Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Проблемы разработки масел для двухтактных бензиновых двигателей (Литературный обзор) 6
1.1. Требования к маслам для ДТБД 6
1.2. Дымление ДТБД - источник повышенной экологической опасности
1.3. Методы снижения дымления и нагарообразования для ДТБД 15
1.4. Влияние вязкости базового компонента на основные эксплуатационные свойства масла 20
1.5. Методы оценки свойств масла для ДТБД 21
1.6. Эффективность использования малых концентраций моюще-диспергирующих присадок к маслам для ДТБД 24
1.7. Моторные испытания масел для ДТБД и развитие классификации 29
Глава 2 Объекты и методы исследования 35
2.1. Материалы 35
2.2. Методы исследования 36
2.2.1. Физико-химические свойства 36
2.2.1.1. Стандартные методы 36
2.2.1.2. Нестандартные методы
2.2.1.2.1. Термическая стабильность 37
2.2.1.2.2. Электропроводность 39
2.2.1.2.3. Электродный потенциал 41
-2 2.2.2. Эксплуатационные свойства 43
2.2.2.1. Оценка смазочной способности в лаборатории 43
2.2.2.2. Оценка смазочной способности на двигателе 44
2.2.2. Экологическая безопасность. Количественное определение сажеобразования 46
Глава 3. Разработка масла для ДТБД 50
3.1. Подбор базовой основы масла для ДТБД 50
3.2. Исследование свойств масла М-14в расширенном температурном диапазоне 54
3.3. Исследование термической стабильности масла М-14
с алкилфенолятами различной щелочности 56
3.4. Подбор композиции моюще-диспергирующих присадок 61
3.5. Повышение смазочной способности разрабатываемого масла 63
Глава 4
4.1. Сравнение разработанного масла для ДТБД с некоторыми товарными маслами отечественного и импортного производства аналогичного назначения 69
4.2. Результаты квалификационных испытаний разработанного масла для ДТБД 72
Глава 5 Изучение оптимальности состава товарных масел для ДТБД 77
Основные выводы 83
Используемая литература
- Методы снижения дымления и нагарообразования для ДТБД
- Физико-химические свойства
- Исследование свойств масла М-14в расширенном температурном диапазоне
- Сравнение разработанного масла для ДТБД с некоторыми товарными маслами отечественного и импортного производства аналогичного назначения
Методы снижения дымления и нагарообразования для ДТБД
К проблеме уменьшения экологической опасности от выхлопных газов можно подойти с двух сторон. Во-первых - совершенствовать конструкцию двигателя [28-31]. Кратко отметим такие мероприятия, как введение золотников или заслонок для регулировки фазы выпуска, лепестковых клапанных устройств на впуске и продувке, что позволяет снизить концентрацию углеводородов и токсичность отработавших газов, применение процесса горения с расслоенным зарядом, в результате чего практически исключен вынос топливно-воздушной смеси с продувочным воздухом, а также использование тиристорных и транзисторных электронных систем зажигания, которые обеспечивают хорошую синхронизацию рабочих процессов.
Отметим, что в иностранной литературе в отношении конструктивного совершенствования процессов сгорания топливно - 15 масляной смеси в ДТБД встречается деление на активный и пассивный контроль над полнотой сгорания [32 -34].
Активный контроль включает: - техническое совершенствование продувки для удаления отработавших газов из двигателя; - регулирование выхлопа газов; - прямой впрыск топлива под высоким давлением; - впрыск топлива в идеальной пропорции с воздухом. Пассивный контроль подразумевает: - термический дожег; - каталитический дожег; - дополнительный забор воздуха (при необходимости); - экспериментальные методы и способы понижения загрязнения Но основным резервом снижения загрязнения окружающей среды остаются топливо и масло. Улучшение их качества только за счет совершенствования технологии производства становится экономически невыгодным из-за потери части ресурсов или удорожания производства. Сегодня особенно важно рационально использовать нефть как практически невосполнимый природный ресурс, вовлекая в схему переработки нефти больше тяжелых остатков, которые требуют увеличения доли вторичных процессов переработки.
Оптимальным же способом влияния на качество нефтепродуктов остается введение функциональных присадок, влияющих на эксплуатационные свойства топлив и масел [35-40]. Уменьшить, например, нагарообразование, а также снизить дымность можно путем применения антидымных присадок, которые повышают полноту сгорания топлив и снижают содержание сажи в отработавших газах. Под дымностью отработавших газов [10] понимают сегодня количественное соотношение показателей процессов образования частиц сажи и их выгорания. Исходя из этого понятия, дымность можно уменьшить либо замедлив процесс образования сажистых частиц, либо ускорив их выгорание, либо, наконец, предотвратив их агломерацию в выпускном тракте.
Для дизельного топлива, которому мы уподобили выше топливно-масляные смеси, разработан целый ряд антидымных присадок. Все их можно разделить на зольные (содержащие в своем составе атомы металлов) и беззольные. Металлосодержащие присадки условно подразделяются на следующие группы: О органические соли щелочноземельных металлов О органические соли щелочных металлов О соли и оксиды переходных металлов Зольные присадки, как правило, имеют в составе несколько соединений, причем основной компонент - металлосодержащий, а остальные вводятся для лиофилизации поверхности металлосодержащего компонента, повышения цетанового числа, а также снижения дымности отработавших газов за счет синергического эффекта с металлосодержащим компонентом. Щелочноземельные металлы, как правило, способствуют увеличению полноты сгорания топлив, уменьшая при этом дымообразование. Такие металлы входят в состав солей карбоновых кислот, алкилфенолсульфокислот и алкилфенолятов.
В литературе встречаются разноречивые описания механизма действия металлосодержащих антидымных присадок. Согласно одному из них [10], все соединения, которые могут быть использованы в качестве антидымных присадок, должны обладать некоторой адсорбционной способностью, так как только предполагая, что взаимодействие присадок с частицами сажи происходит путем адсорбирования их на поверхности сажевых частиц, можно понять, почему дальнейшее укрупнение этих частиц и появление их в виде более крупных конгломератов будет невозможно. И далее, считая металл катализатором горения, можно ожидать, что сгорание мелких сажевых частиц с адсорбированными на их поверхности металлосодержащими присадками будет происходить быстрее. Причем в этом случае эффективность присадок должна возрастать с увеличением окислительной способности металла, то есть Ва Са Мп Сг Се Fe. Это говорит о том, что в ряду солей с одинаковыми кислотными остатками наибольшей эффективностью будут обладать соли бария. Немаловажна и природа кислотного остатка. Чем более ярко выражены его адсорбционные свойства, тем сильнее будет взаимодействие за счет адсорбционных сил между молекулами присадки и частицами сажи и тем меньше будет вероятность дальнейшего укрупнения этих частиц.
Данные, подтверждающие зависимость эффективности металлосодержащих присадок от положения металла в ряду электроотрицательности, приводятся в разных литературных источниках. Например, при исследовании эффективности антидымных свойств солей на основе технической алкилсалициловой кислоты (ТАСК) [11] было выявлено, что максимальное снижение дымности при сгорании дизельного топлива наблюдается при использовании бариевых солей ТАСК, а также солей ТАСК, содержащих кальций.
Интересно, что и при изучении моюще-диспергирующих свойств масел с присадками [10], действие которых подобно действию антидымных присадок, подтвердилась та же закономерность.
Физико-химические свойства
Если исходить из представлений физической химии поверхностных явлений [52, 84], то на поверхностях раздела масла с металлом или другой твердой, жидкой или газообразной фазой всегда существует двойной электрический слой [81-83,85,88,89]. Теория образования и разрушения двойных электрических слоев нашла со времени создания теории Гельмгольца широкое применение и получила развитие в различных областях знания. Однако при изучении смазочных материалов, за исключением пластичных смазок, эти представлению практически не получили распространения. Между тем, межфазные электрические потенциалы, обусловленные наличием двойного электрического слоя, определяют многие явления на поверхностях раздела, в том числе и большинство функциональных свойств масел с присадками [6].
В жидких нефтепродуктах коллоидные частицы, несущие двойные электрические слои, взаимодействуют, что приводит к изменению вязкости, электропроводности, оптической плотности данной коллоидной системы и позволяет использовать эти параметры для изучения объемных свойств масел. Одновременное измерение структурно-чувствительных свойств (вязкости, электропроводности и потенциала электризации) в сочетании с оценкой показателей функциональных свойств жидких нефтепродуктов в зависимости от температуры и концентрации компонентов в системе - наиболее информативный способ изучения структуры масел и механизма действия присадок.
Определение электропроводности проводилось на электрометрической установке компенсационного типа, разработанной В.П. Лапиным [86,87]. Принцип ее работы сводится к измерению тока, возникающего по той или иной причине в измерительной ячейке. -Падение напряжения, создаваемое при протекании этого тока, измеряется с помощью усилителя постоянного тока.
Установка состоит из измерительной ячейки, усилителя постоянного тока и источника компенсационного напряжения.
Измерительная ячейка представляет собой цилиндрическую металлическую кювету диаметром 24 мм и высотой 42 мм. Внутри кюветы коаксиально располагается сменный металлический стержень-электрод цилиндрической формы диаметром 12 мм и длиной 42 мм. Стержень-электрод приводится во вращение электромотором. На поверхности стержня нарезана специальная канавка, позволяющая предотвращать появление воронки и сохранять постоянную площадь контакта с залитой в кювету жидкостью при различных скоростях вращения. Кювета является внешним электродом измерительной ячейки, а стержень - внутренним. Вся измерительная ячейка заключается в алюминиевый электростатический экран.
При измерениях э.д.с, возникающей в измерительной ячейке, а также электропроводности углеводородных жидкостей, применяется компенсационный метод измерения.
Методика измерения электропроводности. Перенос электрического заряда в жидкостях в основном определяется движением ионов, поэтому по изменению электропроводности коллоидного раствора, как и любой другой жидкости, можно судить об изменении концентрации ионов в нем [90].
Относительно низкая электропроводность нефтепродуктов определяет устойчивость диффузных двойных электрических слоев на межфазных границах и возможность их разрушения только в результате относительно сильных внешних воздействий - тепловых или механических [91].
Измерение электропроводности углеводородных жидкостей производятся в той же измерительной ячейке, что и потенциал электризации. Кювета и стержень-электрод тщательно обрабатываются разнозернистой наждачной бумагой и протираются эталонным растворителем, аналогично предыдущей методике. Электропроводность измерительной ячейки рассчитывается по формуле: X =E/(EK-E) R , Ом"1 (1), где : Ек - компенсационное напряжение, создаваемое источником компенсационного тока; R - сопротивление, которое является входным сопротивлением усилителя постоянного тока и может устанавливаться в пределах от 107 до 1011 Ом; Е - падение напряжения на известном сопротивлении R. Для измерения электропроводности, на измерительную ячейку, куда помещают 10 мл испытуемой жидкости, подают компенсационное напряжение Ек=100мВ. При замыкании контакта на измерительной ячейке милливольтметр, установленный на выходе усилителя постоянного тока, показывает падение напряжения Е на известном сопротивлении R. Зная Ек, R и, измерив, Е, по формуле (1) рассчитывается электропроводность измерительной ячейки.
Исследование свойств масла М-14в расширенном температурном диапазоне
На каждом этапе разработки масла для двухтактных двигателей осуществлялся контроль качества образцов масла с различными индивидуальными присадками и композициями путем сравнения их как между собой, так и с товарными маслами для ДТБД отечественного и импортного производства.
В условиях лаборатории объектом сравнения служили склонность к нагаро- и сажеобразованию по показателю оптической плотности D 22o термообработанных образцов масел и смазочная способность, оцененная по критической нагрузке заедания Рк. Сравнительные данные по разработанному маслу и некоторым товарным маслам для ДТБД представлены в Таблице 4.1.
Экологическая безопасность от применения масел в двухтактных двигателях оценивалась по величине удельного сажеобразования, определенной на лабораторной установке, разработанной к.т.н. Лапиным В.П. (см. Гл.2). Результаты представлены на рис.4.1. масло Рис.4.1. Результаты определения сажеобразования на лабораторной установке Лапина В.П. для разработанного масла в сравнении с товарными маслами и исходным базовым маслом. Как видно по рис.4.1. из изученных образцов только масло для ДТБД фирмы STIHL сгорает с меньшим сажеобразованием, чем образец разработанного масла.
Кроме лабораторной оценки качества разработанного масла были проведены моторные испытания, в результате которых оценивались индекс задира и индекс отложений.
В Таблице 4.2 даны сравнительные характеристики разработанного масла с некоторыми отечественными и импортными аналогами, данные о которых были предоставлены Мещериным Е.М. По сравнению с импортными маслами, данные о которых расположены во второй части таблицы, разработанное масло имеет удовлетворительные характеристики. Из представленных образцов лучше оказались «Mobil-Super 2Т» и «Promol 101». Разработанное масло для ДТБД близко по уровню качества к маслам фирмы ВР для ДТБД (two stroke) и существенно превосходит по устойчивости к образованию отложений масла М Z22 М-2Т немецкого и чешского производства соответственно.
По сравнению с представленными в верхней части таблицы образцами масел для ДТБД отечественного производства, разработанное масло демонстрирует неплохую смазочную способность и хорошую устойчивость к нагароотложениям.
Наилучший из разработанных вариантов масел для ДТБД, как уже говорилось выше, содержит в качестве смазывающего компонента присадку В -360.
Однако, квалификационные испытания проходил образец с присадкой В -714. Это связано с тем, что присадка В -360 не производится на ПО «НАФТАН», вследствие чего вариант с В-714 оказался в данном конкретном случае более выгодным для производителя.
Разработанное масло для ДТБД проходило квалификационные испытания во ВНИИ НП. Для проведения испытаний был представлен опытный образец масла, приготовленный 11.06.99г. на Новополоцком ПО «НАФТАН» Республики Белорусь по ТУ РБ 05778477.032-99. В качестве прототипа было использовано масло М-12ТП, приготовленное ОАО МОПЗ «Нефтепродукт».
Целью проводимого испытания разработанного масла для ДТБД являлось установление соответствия данного масла требованиям ТУ и комплекса методов квалификационной оценки масел для двухтактных бензиновых двигателей.
Испытания проводились по стандартным методикам, приведенным в главе «Объекты и методы исследований. Для оценки моющих и антинагарных свойств испытуемое масло вводят в топливо в количестве 2,5% (1:40). Противозадирные свойства оценивали при содержании масла в топлива в количестве 6% (1:15).
В таблице 4.4. приведены результаты оценки физико-химических показателей опытного масла для ДТБД и масла М-12ТП. Данные испытаний, приведенные в таблице 4.4 говорят о соответствии опытного образца масла для ДТБД установленного ТУ. Отметим, что по результатам испытаний, в ТУ было внесено изменение: предельное значение показателя «зольность сульфатная» установлено «не более 0,3%».
Оценка моющих свойств опытного образца разработанного масла была проведена на установке ИМЗ-2ТД по методу ИМ-2Т-10. Результаты испытания приведены в таблице 4.5.
На основании положительных результатов испытаний физико-химических и эксплуатационных свойств в объеме комплекса методов квалификационной оценки масел для двухтактных бензиновых двигателей получен допуск к производству разработанного масла (ТУ РБ 05778477.032-99) на НПО «НАФТАН» и к применению в двухтактных бензиновых двигателях в составе топливно-масляной смеси в количестве 2,5%, о чем выдано свидетельство (см. Приложение).
Однако, в случае заинтересованности других производителей смазочных материалов, следует рассматривать как более приемлемый вариант масла для ДТБД с присадкой В-360, к тому же разработанная методология позволяет оперативно создать масло данного назначения, принимая во внимание производственные возможности и экономическую целесообразность в каждом конкретном случае.
Сравнение разработанного масла для ДТБД с некоторыми товарными маслами отечественного и импортного производства аналогичного назначения
Существующие масла для ДТБД предусматривают суммарную концентрацию компонентов с таким расчетом, чтобы щелочное число масла соответствовало определенному уровню, поэтому разработанное масло содержало присадки в количествах, необходимых для выполнения этого условия. Однако данные рисунка 1.7. показывают, что эти концентрации завышены и в случае превышения оптимальной концентрации присадок может отрицательно сказаться влияние продуктов разложения самих присадок. В связи с этим было проведено исследование по снижению концентрации пакета присадок в товарных маслах для ДТБД методом разбавления.
На рисунке 1.7 наглядно продемонстрировано, что в случае превышения рабочей концентрации присадки в масле начинают накапливаются продукты разложения самой присадки, приводя к усугублению процессов агломеризации дисперсной фазы и увеличения ее количества.
Не избежало увеличения количества присадок на стадии получения допуска к производству и применению и разработанное масло. Так, содержание присадок моюще-диспергирующей композиции в промышленном варианте может доходить до 2,8% вместо заявленных 2%, а содержание присадки В-715 до 0,7 вместо запланированных 0,5%.
Этот факт заставил задуматься о производимых товарных маслах в целом. Увеличение содержания присадок в товарном масле приводит в конечном итоге не только к росту затрат на производство смазочного материала, но и к снижению срока службы масел для четырехтактных двигателей. В случае же двухтактных двигателей - к увеличению экологической опасности от применения перенасыщенных присадками масел для ДТБД в результате сгорания лишней, превышающей рабочую концентрацию, части присадок. Следовательно, увеличение концентрации присадок в товарных маслах осуществляемое производителем для того, чтобы повысить запас эксплуатационных свойств продукта, на практике может оказаться ненужным и даже вредным.
Для изучения этого предположения был поставлен эксперимент с постепенным уменьшением концентрации пакета присадок в маслах для ДТБД, что достигалось разбавлением нескольких товарных масел базовой основой. В качестве базового масла использовалось имевшееся в достаточном количестве масло М-14 ПО «Нафтан». Объектами изучения стали три товарных масла для ДТБД: образец импортного производства фирмы Castrol (масло «Super ТТ»), образец отечественного производства М-12ТП и образец разработанного масла предоставленный ПО «Нафтан».
Для проведения эксперимента использовались образцы чистых товарных масел и базового масла М-14, а также образцы разведенных масел для ДТБД базовым компонентом М-14 с содержанием товарного масла 10,20,30,40 и 60 процентов объемных. Разведение масел осуществлялось перемешиванием в сушильном шкафу при температуре 80С в течение 20 минут. Подготовленные таким образом образцы подвергались термической обработке с перемешиванием стальным стержнем при температуре 220С в течение 10 минут. После атмосферного охлаждения до комнатной температуры оценивалось увеличение оптической плотности по сравнению с соответствующим необработанным образцом на красном и синем фильтрах. Измерялось значение критической нагрузки для каждого образца. Результаты эксперимента представлены на рисунках 5.1-5.3 в виде зависимостей снятых показателей от степени разбавления товарных масел.
Явная нелинейность приведенных на рисунках зависимостей говорит о том, что содержание присадок в товарных маслах не является оптимальным. Так, нарастание дисперсной фазы в результате термолиза, охарактеризованное изменением оптической плотности, резко снижается при содержании товарного масла от 0 до 25% и практически не изменяется при возрастании концентрации товарного масла от 30 до 100%. В случае же разработанного масла, наблюдается даже значительное возрастание содержания частиц дисперсной фазы при увеличении доли товарного компонента от 30 до 100 процентов.
