СПОСОБ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ МЕХАНИЧЕСКИМИ ПРИМЕСЯМИ МОТОРНОГО МАСЛА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2007 года по МПК G01N11/10 

Изобретение относится к измерительной технике и к способам оценки фактического состояния моторного масла, находящегося в картере двигателя, и может быть использовано для контроля концентрации механических примесей в моторном масле, например, продуктов износа машин и механизмов в смазочном масле, а также для определения концентрации в нем нерастворимых продуктов окисления. Может быть использовано в автомобильной, сельскохозяйственной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, где необходимо контролировать качество моторного масла.

Известен способ контроля загрязненности моторного масла в двигателе внутреннего сгорания, реализованный посредством устройства, основанного на пропускании ультразвуковых волн через поток масла заданного давления и номинального температурного режима, с дальнейшей регистрацией ультразвукового сигнала ультразвуковых волн и сравнением его с заранее полученным эталонным сигналом [1].

Но его недостаток в том, что способ дает интегральную оценку качества масла без контроля природы возникновения загрязнения (является ли загрязнение масла результатом износа деталей двигателя с образованием в масле металлических частиц или же оно носит характер старения масла и образованием в нем угарных частиц).

Ближайшим техническим решением к заявленному является способ оценки состояния картерного масла путем перемещения в нем чувствительного элемента, выполненного в виде стакана с наклонно по отношению к оси периферийно расположенными в его дне соплами (масло, проходя через них, создает реактивный крутящий момент). По заранее составленной номограмме на основе показателей величины соотношения скоростей перемещения и вращения производится оценка состояния масла определяется уменьшение его работоспособности по отношению к состояниям: «новое» и «предельно допустимое» [2].

Недостаток этого способа в том, что существует возможность высоких погрешностей в исследованиях из-за нефиксированного температурного интервала испытаний, а также этот метод не дает оценки природы и причин загрязнения масла.

Задачей заявленного способа является создание технологии повышения точности оценки фактического состояния моторного масла с определением концентрации продуктов износа и эксплуатационного изменения масла.

Технический результат от использования способа связан с созданием технологии оценки состояния моторного масла двигателей внутреннего сгорания, что позволяет контролировать качество работы двигателя, оставшийся ресурс работы масла до его замены.

Технический результат достигается тем, что в способе оценки загрязненности механическими примесями моторного масла двигателя внутреннего сгорания путем измерения времени перемещения чувствительного элемента в измерительной емкости с пробой масла, взятой из картера двигателя и сравнением ее с составленной заранее функциональной зависимостью для данного сорта масла, пробу масла из картера двигателя делят на две части, одну из которых доводят до оптимальной температуры термически и измеряют время перемещения чувствительного элемента, а другую - обрабатывают ультразвуком до достижения ею оптимальной температуры, измеряют время перемещения чувствительного элемента, причем замер времени перемещения чувствительного элемента в измерительной емкости производят для обеих частей проб масла раздельно в верхней и нижней половинах измерительной емкости, сравнивают разность времен перемещения чувствительного элемента, произведенную отдельно в верхней и нижней половинах измерительной емкости, с пробами масла, прогретыми ультразвуком и термически, с заранее составленной функциональной зависимостью для подобных условий, и производят оценку загрязненности масла механическими примесями.

Оптимальную температуру для каждого сорта масла определяют путем построения графической зависимости разности времени движения чувствительного элемента в измерительной емкости, заполненной чистым маслом, прогретым ультразвуком и термически, для интервала температур от 10 до 60°С, а оптимальной выбирают температуру, при которой разность времени имеет наибольшее значение.

В масле, находящемся в масляной системе двигателей, происходят непрерывные количественные и качественные изменения. Количественные изменения происходят за счет угара его в цилиндро-поршневой группе (ЦПГ) двигателя. Качественные изменения, известные под общим названием «старение масла», складываются из целого ряда физических и химических процессов, протекающих в масляной системе. Показатели, характеризующие отрицательные свойства (такие, как содержание нерастворимых примесей размером 1...6 мкм), по мере старения масла увеличиваются [3].

Механические примеси накапливаются в моторном масле в результате попадания пыли с засасываемым воздухом или через неплотности картерного пространства, а также вследствие образований нерастворимых продуктов окисления и износа деталей ЦПГ. Считается, что наиболее интенсивно механические примеси накапливаются в моторном масле в первые 60-120 часов его работы, а затем процесс стабилизируется. Это объясняется окислением малостабильных углеводородов масла в первый период его работы.

По стандарту содержание механических примесей в чистых моторных маслах должно быть не выше 0,015%. Предельным показателем содержания механических примесей в работающих маслах являются значения от 1 до 3% в зависимости от типа двигателя [4].

Использование в способе ультразвукового излучения позволяет достоверно судить о качестве моторного масла из-за возможности использования эффекта остаточной вязкости, заключающегося в том, что масла, предварительно нагретые до одной и той же температуры различными способами, после отключения нагревателей остывают и соответственно меняют вязкость различными способами. В маслах, нагретых ультразвуком, вязкость выше, чем в маслах, нагретых до той же температуры термически. Как известно, моторное масло представляет собой базовое масло с добавлением различных высокомолекулярных присадок, которые равномерно распределены по объему масла (фиг.1) [5]. При воздействии на масло ультразвука определенной частоты и интенсивности в зависимости от состава базового масла и природы химических присадок масло нагревается. При этом в нем можно добиться формирования стоячих ультразвуковых волн с выраженными максимумами и минимумами энергии. Образование стоячих волн приводит к перераспределению молекул присадок таким образом, что они начинают концентрироваться в областях с минимумами энергии. То есть в масле, обработанном ультразвуком, возникают области повышения и понижения концентраций распределения молекул. Общая картина распределения ультразвуковых волн в слое масла, обработанного ультразвуком, представлена на фиг.2, где L - толщина слоя масла; E_max - область максимальной энергии; Е_min - область минимальной энергии; УЗ - излучатель ультразвуковых колебаний; М - область концентрации молекул присадок масла.

Масло, нагретое ультразвуком, сохраняет остаточную вязкость, которая вызвана образованием контактов и перехлестов между молекулами присадок масла при прохождении фронта ультразвуковой волны индуцированной ультразвуком. Таким образом, при прогревании масла ультразвуком наряду с чисто тепловым действием происходит пространственное перераспределение расположения и ориентации молекул присадок, что и приводит к эффекту остаточной вязкости (фиг.3).

При этом необходимо учесть, что эффект остаточной вязкости выражен наиболее ярко только при определенной оптимальной температуре T_опт, которая для каждого сорта масла является своей. Оптимальная температура T_опт для каждого сорта масла определяется путем построения графической зависимости разности Δτ времени движения τ₂ чувствительного элемента в измерительном цилиндре, заполненном чистым маслом, прогретым ультразвуком, и времени движения τ₁ чувствительного элемента в измерительном цилиндре, заполненном чистым маслом, прогретым термически, от температуры масла. При этом графическую зависимость строят для интервала температур от 10 до 60°С. Оптимальной выбирается температура T_опт, при которой разность времени Δτ=τ₂-τ₁ имеет наибольшее значение.

По результатам исследований построены графики зависимости изменения вязкости от температуры для масла 15W40 («ТНК», Рязань), (фиг.4): где - 1 - масло, обработанное ультразвуком; 2 - масло просто прогретое; 3 - масло (отработка), обработанное ультразвуком; 4 - масло (отработка) прогретое; 5 - масло (без химических присадок), обработанное ультразвуком; 6 - масло (без химических присадок) прогретое.

Из полученных данных по изменению вязкости (Δ%), т.е. по изменению разности времени Δτ масла, обработанного ультразвуком и без него, в зависимости от температуры следует, что наибольший эффект остаточной вязкости прослеживается при температуре 26,5°С (фиг.5).

Эффект остаточной вязкости проявляется в большей мере для минерального масла 15W40 при t=26,5°С, в меньшей - для полусинтетического масла 10W40 при t=24°С, и в наименьшей - для синтетического 5W40 при t=23°С (фиг.6).

Чем больше срок эксплуатации масла, тем больше в нем механических примесей, в том числе взвешенных частиц металлической (продукты износа деталей ЦПГ) и угарной природы (нерастворимые продукты окисления). При этом частицы угарной природы распределены в слое масла равномерно, а частицы металлической природы как частицы с большей плотностью распределены в основном в нижних слоях пробы масла. При воздействии на диагностируемое масло ультразвуком все частицы начинают двигаться в слое масла и разрушать разветвленную структуру присадок, что влияет на вязкость масла. При этом предполагается, что часть частиц, приблизительно половина, с меньшей плотностью, т.е. частиц угарной природы, передвигается в верхние слои масла. А оставшаяся их часть и частицы с большей плотностью, т.е. металлические частицы, располагаются в нижних слоях масла (фиг.7). Значит, вязкость масла по длине емкости для исследований будет неодинакова. Следовательно, время прохождения чувствительным элементом верхнего и нижнего участка емкости, наполненной испытуемом маслом, будет различным (фиг.8) Сравнивая результаты измерения вязкости масла, нагретого термически и ультразвуком, можно определить фактическое состояние масла, процентное соотношение примесей различного характера, которое в дальнейшем может позволить сделать вывод о правильности работы самого двигателя.

Для определения функциональной зависимости строят калибровочные кривые для каждого сорта масла. Для этого определяют зависимости разности времен прохождения чувствительным элементом в пробах масла, различного остаточного ресурса, прогретых ультразвуком и термически до оптимальной температуры T_опт, верхней половины измерительной емкости Δt_1э и нижней половины измерительной емкости Δt_2э, от степени загрязненности масла механическими примесями S. За степень загрязненности механическими примесями S принимается концентрация инородных частиц в масле, т.е. количество частиц в единице объема.

При этом

где и - время перемещения чувствительного элемента в пробе масла, прогретой ультразвуком, в верхней и нижней половинах измерительной емкости соответственно;

и - время перемещения чувствительного элемента в пробе масла, прогретой термически, в верхней и нижней половинах измерительной емкости соответственно.

Зная результаты исследований чистой и загрязненных проб масла, строят калибровочные кривые Δt_1Э(S) и Δt_2Э(S) для каждого сорта масла (фиг.9).

При проведении оценки загрязненности моторного масла механическими примесями из картера двигателя берут пробу масла, которую делят на две части:

1) Одну часть масла заливают в измерительную емкость и прогревают или охлаждают до оптимальной температуры T_опт. Измеряют время перемещения чувствительного элемента t₁ в верхней половине измерительной емкости и t₂ - в нижней.

2) Вторую часть масла заливают в измерительную емкость, включают излучатель ультразвука и обрабатывают масло ультразвуком до оптимальной температуры T_опт. Измеряют время перемещения чувствительного элемента t₁ ¹ в верхней половине измерительной емкости и t₂ ¹ - в нижней.

По разности времени перемещения чувствительного элемента в верхней половине измерительной емкости Δt_1Ф=t₁ ¹-t₁ и нижней Δt_2Ф=t₂ ¹-t₂ по заранее построенным графикам зависимости разности времен перемещения чувствительного элемента от степени загрязненности масла Δt_1Э(S) и Δt_2Э(S), определяют загрязненность масла механическими примесями, т.е. концентрацию частиц угарной природы и металлической природы. При этом необходимо заметить, что по графику зависимости Δt_1Э(S) определяют концентрацию S₁ частиц угарной природы в верхней половине измерительной емкости, а по графику зависимости Δt_2Э(S) - сумму концентраций S_Σ частиц угарной природы S₁ и металлической природы S₂, где

Следовательно, концентрацию частиц металлической природы определяют по формуле:

а общую концентрацию частиц в пробе масла определяют по формуле:

Проделав все необходимые вычисления, анализируют, каких частиц в масле преобладающее количество, и решают вопрос о дальнейшей целесообразности использования данного моторного масла. При этом можно воспользоваться экспериментальной зависимостью концентрации механических примесей от степени загрязненности ими масла, выраженной в процентах. Данная зависимость построена на основании экспериментальных данных и стандартного процентного соотношения содержания механических примесей в чистом масле и их предельно допустимого значения (фиг.10).

Пример: Определим возможность дальнейшего использования минерального моторного масла 15W40 после его эксплуатации в двигателе автомобиля, прошедшего после замены масла 2000 км.

Проделанные опыты позволили получить следующие данные:

t₁ ¹=0,87 с; t₁=0,53 с; t₂ ¹=0,78 с; t₂=0,54 с.

Следовательно, определяем Δt_1Ф=t₁ ¹-t₁=0,87-0,53=0,34 с;

и Δt_2Ф=t₂ ¹-t₂=0,78-0,54=0,24 с.

По полученным значениям Δt_1Ф и Δt_2Ф и по калибровочным кривым Δt_1Э(S) и Δt_2Э(S) для минерального моторного масла 15W40 (фиг.9) определяем, что концентрация частиц угарной природы в верхней половине измерительной емкости составляет: S₁≈15·10³ 1/мл; а сумма концентраций S_Σ частиц угарной природы S₁ и металлической природы S₂ в нижней половине измерительной емкости составляет: S_Σ=S₁+S₂≈26·10³ 1/мл

Следовательно, концентрацию частиц металлической природы определяем по формуле:

а общую концентрацию частиц в пробе масла определяем по формуле:

Используя полученное значение S_ОБЩ и график зависимости концентрации механических примесей от степени загрязненности ими масла, выраженной в процентах (фиг.10), определяем, что данное масло выработало свой ресурс по загрязненности механическими примесями приблизительно на 67% и дальнейшая эксплуатация масла возможна. Поскольку концентрация частиц угарной природы во взятой пробе масла более чем в 3 раза превышает концентрацию частиц износа ЦПГ, то можно сделать вывод о том, что двигатель работал в жестком тепловом режиме при высоких нагрузках, что и вызвало повышенное окисление масла.

Предлагаемый способ может быть реализован посредством устройства, содержащего излучатель ультразвука с подключенным к нему ультразвуковым генератором и прозрачную измерительную емкость для исследуемой жидкости (съемный стакан) с залитым в него маслом и перемещаемым в нем чувствительным элементом. Чувствительный элемент может быть выполнен в виде плоского тела, свободно установленного на вертикальном штоке с экраном с возможностью гравитационного перемещения. Измерение и регулирование температуры термически, регистрирование времени перемещения рабочего тела, обработку данных и отслеживание процесса исследования масла в устройстве могут реализовать различные электронные системы, управляемые одним или несколькими блоками управления.

К устройству прилагаются калибровочные кривые зависимости Δt_1Э и Δt_2Э от степени загрязненности механическими примесями S наиболее распространенных марок масел, так как разности времени Δt_1Ф и Δt_1Ф зависят не только от загрязненности масла, но и от его марки и сорта, и зависимость времени перемещения чувствительного элемента от степени загрязнения масла механическими примесями.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1347009 A1, G01N 33/30, 1984.

2. Авторское свидетельство СССР №575545, G01N 11/10, 1975.

3. Полканов И.П., Холманов В.М. Применение моторных масел и смазочных материалов в сельском хозяйстве. Методические указания. Ульяновский сельскохозяйственный институт, 1985, с.72.

4. Остриков В.В., Тупотилов Н.Н. Смазочные материалы и изменение их свойств при эксплуатации сельскохозяйственной техники. Методические указания. Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ВИИТиН). Тамбов, 2002, с.57.

5. Балтенас Р., Сафонов А.С., Ушаков А.И., Шергалис В. Моторные масла. Москва - СПб.: Альфа-Лаб, 2000, с.10.

Изобретение относится к измерительной технике и к способам оценки фактического состояния моторного масла, находящегося в картере двигателя, и может быть использовано для контроля концентрации механических примесей в моторном масле. Техническим результатом изобретения является повышение точности оценки фактического состояния моторного масла. Способ основан на определении разности времен гравитационного перемещения чувствительного элемента в измерительной емкости с частями пробы масла, доведенными до оптимальной температуры ультразвуком и термически. При этом замер времени перемещения чувствительного элемента в измерительной емкости производят для обеих частей проб масла раздельно в верхней и нижней половинах измерительной емкости. Сравнивая разности времен перемещения чувствительного элемента, полученные отдельно для верхней и нижней половин емкости, с заранее составленной соответствующей этим условиям функциональной зависимостью, производят оценку загрязненности масла механическими примесями. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ оценки загрязненности механическими примесями моторного масла двигателя внутреннего сгорания путем измерения времени перемещения чувствительного элемента в измерительной емкости с пробой масла, взятой из картера двигателя, и сравнением ее с составленной заранее функциональной зависимостью для данного сорта масла, отличающийся тем, что пробу масла из картера двигателя делят на две части, одну из которых доводят до оптимальной температуры термически и измеряют время перемещения чувствительного элемента, а другую обрабатывают ультразвуком до достижения ею оптимальной температуры, измеряют время перемещения чувствительного элемента, причем замер времени перемещения чувствительного элемента в измерительной емкости производят для обеих частей проб масла раздельно в верхней и нижней половинах измерительной емкости, сравнивают разность времен перемещения чувствительного элемента, произведенную отдельно в верхней и нижней половинах измерительной емкости с пробами масла, прогретыми ультразвуком и термически, с заранее составленной функциональной зависимостью для подобных условий, и производят оценку загрязненности масла механическими примесями.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что оптимальную температуру для каждого сорта масла определяют путем построения графической зависимости разности времени движения чувствительного элемента в измерительной емкости, заполненной чистым маслом, прогретым ультразвуком и термически, для интервала температур от 10 до 60°С, а оптимальной выбирают температуру, при которой разность времени имеет наибольшее значение.