СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ СВОЙСТВ МАСЛА В СИСТЕМЕ СМАЗКИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F01M9/02 

Изобретение относится к смазочным материалам и технической эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано при регенерации моторных масел во многих отраслях народного хозяйства.

Известен способ получения присадки к смазочным материалам, который принят за аналог (1). По изобретению процесс ведут инъектированием в базовое масло ДВС присадки с легирующим элементом-компонентом. Последний получают трением образца из заготовки с легирующими элементами в среде основы присадки при нагрузках и скоростях скольжения, обеспечивающих образование продуктов изнашивания коллоидной дисперсности, а также растворимость соединений легирующего компонента. Такая присадка в 1,5-2,0 раза снижает износы деталей трения.

Однако, кроме износостойкости, присадка должна обладать другими положительными функциональными свойствами, например, стабильно удерживать щелочную среду и физико-химические показатели в пределах эксплуатационных норм. Изготовление легирующего компонента по аналогу связано с дополнительным производством, а также с проверкой на совместимость со штатной присадкой масла. Эти недостатки препятствуют широкому внедрению аналога в системы смазки машин.

Общеизвестны и другие аналоги-присадки, вводимые в моторные масла, которые являются многофункциональными. Они дают определенный эффект. Однако механизм действия элементоорганических присадок, представляющих собой соединения серы, хлора, фосфора, бария, сульфата кальция, силоксана и другие изучен еще недостаточно. По своей природе все они являются поверхностно-активными веществами (ПАВ) и дисперсно-гетерогенными по отношению к минеральному маслу. Поэтому они достаточно легко отстаиваются, отфильтровываются и извлекаются в эксплуатационных условиях сепараторами (центрифугами) из системы смазки дизелей от исходных величин. В результате масло во время эксплуатации достаточно быстро срабатывается, становится малоприсадочным, теряет щелочной потенциал, а с накоплением нерастворимых осадков (механических примесей) свыше 4,0% бракуется.

Ближайшим техническим решением к заявленному, принятым за прототип изобретения, является стабилизация смазочного масла с помощью устройства [3] В прототипе повышается эффективность очистки загрязнений с гранул щелочного реагента путем создания барботажа специальным отражателем непосредственно в зоне размещения реагента. При этом образующиеся кислоты в масляной среде постоянно нейтрализуются щелочными реагентами до полной выработки щелочного потенциала. Наряду с положительными факторами в прототипе не решена задача переработки загрязнений масла в микроэлементную структуру и использования микроэлементов в качестве заменителей присадки.

Изобретение в новом аспекте решает проблему защиты масляной среды в системе смазки дизеля путем образования присадочной микроэлементной структуры из загрязнений масла (продуктов неполного сгорания топлива и износов деталей трения, компонентов разложения инъектируемых присадок и нагарообразований). Такая нестандартная микроэлементная защита работающей масляной среды получила название Уникальная микроэлементная внештатная присадка Нечаева.

Техническое решение изобретения направлено на получение уникальной присадки Нечаева с необходимыми микроэлементами непосредственно в системе смазки ДВС путем дробления загрязнений масла до ультрадисперсной фазы через специальные модульные приставки в аппарате стабилизации масла с упаковкой известными щелочными реагентами Григорьева Б.П. (2). При этом решена задача по извлечению микроэлементов из продуктов загрязнения масла и внедрению их в углеводородную среду работающего моторного масла. Таким образом реализована возможность работы ДВС со стабилизацией физико-химических показателей, а также и улучшением их в трех вариантах применения моторных масел с присадкой, без присадки или комбинация с ними. Уровень стабилизации масляной среды регулируется и контролируется микроэлементным составом и уровнем щелочной среды по показателю рН.

Сущность изобретения заключается в том, что циркулирующее моторное масло, выходящее из ДВС, в определенной степени всегда загрязненное и окисленное, направляют в аппарат стабилизации масла. В кассетах аппарата упакованы упомянутые щелочные реагенты и галлоидный дозатор, во впускном патрубке смонтирован специальный диспергатор с модульными поверхностями. При этом кассетный блок дополнительно снабжен постоянным магнитом в специальной кассете. С поступлением масла на модульные поверхности диспергатора продукты загрязнения размельчают до ультрадисперсного уровня в оптимальной щелочно-кислотной среде с рН 6,5.7,5 в температурном поле 65.85^oC и магнитном поле 0,4.0,8 Э (по наружному контуру аппарата) преимущественно.

При этом из загрязнений масла извлекают все микроэлементы, которые в них имеются и одновременно их внедряют в углеводородную масляную среду (до полного насыщения), циркулирующей в системе смазки ДВС. Процесс осуществляют непосредственно на омагниченных модульных поверхностях упомянутых приставок и кассетного блока, а также в хемосорбционных реакциях со щелочными реагентами и галлоидом на элементах галлоидного дозатора аппарата стабилизации масла. В результате масляную среду очищают от ненужных загрязнений и насыщают ее спектром тех микроэлементов, которые необходимы для стабилизации физико-химических свойств или их улучшения. Таким образом полученная внештатная уникальная присадка Нечаева синергетична с дозируемыми штатными присадками и работоспособна в бесприсадочном варианте использования моторных масел, а также при регенерации отработанного масла при доливе на угарный процесс, вместо свежего, в дозах, не превышающих 11,0 от емкости масляной системы ДВС.

Стабильность ансамбля насыщаемых микроэлементов и физико-химические показатели контролируют анализами проб масла в сравнении с исходными пробами и селективно оценивают каждый параметр во взаимосвязи их.

Окислительно-восстановительные механизмы в системе смазки ДВС осуществляют путем окисления микроэлементов в парах трения до уровня оксидов, а противоположный процесс процесс восстановления реализуют в аппарате стабилизации масла со спецприставками. В момент образования микроэлементных оксидов в масляной среде, которые в узлах трения, по мнению авторов, работают не на сжатие, а на растяжение, тем самым создают "эффект упругости", что в определенной степени способствует разъединению трущихся поверхностей от схватывания, а также уменьшению коэффициента трения. При таком механизме образования оксидов в узлах трения масляная среда приобретает чешуйчато-пленочную структуру во взаимосвязи с графитом из сажистых загрязнений, скрепленную дисперсными и магнитными силами в активной зоне аппарата стабилизации масла и работающую по закону малых масс.

Для определения эффективности предложенного способа проводят сравнительные эксплуатационные испытания с использованием базового моторного масла, например, М10В₂ по ГОСТу 12337-84: в опыте N 1 со штатной присадкой, а в опыте N 2 такое же масло, но без присадки. Для испытаний используют дизель-генератор с дизелем 6ЧН25/34 мощностью 345 кВт. В обоих опытах дизели одинаковых марок с емкостью масляных систем по 340 кг и эксплуатируются с нагрузками от 75 до 85 от номинальной мощности. До проведения опытов дизель-генераторы выработали моторесурсы с начала эксплуатации: в опыте N 1 12600 ч. в опыте N 2 35000 ч. Температурные режимы в системах смазки примерно одинаковые в пределах 65.85^oC при давлениях масла 0,19.0,40 МПа (1,9. 4,0 кгс/см²). Масляные системы обоих опытных дизелей оборудованы аппаратами стабилизации масла ТВМ-С со спецприставками, упомянутыми выше, а также упакованными реагентами и галлоидом Григорьева Б.П.

Продолжительность испытаний опыта N 1 2500 ч. опыта N 2 3000 ч. Перед началом испытаний и в конце эксперимента производят отбор контрольных проб масла для лабораторных анализов. Пробы 1 и 2 относятся к опыту N 1, а пробы 3 и 4 к опыту N 2. По перечисленным пробам проводят лабораторные анализы для определения физико-химических показателей. Полученные эксплуатационные данные по упомянутым пробам приведены в табл.1. В дополнение к этому по этим же пробам проводят эмиссионный анализ для определения удельного содержания микроэлементов: фосфора (Р), олова (Sn), кремния (Si), алюминия (Al) и др. Вторую часть микроэлементов определяют атомно-абсорбционной спектроскопией на приборе AAS-IN, среди них: натрий (Na), калий (К), кальций (Ca) и др. В табл.2 представлены для сравнительной оценки опытные данные по ансамблю наиболее информативных 15 микроэлементов. Суммарный балланс этих микроэлементов принимают оптимальной величиной для оценки свойств моторных масел. Для вариантов в случаях экспрессных анализов количество ансамбля микроэлементов уменьшают до рациональной величины и располагаемых возможностей.

Одновременно заметим, что по нормативам дизелестроительного завода для дизелей 6ЧН25/34 установлен ресурс моторного масла М10В₂ 1500 ч. В эксперименте масло отработало в опыте N 1 2500 ч. в опыте N 2 3000 ч. В обоих опытах для доливки на угар используют свежее масло одинаковой марки М10В₂: с присадкой в опыте N 1 и без присадки в опыте N 2.

В эксплуатационном периоде обоих опытов процессы формирования микроэлементной структуры в основу базового масла идентичны, т.е. все продукты загрязнения масел одинаково перерабатывают до дисперсно-молекулярного уровня в однотипных аппаратах стабилизации масла в сочетании с упомянутыми специальными приставками, смонтированными до фильтрующих средств (центрифуг, сепараторов). В системах смазки опытных дизелей отсутствуют штатные сепараторы, вместо них предусмотрены центрифуги. Во время опытов кислотно-щелочной уровень масляной среды поддерживают и/или стабилизируют одновременно, а контроль осуществляют по параметру рН в пределах 6,5.7,5 ед. В таком контролируемом диапазоне образуют своеобразный экстрагент (реагент) в масляной среде дизеля, с помощью которого осуществляют экстракцию и/или реэкстракцию микроэлементов, извлеченных из продуктов загрязнения масла. Для получения такого эффекта экстрагент пропускают через активированные и омагниченные поверхности упомянутых приставок в аппаратах ТВМ-С, а также кассетные упаковки с реагентами. Одновременно с получением такой среды осуществляют окислительно-восстановительные процессы с участием микроэлементов спектра в масле. Таким образом получают в работающей масляной среде дизеля уникальную микроэлементную присадку Нечаева во всех трех вариантах ее обработки (в присадочном, в бесприсадочном или в их комбинациях). При этом ненужное (излишнее) загрязнение в масле удаляют штатными очистными средствами.

Сравнивая опытные данные, приведенные в табл. 1, видим, что полученная уникальная присадка Нечаева по настоящему изобретению позволила улучшить четыре параметра в бесприсадочном масле в сравнении с присадочным маслом (опыт N 1):
по индексу вязкости на 1,7 ед.

по показателю рН на 0,1 ед.

по содержанию нерастворимых в бензине осадков на 0,49
по щелочному числу.

В опыте N 1 получено снижение этого показателя от исходного значения на 2,69 мг КОН/г. а в опыте N 2 (в бесприсадочном варианте), наоборот, произошло улучшение от исходного значения на 1,36 мг КОН/г. Это ключевой эффект данного изобретения. По показателю диспергирующая способность масла в обоих опытах результаты получены одинаковым и на достаточно высоком уровне, составляя 0,7. Такое значение на 0,3 выше браковочного уровня.

О наличии в способе процессов экстракции и реэкстракции характеризуют опытные данный табл.2. По нормативам в товарное моторное масло М10В₂ дозируют до 8,5 штатной присадки, что составляет 85000 г/т в удельном измерении. В пробе 1 спектроскопией выявлено наличие микроэлементов состава (из ансамбля 15 наименований) в количестве 2067,7 г/т. В данный спектр вошли все элементы штатной присадки, кроме серы, которую не определяет прибор проведенного спектрального анализа. По некоторым публикациям в работающем моторном масле М10В₂ наличие серы составляет 2,89 Такая величина по сере в расчете не учтена и принята как погрешность прибора.

Данные табл.2 свидетельствуют о том, что в исходных пробах N 1 и 3 предельное насыщение микроэлементов по рассматриваемому ансамблю имеет значительную разницу. Суммарный баланс спектра у присадочного масла (опыт N 1) в 5,1 раза выше, чем у бесприсадочного (опыт N 2). В исходных балансах у присадочного масла между заводской дозировкой (85000 г/т) и пробой N1 (2067,7 г/т) транспортные потери штатной присадки составили 83000 г/т. Сюда входят осадки ее в железнодорожных цистернах и в других транспортных средствах от завода-поставщика до потребителя дизельных сельских электростанций. Такая большая потеря компонентов штатной присадки масла М10В₂ свидетельствует о гетерогенной природе дозируемых присадок и их отторжения из масляной среды во время работы дизеля.

По окончании эксперимента микроэлементный баланс в опыте N 1 снизился до величины 1640,54 г/т, а в опыте N 2, наоборот, микроэлементный баланс повысился до значения 1650,3 г/т. В результате реализации изобретения произошел процесс сближения микроэлементных балансов между присадочным и бесприсадочными маслами с разницей в 9,76 г/т. Таким образом в предлагаемом способе реализованы процессы экстракции и реэкстракции микроэлементной структуры в работающей масляной среде дизеля, причем селективно путем выбрасывания ненужных микроэлементов и насыщения необходимым спектром микроэлементной структуры. В полученных балансах опыта N 1 процесс экстракции выражен величиной +410,1 г/т, а реэкстракции -427,16 г/т. В бесприсадочном масле (опыт N 2) выявлен только один процесс. Это процесс экстракции микроэлементов (из загрязнений масла) до полного насыщения работающей масляной среды необходимым спектром. В опыте N 2 он получен с положительным результатом и микроэлементный баланс составил 1246 г/т. В опыте N 2 масло не загрязнено излишними присадками, способ реализован лучшим образом и с получением повышенных значений по физико-химическим свойствам.

При проверке изобретения в других опытах были получены положительные результаты по термостойкости масла и коэффициентам трения. Масляная среда с новой уникальной присадкой Нечаева работает с коэффициентом трения f 0,05 -0,06, т. е. не превышает значений модификаторов трения с дисульфид-молибденовой присадкой. В опытной эксплуатации был вариант использования отработанного масла на угарный процесс, вместо свежего, в дозах, не превышающих 11 от емкости масляной системы дизеля. При этом масло регенерировано по всем контролируемым параметрам до уровня эксплуатационных норм.

При использовании изобретения на упомянутых дизелях и при работе на масле М10В₂ были выявлены следующие пределы концентрации микроэлементной структуры, г/т:
Цинк (Zn) 650 750
Барий (Ba) 400 500
Кальций (Ca) 200 300
Натрий (Na) 50 150
Фосфор (Р) 100 200
Железо (Fe) 4 45
Хром (Cr) 0,4 6,5
Медь (Cu) 0,4 5,0
Последние три микроэлемента представляют интерес для контроля износа деталей трения ДВС, а также для оптимального их структурирования в масляной среде как модификатор трения и для других процессов.

Таким образом изобретение прошло длительную эксплуатационную проверку на дизелях 6ЧН25/34 в вариантах использования присадочного, бесприсадочного и отработанного масла М10В₂. Во всех случаях получены положительные результаты по структурированию масляной среды с улучшением физико-химических свойств. Оптимальные рабочие балансы микроэлементов в моторных маслах могут быть разными по величине и знаку. Они зависят от вида присадок, марки базового масла, типа ДВС и его форсировки (эксплуатационной нагрузки). В связи с этим в каждом конкретном случае получаемые результаты уточняются в конкретных величинах и распространяют на всю серию дизелей.

Применение изобретения позволяет: уменьшать количество компонентов в присадочном масле, применять бесприсадочное масло, улучшает качество работающей масляной среды и обеспечивает ее бессменную работу в длительном периоде, кроме аварийных ситуаций по воде и топливу в системе смазки, исключает сухое трение ДВС при их пуске, снижает износы деталей трения. Все эти результаты подтверждены официальными документами.

Использование: изобретение предназначено для стабилизации и улучшения физико-химических свойств моторного масла, работающего в трибохимическом режиме смазки ДВС. Сущность изобретения: способ основан на ведении процессов экстракции и реэкстракции микроэлементов из загрязнений работающих моторных масел (продуктов неполного сгорания топлива, износов деталей трения, нерастворимых осадков нагароотложений, разложения компонентов присадки). Процессы осуществляют непосредственно в эксплуатационных режимах работы ДВС в заданных и контролируемых температурных и магнитных полях в активных зонах аппарата стабилизации масла в сочетании с твердыми антиоксидантами. 7 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Способ стабилизации свойств масла в системе смазки двигателя внутреннего сгорания путем введения присадки в моторное масло через аппарат стабилизации масла, отличающийся тем, что в качестве присадки в базовом бесприсадочном масле используют микроэлементы загрязнений, попадающих в систему смазки с продуктами неполного сгорания топлива, износа деталей трения, разложения компонентов присадки и нагароотложений, которые размельчают и экстрагируют в устройствах-приставках аппарата стабилизации масла до их фильтрования и сепарирования, при этом микроэлементы намагничивают в магнитном поле и ими насыщают углеводородную масляную среду до предельного поглощаемого значения, а уровень насыщения стабилизируют межфазным кислотно-щелочным экстрагентом, который образует в циркуляционном потоке масла в температурном поле 65 85^oС при рН=6,5 7,5. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стабилизируют и улучшают физико-химические свойства моторного масла со штатной присадкой путем реэкстракции загрязняющих компонентов присадки и одновременной экстракцией недостающих микроэлементов из упомянутых загрязнений до предельного уровня с учетом марки масла, типа двигателя и напряженности работы масляной системы. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что присадку структурируют непосредственно в системе смазки двигателя всеми микроэлементами, содержащимися в его загрязнениях, при этом уровень предельного и стабильного насыщения микроэлементной среды контролируют по балансу ансамбля наиболее информативных микроэлементов, преимущественно (например, для масла МIOВ₂), г/т:
Цинк (Zn) 650 750
Барий (Ва) 400 500
Кальций (Са) 200 300
Натрий (Na) 50 150
Железо (Fe) 4 45
Фосфор (Р) 100 200. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что по балансу присадки оценивают совместимость или несовместимость инъектируемой штатной или внештатной присадки с базовым моторным маслом, причем селективно по каждому микроэлементу. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что антифрикционную и температурную стойкость, а также стабильность физико-химических свойств, контролируемых в эксплуатации, осуществляют беспрерывной цикличностью окислительно-восстановительных процессов микроэлементного спектра присадки в углеводородной кислотно-щелочной среде масла путем оксидирования микроэлементов в температурных полях пар трения при штатных нагрузках двигателя и последующего восстановления их в магнитном поле активных зон аппарата стабилизации масла (диспергирования, катализа, резонирования, кавитирования, омагничивания, хемосорбции с реагентами твердого ингибитора и галлоида), при этом контролируют и поддерживают оптимальные значения полей из пределов: по температурному полю 65 85^oС, а по магнитному полю 0,4 8,0 Э. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе экстракции и реэкстракции в присадке структурируют микроэлементы абразивного спектра деталей трения (продукты износа) в углеводородный модификатор трения при их концентрации в масляной среде преимущественно, г/т:
По железу (Fe) 4 45
По хрому (Cr) 0,4 6,5
По меди (Cu) 0,4 5,0. 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что путем экстракции и реэкстракции микроэлементов из продуктов загрязнения регенерируют отработанное моторное масло, для чего в работающее масло с присадкой доливают на угар отработавшее моторное масло одинаковой марки, например, с других двигателей, вместо свежего, в дозах, не превышающих 11% от емкости масляной системы двигателя. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что параметры присадки и качество ее работы оценивают и контролируют по лабораторным анализам контрольных проб на физико-химические нормативные показатели и на микроэлементный спектр.