параметр при работе двигателя не оказал существенного влияния на изменение кинематической вязкости масла, поэтому он не является определяющим предельные сроки замены моторного масла.Для оценки низкотемпературных свойств ММ и пологости вязкостно- температурной кривой в современных отечественных и зарубежных стандартах применяют показатель – индекс вязкости (ИВ) [1]:где:ν – кинематическая вязкость масла при 40℃ с ИВ =0 и имеющим при 100℃ такую же кинематическую вязкость, как испытуемое масло, мм2/с,ν1 - кинематическая вязкость испытуемого масла при 40℃,ν2 - кинематическая вязкость масла при 40℃ с ИВ =100 и имеющим при 100℃ такую же кинематическую вязкость, как испытуемое масло, мм2/с.Чем выше индекс вязкости, тем лучше низкотемпературные свойства моторного масла и тем более пологая вязкостно-температурная зависимость. Недостатком данного показателя является то, что при определении индекса вязкости используют данные о вязкости масла только в области положительных температур.Свойство моторного масла нейтрализовывать кислоты, образующиеся при работе двигателя, характеризуется щелочным числом, которое уменьшается в процессе работы моторного масла. Значительное снижение щелочного числа моторного масла происходит в первые часы работы ДВС, затем – по экспоненциальной зависимости. При этом происходит снижение таких важных эксплуатационных свойств моторного масла, как: моющие, антиокислительные, противоизносные и другие свойства, которые обеспечиваются присадками щелочного типа. При доливах масла происходит частичное его восстановление. Предельно-допустимыми значениями щелочного числа являются: 0,5 – 2,0 мг КОН/1 г масла для бензиновых ДВС и 1,0 – 3,0 – для дизелей [1].Диспергирующие свойства моторного масла при работе ухудшаются по мере срабатывания диспергирующих присадок, в результате чего усиливаются процессы образования отложений в фильтрах и в картере, увеличения вязкости масла и повышение износа деталей. Предельно-допустимые значения диспергирующих свойств моторных масел составляют: по методу капельной пробы – не менее 0,35 условных единиц, по методу центрифугирования – не менее 2,0 по варианту А/Б и не менее 0,7 - по варианту [11].При работе двигателя в моторном масле образуется нерастворимый осадок из продуктов износа деталей двигателя, частиц глубокого окисления, продуктов срабатывания присадок и пыли, поступающей из окружающей среды [8, 9, 10,11]. Предельное значение нерастворимого осадка в зависимости от типа двигателя может находиться в пределах 1 – 10% [6]. Зольность масла характеризует наличие золы металлов присадок (для нового масла) и инородных продуктов износа трущихся сопряжений, загрязнения и глубокого окисления. Чем больше зольность свежего масла, тем больше зольных присадок в него введено. С увеличением зольности работающего масла увеличивается интенсивность износа деталей ДВС [16].По температуре вспышки моторного масла определяется наличие в нем легких фракций базового масла (в новом масле) и топлива, которое попадает в масло в процессе работы двигателя. Температура вспышки характеризует противоизносные и противонагарные свойства моторного масла. Предельно допустимое значение температуры вспышки для моторных масел составляет 170 – 180℃ [13]. Предельно допустимое снижение температуры вспышки моторного масла составляет 20% от начального значения [6]. Чем ниже температура вспышки, тем хуже противоизносные свойства масла, ее увеличение свидетельствует об увеличении вязкости моторного масла.При работе дизельного двигателя на обводненном масле происходит коагуляция диспергированных углеродистых частиц, в результате чего повышается осадкообразование в масле, увеличивается скорость загрязнения масла и, как следствие, рост показателя коксуемости [8, 9, 10, 11]. Рост коксуемости моторного масла при эксплуатации ДВС значительно ускоряется в присутствии катализаторов, роль которых играют металлические трущиеся поверхности и содержание в масле воды.В работе [15] проведены исследования влияния обводнения моторного масла на содержание присадок, которые выявили следующее: часть присадок растворяется с образованием водных растворов, для противоизносных присадок вода может служить катализатором необратимого разложения с образованием осадка, резко уменьшается концентрация антипенной присадки.Увеличение плотности работающего масла происходит за счет процесса окисления базового масла и накопления в нем различных видов эксплуатационных загрязнений. На уменьшение плотности масла оказывает влияние попадающее в него топливо. Поэтому предельно допустимое значение показателя «плотность» для работающего моторного масла не установлено, но из многочисленных источников известно, что плотность работавшего масла не должна превышать 0,900 г/см3 [1, 7].С.В. Венцель [2] предложил принять за критерий противоизносного действия работающего масла коэффициент αкс, равный отношению органической части примесей в масле к неорганической. Опыты дали четкую зависимость между средней скоростью износа z г/ч и качественным составом примесей αкс. Во всех опытах при увеличении αкс скорость износа уменьшалась, и зависимость z= f(αкс ) имела вид гиперболы.Эксплуатационные свойства моторных масел можно определять по диэлектрическим свойствам (тангенс угла диэлектрических потерь tgδ и диэлектрическая проницаемость). Авторы [3, 4, 5] исследовали возможность использования для контроля вязкости масла метод диэлектрической спектроскопии (по величине tgδ). Этот же метод применялся для определения кислотного числа и концентрации продуктов износа трущихся деталей в отработанном масле. В работах приведены результаты совместного воздействия разных видов загрязнений на величину диэлектрической проницаемости моторного масла ESSOLUB XT4 SAE 15W-40 (API CF-4). Получены уравнения регрессии, позволяющие оценить диэлектрическую проницаемость масла при известной концентрации загрязнений. Полученные уравнения справедливы в исследуемом диапазоне концентраций загрязнений и требуют дальнейших исследований.Автором [3] проведены исследования зависимости диэлектрической проницаемости масла SAE 15W-40 от концентрации в нем железа, дизельного топлива, охлаждающей жидкости, сажевых частиц. Результаты проведенных исследований показали, что наиболее сильное влияние на величину относительной диэлектрической проницаемости в рассматриваемом диапазоне браковочных значений оказывают сажевые частицы и охлаждающая жидкость.Попадание в моторное масло различного рода примесей приводит к изменению его электрических показателей. В работе представлены результаты исследования изменения диэлектрических потерь моторного масла в зависимости от пробега автомобиля, которые отражены в таблице 1. А также, получены зависимости изменения электрического сопротивления R автомобильных масел фирм «Shell» и «Consol» от концентрации влаги, содержания продуктов сгорания и пробега автомобиля.Таблица 1. Результаты исследования изменения диэлектрических потерь моторного масла в зависимости от пробега автомобиля.Оптическая плотность моторного масла повышается по мере накопления в нем продуктов загрязнения, и может являться критерием оценки его моющих свойств. В работе представлены результаты исследования изменения физико-химических показателей моторных масел в двигателях различных марок в процессе их работы. К моменту замены моторных масел обнаружено содержание в них нерастворимого осадка от 0,87 до 2,7%, увеличение кинематической вязкости на величину от 10 до 59%, кислотного числа от 0,8 до 2,8 мг КОН/г масла, снижение щелочного числа от 32 до 56%, повышение коксуемости от 33 до 122%.Для оценки качества моторного масла предлагается контролировать восемь физических параметров, которые обусловлены углеводородным составом: плотность ρ, сдвиговая ηs, кинематическая ν и объемная ηυ вязкости, скорость с, коэффициент α/f2 поглощения ультразвука, стоксовский коэффициент α/f2 поглощения, коэффициент βs адиабатической сжимаемости, по которым можно оценивать важнейшие эксплуатационные показатели.С целью обоснования информативности показателей качественного состава моторных масел при их наработке в ДВС в работе [12] проведен корреляционный анализ. В качестве ранга показателей рассматривалось отношение коэффициента корреляции изменения каждого из анализируемых показателей со временем наработки в ДВС (riτ) к величине их дисперсии (σ). Определено, что достоверно коррелируют с наработкой ДВС изменение кинематической вязкости, щелочного и кислотного чисел, содержания нерастворимых примесей, удельной электропроводности, диэлектрической проницаемости моторного масла и ξ-потенциала его дисперсной фазы [12].В продуктах износа ДВС, которые накапливаются в работавшем моторном масле, в основном содержится железо. С накоплением железа в масле изменяются такие его свойства, как оптическая плотность, водородный показатель и вязкость.Таким образом, наряду с классическими показателями качества моторного масла, такими как: кинематическая вязкость, индекс вязкости, щелочное число, зольность и коксуемость, температура вспышки, пригодность моторных масел можно определять по электрическим показателям, диэлектрическим свойствам, оптической плотности [17, 18].
Номер журнала Вестник науки №5 (86) том 4
Ссылка для цитирования:
Колода А.В., Маркин Д.А. АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОТОРНОГО МАСЛА, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИХ ПРОЦЕСС ЕГО СТАРЕНИЯ // Вестник науки №5 (86) том 4. С. 1584 - 1594. 2025 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/23469 (дата обращения: 15.07.2025 г.)
Вестник науки © 2025. 16+