Способ стабилизации свойств масла в системе смазки двигателя внутреннего сгорания
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.
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 65.85oC 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 65.85oC 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 6,5Медь (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.
Формула изобретения
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 85oС, 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.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2