СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ ГРУППЫ МОТОРНОГО МАСЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2005 года по МПК G01N33/30 

Изобретение относится к способам и устройствам для исследования свойств моторных масел, в частности для определения их эксплуатационных групп, и может применяться во всех отраслях промышленности, где используются моторные масла.

В зависимости от типа двигателя внутреннего сгорания и условий его эксплуатации требуются масла с различными эксплуатационными свойствами. Разделение по эксплуатационным группам отражено в современной классификации моторных масел [ГОСТ 17479.1-85 "Масла моторные. Классификация и обозначение"]. Чем выше группа масла по эксплуатационным свойствам, тем больше оно содержит моюще-диспергирующих присадок. Для того чтобы отнести масло к той или иной эксплуатационной группе, необходимо произвести оценку его моющих свойств.

Для оценки моющих свойств моторных масел используют различные методы. Наиболее полно моющие свойства моторных масел оценивают на полноразмерных двигателях внутреннего сгорания. В соответствии с ГОСТ 17479.1-85 оценку моющих свойств моторных масел эксплуатационных групп В, B₁, Г, Г₁ осуществляют на моторной установке НАМИ-1М (ГОСТ 20991-75 Метод оценки склонности масел к образованию высокотемпературных отложений), для масел групп В₂, Г₂ и Д - на двигателях Д-240 и Д-245 (Решение ГМК №540/1-11 от 28.01.91 Метод оценки моющих, антикоррозионных и противоизносных свойств моторных масел). Однако эти испытания сложны, длительны и обладают высокой стоимостью.

В связи с этим существует необходимость в разработке оперативного и достоверного лабораторного метода оценки моющих свойств современных моторных масел, моделирующего реальные процессы, происходящие с маслом в цилиндро-поршневой группе двигателя.

Известен способ определения моющих свойств моторных масел, заключающийся в нагреве датчика до температуры 375-390°С, нанесении на него тонкого слоя масла путем последовательного равномерного нагрева дозированных объемов масла с периодом окисления предыдущей капли, равным 28-29 с, и общим временем термостатирования 84-93 с, в изоляции последнего слоя масла от окисляющей среды объемом испытуемого масла и последующей оценке эксплуатационной группы по количеству лака, величина которого определяется по интенсивности его окраски по бальной системе (АС СССР №1506352 A1, G 01 N 33/30, 1989).

Недостатками данного способа являются: низкая точность результатов испытаний, обусловленная использованием цветовой бальной системы, а также невысокая достоверность получаемых результатов из-за отсутствия моделирования процессов, протекающих с маслом в двигателе при его работе.

Известен также прибор для оценки эксплуатационных свойств моторных масел, включающий в себя рабочую камеру с электроподогревом, разбрызгиватель, холодильник для летучих продуктов окисления с возвратом конденсата и измеритель температуры. Рабочая камера выполнена в виде цилиндрического съемного стакана, установленного с возможностью герметичной фиксации, на верхней части которого размещена съемная втулка, разбрызгиватель выполнен в виде полого конуса, вершина которого имеет отверстие и погружена в исследуемое масло, у основания разбрызгивателя против съемной втулки стакана выполнены отверстия для распыления масла, при этом разбрызгиватель помещен внутрь стакана соосно ему и установлен на валу, установленном, в свою очередь, в подшипниках, под разбрызгивателем установлена барботажная трубка, выполненная с возможностью подачи окислителя и отбора пробы масла из стакана для анализа с помощью всасывающего устройства, холодильник для летучих продуктов окисления установлен над рабочей камерой и выполнен в виде полого цилиндра с входным и выходным штуцерами для хладагента и фланцами, нижний из которых выполнен с образованием конической поверхности, вершиной направленной во внутрь холодильника, а верхний герметично закрыт крышкой, которая с нижним фланцем соединена герметично (патент РФ №2199114 С1, G 01 N 33/28, 2003).

Данный прибор относится к устройствам для окисления масел и позволяет определять склонность масел к лако- и нагарообразованию.

Данное устройство имеет следующие недостатки: окисление масла проводится при распылении его на мелкие частицы, что приводит к увеличению скорости окисления, а также сложность и длительность проводимых испытаний.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ определения склонности моторных масел к образованию отложений, включающий последовательное нанесение дозированных объемов испытуемого масла с получением каждого слоя толщиной 80-90 мкм на нагретый до 315-325°С датчик, термостатирование и окисление каждого слоя масла в течение 145-155 с и изоляцию последнего слоя масла объемом испытуемого масла с последующей оценкой склонности масел к образованию отложений по интенсивности окраски датчика (АС СССР №1642387 A1, G 01 N 33/30, 1989).

Прототипом устройства является установка, реализующая способ по АС №1642387. Она включает в себя алюминиевый датчик с рабочей поверхностью в виде круглого плато сложного профиля с цилиндрическим основанием, которое установлено в нагревательный муфель. Муфель представляет собой цилиндр, на внутренней образующей которого намотана спираль накаливания, закрытая теплоизолирующим кожухом. Посадочное гнездо служит для размещения датчика, на рабочей поверхности которого установлена термопара для контроля температуры поверхности, включенная в цепь показывающего прибора.

Недостатками известного способа являются высокая погрешность определения, обусловленная тем, что отсутствует возможность регулирования расхода окислителя испытуемого масла (эквивалент воздушной заслонки в реальном двигателе), и, как следствие, смещенность получаемых значений; приблизительность оценки результатов окисления, т.к. оценка производится при помощи бальной шкалы.

Технический результат изобретения - повышение точности определения эксплуатационной группы исследуемого моторного масла за счет создания условий проведения испытаний, близких к реальным условиям работы масла при эксплуатации двигателя.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе определения эксплуатационной группы моторного масла, включающем нанесение трех дозированных объемов испытуемого масла на нагретую до 315-325°С поверхность алюминиевого бюкса, термостатирование каждого слоя масла в окисляющей среде, изоляцию последнего слоя объемом масла и определение эксплуатационной группы по информативному показателю, согласно изобретению масло наносят с получением каждого слоя толщиной 150±5 мкм, каждый слой окисляют в течение 240±5 с путем подачи окислителя, расход которого составляет 50 л/ч, непосредственно на поверхность слоя масла на алюминиевом бюксе, а за информативный показатель принимают массу m образовавшихся отложений на алюминиевом бюксе при следующих отношениях:

m≥0,0170 г - эксплуатационная группа "В",

0,0130 г ≤m<0,0170 г - эксплуатационная группа "Г",

m<0,0130 г - эксплуатационная группа "Д",

а также тем, что известное устройство для определения эксплуатационной группы моторного масла, содержащее теплоизолированный муфельный нагреватель, по центральной оси которого выполнено посадочное гнездо для размещения алюминиевого бюкса сложного профиля, под рабочей поверхностью которого установлен датчик температуры, подключенный к измерительному электронному потенциометру, и дозатор пробы масла, согласно изобретению, дополнительно содержит полую цилиндрическую насадку, герметично закрепленную нижним торцом на алюминиевом бюксе по его периметру, и концентрично установленную в цилиндрической насадке и закрепленную на ее верхнем торце большей ступенью фигурную вставку с подключенным к регулируемому источнику окислителя осевым каналом подвода окислителя на поверхность масла и с нижней ступенью, выполненной в виде конуса, обращенного вершиной к рабочей поверхности бюкса, а наружная поверхность средней ступени фигурной вставки имеет гофры и размещена относительно внутренней поверхности цилиндрической насадки с кольцевым зазором, который связан с вентиляционными каналами, выполненными в большей ступени фигурной вставки, имеющей внутреннюю кольцевую проточную полость для хладагента, при этом дозатор пробы масла на рабочую поверхность алюминиевого бюкса выполнен в виде патрубка в нижней части цилиндрической насадки, размещенного под острым углом к оси канала подвода воздуха на поверхность масла.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего способ определения эксплуатационной группы моторного масла.

Устройство содержит муфельный нагреватель 1 с установленным в нем алюминиевым бюксом 2, нагреваемый с помощью спирали 3, установленной в теплоизолирующем кожухе 4. Заданная температура, поддерживается путем изменения лабораторным автотрансформатором 5 силы тока, измеряемой амперметром 6. Температура алюминиевого бюкса 2 измеряется термопарой 7, установленной под днищем алюминиевого бюкса 2 в специальном канале. Термопара 7 подключена к измерительному электронному потенциометру 8. Алюминиевый бюкс 2 прижимной гайкой 9 прикрепляется к нижнему торцу цилиндрической насадки 10, в которую с противоположной стороны вворачивается фигурная вставка 11, имеющая вентиляционный канал 12. Для подвода и отвода хладагента в фигурной вставке 11 имеются штуцера 14 и 15. Через штуцер 16 и осевой канал 13 подается окислитель. Подача порции испытуемого образца масла на поверхность алюминиевого бюкса 2 осуществляют дозатором 17, находящимся в нижней части цилиндрической насадки 10 под острым углом к оси канала 13 подвода окислителя на поверхность масла. Окислитель поступает от воздушного компрессора через реометр 18, регулирующий его подачу.

Средняя часть фигурной вставки 11, обращенная к стенке цилиндрической насадки 10, выполнена с гофрами, а нижняя часть - в виде конуса, обращенного вершиной к рабочей поверхности бюкса 2. Через вершину конуса проходит осевой канал 13 подачи окислителя. Полость, образованная наружными поверхностями конуса и гофрированной части фигурной вставки 11 и внутренней поверхностью цилиндрической насадки 10, связана через вентиляционные каналы 12 с атмосферой (для выхода окислителя).

Установка патрубка 17 подачи масла под острым углом обусловлена тем, что в этом случае обеспечивается наиболее быстрое попадание масла в зону окисления с одновременной изоляцией от окружающей среды.

Для конденсации паров масла и снижения потерь пробы в фигурную вставку 11 подают через сквозной канал 19 хладагент. Канал 19 выполнен в фигурной вставке 11 в виде лабиринта, что улучшает процесс охлаждения, в результате которого пары масла оседают на гофрах и стекают по конусу в алюминиевый бюкс 2.

Для снижения потерь пробы масла максимальный диаметр выбирают из условия не более диаметра рабочей поверхности алюминиевого бюкса 2.

В отличие от прототипа толщина каждого слоя испытуемого масла составляет 150±5 мкм (в прототипе 90 мкм). Эта величина обусловлена реальными условиями эксплуатации двигателя для температурного режима - 320°С. При данной температуре нагрева алюминиевого бюкса 2 (эквивалент работы двигателя в реальных условиях в зоне цилиндро-поршневой группы) наблюдается максимальное лакообразование (как показали эксперименты с толщиной масляной пленки минерального моторного масла 150+5 мкм).

Время окисления каждого слоя 240±5 с и расход окислителя 50 л/ч были получены экспериментальным путем (таблица 1). Из полученных экспериментальных данных видно, что наилучшая дифференциация результатов оценки моющих свойств моторных масел между эксплуатационными группами В, Г, Д наблюдается при расходе окислителя 35 и 50 л/ч; время окисления одного слоя испытуемого масла, требуемое для достижения надежной дифференциации между эксплуатационными группами, составляет 240 с при расходе воздуха 50 л/ч, и 360 с - при расходе воздуха 35 л/ч, причем величина лакообразования составляет практически одно и то же значение; исходя из временных затрат на проведение эксперимента, время окисления одного слоя масла принято равным 240 с.

Таким образом, приняты следующие условия проведения эксперимента: расход окислителя 50 л/ч, время окисления каждого слоя масла 240±5 с при толщине 150±5 мкм каждого слоя масла.

Совокупность известных (1-8) и отличительных (9-19) признаков изобретения приближает процесс определения эксплуатационной группы моторного масла к реальным процессам, протекающим в двигателях внутреннего сгорания.

Таблица 1
Результаты испытаний моторных масел при различных расходах окислителя и времени окисленияМарка маслаМасса отложений, образовавшихся на алюминиевом бюксе, при расходе окислителя, г•10^-435 л/ч50 л /ч60 л/чвремя окисления, с*время окисления, с*время окисления, с*120180240300360120180240300360120180240300360М-4_з/6В₁386410314818447130194222254125188231249258М-8В417111215919650138204230266132195239253262м-6_з/10В497612016520255147212238271139209246260269М-10В₂ эталонное467411816319952141207234269135202242257266М-14В₂527812616920859151217241274143211251266274М-16В₂558313117421364159221249280150217257274283М-6_з/12Г₁83574100130206613718219072143191207211М-5_з/10Г₁114483112141297516019121183154203216224М-8Г₂к9398099138257214918820280149198213219М-10Г₂К эталонное10377796135226913818419678147195210215М-14Г₂К114181107137287315618920581150201214221М-5_з/12Г93475100131237013418419779146198211218М-8ДМ2163954761928541041373787140162164М-10ДМ1113450721424661151464494128169172М-14ДМ11538577518307412315855105151173180М-14ДР-113148681323691201544697133170175М-16ДР-204159802432631171504290125152168М-5_з/16Д₂-1639517819297612616135101147167179* - время окисления каждого слоя масла

Для каждой эксплуатационной группы масел были определены границы значений массы отложений путем экспериментальной оценки различных образцов масел по описанному методу.

Устройство работает следующим образом. Перед проведением испытания рабочую поверхность алюминиевого бюкса 2 зачищают и обезжиривают растворителем. Алюминиевый бюкс 2 взвешивают на весах с точностью 0,0004 г. Проверяют заземление установки и герметичность линии подачи хладагента и окислителя. Производят сборку корпуса устройства 10 (с установленным в него заранее корпусом охладителя 11, подключенным к линии подачи хладагента) с алюминиевым бюксом 2, посредством прижимной гайки 9. Устанавливают собранную конструкцию в муфельный нагреватель 1, термопару 7 - в корпус алюминиевого бюкса 2.

Устанавливают с помощью лабораторного автотрансформатора 5 необходимую силу тока для нагрева алюминиевого бюкса до температуры 320°С. Включают систему подачи воды (температура воды должна быть равной 10...20°С). Включают воздушный компрессор и с помощью реометра устанавливают расход окислителя равным 50 л/ч. При достижении требуемой температуры поверхности бюкса через патрубок 17 подают испытуемое масло объемом 2 см³ на поверхность бюкса 2. По истечении 240 с окисления наносят второй слой масла равного объема и через 240 с - третий слой масла. Через 240 с производят изоляцию образовавшегося на рабочей поверхности бюкса 2 лака от окислителя посредством подачи объема испытуемого масла, достаточного для полного закрытия рабочей поверхности бюкса 2. Отключают установку от системы электропитания, системы подачи окислителя и хладагента и ждут ее остывания до комнатной температуры. Отсоединяют насадку 10 от алюминиевого бюкса 2. Промывают алюминиевый бюкс 2 растворителем для полного удаления жидкой фазы и высушивают его. Взвешивают бюкс с точностью до 0,0004 г и по разности массы бюкса 2 до и после испытаний определяют массу отложений m, по которой судят об эксплуатационной группе испытуемого масла. Если m≥0,0170 г - масло относится к эксплуатационной группе "В"; если 0,0130 г≤m< 0,0170 г - масло относится к эксплуатационной группе "Г"; при m<0,0130 г - масло относится к эксплуатационной группе "Д".

С помощью заявляемого изобретения были исследованы серийные масла различных эксплуатационных групп. Результаты исследований представлены в таблице 2.

Масла прошли испытания в требуемом объеме в соответствии с "Правилами организации проведения приемочных испытаний топлив, масел, смазок и специальных жидкостей для различных видов техники", утвержденными постановлением Госстандарта России от 14 февраля 2001 г. №16, и допущены к производству и применению.

Из данных, представленных в таблице 2, видно, что изобретение позволяет надежно дифференцировать моторные масла по эксплуатационным группам в зависимости от массы m образовавшихся отложений на алюминиевом бюксе при определенных условиях.

Использование изобретения позволит эффективно, с незначительными временными (30-40 мин) и материальными (не требуется использование полноразмерного двигателя внутреннего сгорания) затратами, определить эксплуатационную группу моторного масла.

Использование: в области исследования свойств моторных масел, в частности для определения их эксплуатационных групп, и может применяться во всех отраслях промышленности, где используются моторные масла. Сущность: устройство содержит фигурную вставку с осевым каналом подвода окислителя. Внутри фигурной вставки имеется кольцевая проточная полость для хладагента, а наружная поверхность средней ступени имеет гофры. Это позволяет охладить пары масла, оседающие на гофрах при нагревании и стекающие в виде конденсата в зону высокотемпературного окисления. В нижней части цилиндрической насадки имеется дозатор пробы масла, выполненный в виде патрубка, с помощью которого осуществляется дозированная подача масла на поверхность алюминиевого бюкса. При этом масло наносят слоями толщиной 150±5 мкм, каждый слой окисляют 240±5 с путем подачи окислителя, расход которого составляет 50 л/ч, непосредственно на поверхность слоя масла на алюминиевом бюксе, а за информативный показатель принимают массу m образовавшихся на алюминиевом бюксе отложений. При массе образовавшихся отношений, большей или равной 0,0170 г (m≥0,0170 г), масло относится к эксплуатационной группе "В", при 0,0130 г ≤m<0,0170 г масло относится к группе "Г", а при m<0,0130 г масло относится к группе "Д". Технический результат - повышение точности и сокращение времени определения эксплуатационной группы исследуемого моторного масла за счет приближения условий испытаний к реальным условиям работы масла при эксплуатации двигателя. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

1. Способ определения эксплуатационной группы моторного масла, включающий нанесение трех дозированных объемов испытуемого масла на нагретую до 315-325°С поверхность алюминиевого бюкса, термостатирование каждого слоя масла в окисляющей среде, изоляцию последнего слоя объемом масла и определение эксплуатационной группы по информативному показателю, отличающийся тем, что масло наносят с получением каждого слоя толщиной 150±5 мкм, каждый слой окисляют в течение 240±5 с путем подачи окислителя, расход которого составляет 50 л/ч, непосредственно на поверхность слоя масла на алюминиевом бюксе, а за информативный показатель принимают массу m образовавшихся отложений на алюминиевом бюксе при следующих отношениях:

m≥0,0170 г - эксплуатационная группа "В",

0,0130 г ≤m<0,0170 г - эксплуатационная группа "Г",

m<0,0130 г - эксплуатационная группа "Д".