ВОПРОС ВЫБОРА ПЕРИОДИЧНОСТИ ЗАМЕНЫ МАСЛА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

АННОТАЦИЯ

Данная работа является частью широкого спектра исследований, направленных на оптимизацию периодичности замены моторного масла в автомобилях, эксплуатируемых в городских условиях. Для определения оптимальной периодичности замены моторного масла необходимо установить закономерности влияния времени эксплуатации на изменение показателей качества моторного масла и динамику изменения содержания продуктов износа при различных режимах эксплуатации автомобилей в городских условиях. На основе установленных закономерностей можно разработать методику обоснования периодичности замены моторного масла для автомобилей с учетом режимов работы и условий эксплуатации. Установлены этапы выбора автомобильного масла и разработан алгоритм его реализации. Усовершенствован метод оценки отработанного моторного масла по дифференциальным и интегральным показателям, учитывающий работу двигателя при остановках на городских участках для снижения температуры двигателя.

ABSTRACT

This work is part of wide researches aimed at improving the choice of rational frequency of engine oil changing in cars operated in urban conditions. To determine the frequency of engine oil changing, it is necessary to establish the regularities of the influence of operating time on changes in engine oil quality indicators and the dynamics of changes in the content of wear elements under different operating modes of cars operated in urban conditions. Based on the established patterns, a methodology can be developed to justify the frequency of engine oil changing for cars, taking into account operating modes and operating conditions. The stages of choosing crankcase oil for cars have been established and an algorithm for its implementation has been developed. The method of evaluation of registered engine oil by differential and integral indicators has been improved, which takes into account the operation of the engine during a stop in the city sections to reduce the temperature of the coolant and oil.

Ключевые слова: ленточный конвейер, стойкость к горению, обечайки, термопластичные композиции, модифицирование, металлоплимерные ролики, корпус, SolidWorks моделирование.

Keywords: conveyor belt, resistance to combustion, shells, thermoplastic compositions, modification, metal polymer rollers, housing, SolidWorks modeling.

Введение. Одной из проблем экономики любой отрасли является экономия и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов при минимальном негативном воздействии на окружающую среду. В этом аспекте рациональное использование моторного масла в двигателях автотранспортных средств в процессе эксплуатации является весьма актуальной проблемой, поскольку установление оптимальной периодичности замены моторного масла с учетом комплекса влияющих факторов, таких как рекомендации производителей, режимы работы двигателя, климатические условия, ассортимент масел на рынке, производственная база, затраты на техническое обслуживание и вопросы охраны окружающей среды, позволяет модернизировать производство и тем самым обеспечить его устойчивое развитие [3; 7; 8; 14].

Экономное и рациональное использование эксплуатационных материалов, в частности моторного масла для двигателей внутреннего сгорания, является одной из важных задач эксплуатации автомобильного транспорта [19; 21].

В процессе работы двигателей на изменение состояния масла влияют многие факторы, такие как климатические и дорожные условия, скоростные и нагрузочные требования, качество движения, регулировка топливного оборудования, состояние цилиндропоршневой группы двигателей, состояние фильтрующих элементов и т.д.

Более того, все факторы действуют одновременно, в результате чего в масле накапливаются продукты окисления (органические примеси) и механические примеси (неорганические примеси). Накопление примесей вызывает их запуск, что, в свою очередь, приводит к ухудшению всех эксплуатационных свойств масла и снижению долговечности двигателей.

Методы. Моторные масла имеют совокупность параметров физико-химических характеристик, установленных соответствующими нормативными документами, которые определяют назначение их обслуживания.

Вязкотемпературные свойства имеют многогранное эксплуатационное значение. Параметр вязкости во многом зависит от режима смазки фрикционных пар, отвода тепла от рабочих поверхностей и герметизирующих зазоров, количества потерь энергии в двигателе, его производительности, скорости пуска двигателя, нагнетания масла через систему смазки, охлаждения трущихся деталей и очистки их от загрязнений [15].

Моечно-диспергирующие свойства характеризуют способность масла обеспечивать необходимую чистоту элементов двигателя, поддерживать продукты окисления и загрязнения во взвешенном состоянии. Чем выше моюще-диспергирующие свойства масла, тем больше нерастворимых веществ (продуктов старения) можно удерживать в рабочем масле без осаждения, чем меньше лакоподобных отложений, то и соответствующих веществ образуется на нагреваемых элементах, тем выше их допустимая температура (степень разгона двигателя) [5].

Антиоксидантные свойства во многом определяют устойчивость масла к старению. Условия использования моторных масел в двигателях настолько суровы, что невозможно полностью предотвратить их окисление. При соответствующей очистке базовых масел от неблагоприятных соединений, присутствующих в базовом продукте, использовании синтетических базовых компонентов, а также введении эффективных антиоксидантных добавок можно значительно ингибировать процессы окисления масла, приводящие к повышению его вязкости и коррозионной активности, склонности к образованию отложений, загрязнению масляных фильтров и другим неблагоприятным последствиям (трудность холодного старта, ухудшение откачиваемости и т.д.) [13].

Антиизносовые свойства моторного масла способствуют снижению интенсивного износа фрикционных узлов, образованию на трущихся поверхностях прочной пленки, исключающей прямой контакт трущихся деталей. Противоизносовые свойства масел зависят от их вязкости и вязкотемпературных характеристик, смазываемости, чистоты масла [2; 5; 11; 12; 15; 16; 20].

Антикоррозионные свойства моторных масел зависят от состава базовых компонентов, концентрации антикоррозионных, антиоксидантных добавок и дезактиваторов металлов, коррозионная активность моторных масел увеличивается в процессе старения. Масла из низкосернистых нефтей с высоким содержанием парафиновых углеводородов, которые в процессах окисления образуют агрессивные органические кислоты, взаимодействующие с элементами из цветных металлов и их сплавов, более склонны к повышению коррозионной активности.

Для контроля качества исходной нефти при ее добыче, а также при ее приемке нефтебазами и потребителями используются лабораторные методы и методы испытаний на модельных установках. Для автомобильных дизельных двигателей показатели моторного масла, определяемые лабораторными методами (так называемые физико-химические показатели моторного масла), определяются ГОСТ 8581-78 "Моторные масла для автомобильных дизельных двигателей" [2]. Настоящий стандарт устанавливает требования к моторным маслам для автомобильных дизельных двигателей, производимых для нужд экономики страны и экспорта. Эти требования к качеству продукции можно разделить на:

- масла, изготовленные в соответствии с требованиями определенного стандарта по технологическим регламентам, утвержденным в установленном порядке;

- моторные масла, которые должны соответствовать требованиям и стандартам по физико-химическим параметрам, указанным в таблице 1 [2].

Результаты и обсуждения. Основываясь на рассмотренных данных (значения, указанные в требованиях НИИАТ – Научно-исследовательского института автомобильного транспорта, НАМИ – Научно-автомеханического института и производителей), можно сказать, что двигательные масла должны быть в первую очередь оценены и отобраны в соответствии с параметрами, выбранными в нормативных документах, и проведены исследования в соответствии с их требованиями.

Предварительные исследования показали, что неправильно подобранные масла приводят к преждевременному выходу из строя двигателей автомобилей, в том числе работающих в городских условиях.

В заключение следует отметить, что:

1) качество моторного масла оказывает существенное влияние на надежность автомобильного двигателя;

2) показатели, характеризующие качество моторных масел, изменяются при работе автомобильного двигателя;

3) надежности автомобильных двигателей существенно влияют на номинальные (начальные) значения параметров технико-эксплуатационных свойств свежих моторных масел и их изменения в зависимости от условий эксплуатации;

4) моторные масла, производимые различными компаниями, имеют индивидуальный набор параметров технико-эксплуатационных характеристик;

5) параметры характеристик отработанных моторных масел можно в значительной степени восстановить.

Масло, использующий ресурс, обычно оценивается по одному или нескольким показателям предельного состояния. Под предельным состоянием понимается такое значение показателей качества масла, при достижении которого происходит заметное увеличение скорости износа, повышение седиментации, снижение надежности и т.д.

По мнению большинства авторов [6], наиболее корректно оценивать фактическое состояние масла по совокупности показателей, учитывающих изменение основных свойств масел. Сложность реализации данного подхода заключается в том, что разные научные организации и исследователи предлагают разные наборы показателей и их предельные значения. В таблице 1 представлены комплексные показатели и значения их отклонения по рекомендациям некоторых научно-исследовательских институтов и фирм [17].

Несколько работ, проведенных зарубежными исследователями, посвящены вопросам изменения показателей качества масла и срокам его изменения [4; 9; 10; 18]. В этих работах в качестве показателей отказа рекомендуется использовать щелочность, загрязненность и диспергирующую способность масла, оцениваемые по капельному разрушению, коксуемости, оптической плотности и т.д.

Таблица 1.

Значение допустимых отклонений показателей качества моторных масел

Для установления разумных сроков использования моторного масла необходимо также иметь информацию о характере его загрязнения в процессе эксплуатации. Некоторые результаты исследования состава загрязнений отработанного масла приведены в [18]. Основные выводы этих работ заключаются в следующем. Существуют две основные группы примесей, загрязняющих масло: органические (продукты неполного сгорания топлива, поступающие в масло из камеры сгорания, продукты термического разложения, окисления и полимеризации масла) и неорганические (частицы пыли, частицы износа деталей, продукты зольных присадок в маслах, технологические загрязнения, остающиеся в двигателе после его изготовления). Вода, соединения серы и свинца могут попадать в масло из камеры сгорания.

Таким образом, в картере работающего двигателя образуется сложная смесь стартового масла с большим разнообразием продуктов старения, из которой невозможно полностью очистить масло (фильтрация), в результате чего увеличивается количество углеродных частиц в масле.

На основе предварительных экспериментов автомобилей, эксплуатируемых в городских условиях, и с учетом вышеизложенных выводов разработан метод выбора моторных масел, состоящий из следующих этапов:

1-й этап: предварительный отбор моторного масла на основе существующей классификации и рекомендаций производителя.

2-й этап: теоретическое определение предельного состояния моторного масла по загрязнению и ресурсосберегающим свойствам.

3-й этап: экспериментальные исследования отобранных моторных масел в реальных городских условиях.

4-й этап: сравнение полученных экспериментальных результатов и разработка рекомендаций по рациональной частоте изменения моторного масла.

Как правило, предварительный отбор масла производится по вязкостным, вязкотемпературным характеристикам и другим параметрам, которые должны соответствовать предельным значениям температуры окружающей среды, при которой эксплуатируется тот или иной двигатель, с учетом вида используемого топлива, скорости, теплового напряжения, нагрузки и т.д. При этом можно ориентироваться по таблице 1, в которой указаны допустимые отклонения изменения показателей моторного масла с учетом особенностей условий эксплуатации автомобилей.

В целом, условия использования моторных масел можно охарактеризовать, во-первых, как тяжелые в среднем, значительно отличающиеся от стандартных, а во-вторых, как значительно меняющиеся по сезонам. Соответственно, качество реализуемых автомобилей в среднем ниже номинального, а показатели качества или скорость их изменения меняются в течение года [3].

Во-первых, в соответствии с инструкцией по эксплуатации производителя энергоблока, в которой указаны требования производителя по использованию моторных масел, потребитель определяет возможный перечень масел в следующей последовательности:

- по уровню эксплуатационных свойств и вязкостно-температурных свойств;

- по уровню эксплуатационных свойств, где возможны следующие варианты:

а) автопроизводитель может рекомендовать моторное масло в соответствии с классификациями API, ACEA, ILSAC, JASO DH-1, ГОСТ, AAI и пройти дополнительные испытания согласно его спецификациям на моторное масло;

б) автопроизводитель может рекомендовать моторное масло определенной марки определенного производителя моторных масел с указанием возможного уровня эксплуатационных свойств. Если в доступном ассортименте такого масла нет, то потребитель выбирает моторное масло, которое по API, ACEA, ILSAC, JASO DH-1, ГОСТ, AAI соответствует требованиям производителя;

в) если у производителя нет собственных спецификаций на моторное масло, то он дает рекомендации по использованию моторных масел в своих автомобилях только в соответствии с классификациями API, ACEA, ILSAC, JASO DH-1, ГОСТ или AAI.

Описанная процедура выбора моторных масел для автомобилей, эксплуатируемых в городских условиях, может быть представлена графически в виде алгоритма (рис. 1).

Рисунок 1. Алгоритм предварительного выбора моторных масел для автомобилей, эксплуатируемых в городских условиях

При наличии выбора следует отдавать предпочтение тем маркам моторных масел, которые имеют одобрение конкретного автопроизводителя или соответствуют требованиям его спецификаций. Это естественно, поскольку они учитывают все основные факторы, влияющие на надежность двигателя.

Если на рынке нет марок моторных масел, рекомендованных для определенного автомобиля его производителем, проводятся сравнительные исследования и разрабатываются рекомендации по использованию других марок.

На втором этапе определяются предельные состояния показателей качества исследуемого масла. С этой целью был усовершенствован метод оценки качества масла по дифференциальным и интегральным показателям, предложенный Н.С. Захаровым [18], с учетом работы двигателя при остановке на горизонтальных платформах городской дороги для снижения температуры охлаждающей жидкости и масла:

                                                                (1)

где:

Y_i - предельно допустимые концентрации механических примесей в отработанных моторных маслах;

L - пробег автомобиля, км;

L₀ - условный пробег автомобиля, который был бы реализован во время простоя для снижения температуры масла в двигателе.

Автомобильные транспортные средства, работающие в городских условиях, когда двигатель перегревается, останавливаются на некоторое время для снижения температуры двигателя до нормального значения. Это время длится от 10 до 20 минут.

Условный пробег автомобиля можно определить по выражению:

                                                        (2)    

где t₀ - время парковки для снижения температуры масла двигателя, мин.

V_av - средняя скорость движения.

Интегральные показатели оценивают достигнутый уровень свойств в отличие от начальных значений.

                                                  (3)

где Y_n - начальное (номинальное) значение показателя.

Ресурс – это время работы, в течение которого показатель качества изменяется от начального значения Y_n до максимального значения Y_m.

Таким образом, в работах [6; 17] обосновывается существование группы показателей качества, которую можно назвать ресурсной. Эти показатели тесно связаны с дифференциальными и интегральными уравнениями. Если обозначить показатель качества ресурса L_m, то:

  =>                                         (4)

Кроме того, предлагается оценивать качество показателей масла по обобщенным параметрам технико-эксплуатационных свойств, которые отражают кумулятивный эффект параметров технико-эксплуатационных свойств.

где x₁, x₂,..., x_n - наиболее значимые технические и эксплуатационные параметры моторного масла.

Обобщенный параметр технико-эксплуатационных свойств моторного масла включает следующие значения:

К₄₀ - кинематическая вязкость при 40°С, мм²/сек;

К₁₀₀ - кинематическая вязкость при 100°С, мм²/сек;

T_вс - температура вспышки, определяемая в открытом тигле, °C;

М_ф - массовая доля фосфора, %;

S_з - содержание сульфатной золы, %;

A_N - щелочное число, мг КОН на 1 г масла.

На самом деле, обобщенный параметр технико-эксплуатационных свойств моторного масла включает в себя все параметры технико-эксплуатационных свойств моторного масла, установленные ГОСТ Р 51634-2000. Однако, с учетом наших предложений, для оценки энергосберегающих свойств необходимо также проводить одновременный анализ содержания механических примесей.

Анализ этих факторов показывает, что они характеризуют технико-эксплуатационные свойства моторных масел в процессе эксплуатации, взаимосвязаны и дополняют друг друга с точки зрения характеристик марки моторного масла. Формирование обобщенного параметра технико-эксплуатационных свойств моторных масел представлено в виде блок-схемы (рис. 2).

Таким образом, обобщенный параметр технико-эксплуатационных свойств моторного масла можно рассматривать как комплексный критерий качества моторного масла и использовать как при оценке технико-эксплуатационных свойств моторных масел, так и при сравнении различных марок моторных масел.

Рисунок 2. Блок-схема формирования обобщенных параметров технико-эксплуатационных свойств моторных масел на основе статистической информации

Заключение. На основе проведенных исследований в выбранном направлении можно сделать следующие выводы:

1. При наличии на рынке фирменного ассортимента масел предпочтение следует отдавать моторным маслам, имеющим одобрение конкретного автопроизводителя или соответствующим требованиям его спецификаций.

2. Если на рынке отсутствуют марки моторного масла, рекомендованные производителем для данного автомобиля, следует руководствоваться классификациями API, ACEA, ILSAC, JASO DH-1, ГОСТ и AAI, указанными производителями.

3. Установлены этапы подбора картерного масла для автомобилей и разработан алгоритм его реализации.

4. Усовершенствован метод оценки зарегистрированного моторного масла по дифференциальным и интегральным показателям, учитывающий работу двигателя при остановках на городских участках для снижения температуры охлаждающей жидкости и масла.

Список литературы:

1. Alimov M., Riskulov A., Nurmetov K. Choosing of rational periodicity of engine crankcase oil changing taking into account energy-saving properties of oils // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 401. – EDP Sciences. DOI: 10.1051/e3sconf/202340105021.
2. Chankin V.V., Pakhomov E.A. Dynamics of changes in the concentration of impurities in diesel oil // Bulletin of the All-Union Research Institute of Railway Transport. – 1994. – No. 6. – P. 8.
3. Gorbunov S.P. Base oils. The technology of the future today // Oils and auto chemicals. – 2003. – No. 4(12). – P. 16.
4. Gorbunov S.P. Development of a methodology for selecting engine oil in operation (using the example of urban automobiles): dissertation of Candidate of Technical Sciences. – Moscow: MADI, 2006. – 18 p.
5. Kuchkorov L., Alimukhamedov Sh., Tursunov N., Toirov O. Effect of different additives on the physical and mechanical properties of liquid-glass core mixtures // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 365. – P. 05009. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202336505009.
6. Morozov G.A., Artsiomov O.M. Oil purification in diesel engines. – L.: Mechanical Engineering, 1971. – 271 p.
7. Petelin A.A. Influence of seasonal conditions on the frequency of engine oil changing M-10G2k // Problems of adaptation of equipment to harsh conditions: Reports of international, scientific-pract. conf. – Tyumen: TSOGU, 1999. – Pp. 179-180.
8. Rakhimov U., Tursunov N. (2023). Development of technology for high-strength cast iron for manufacturing D49 head of cylinder // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 401. DOI: 10.1051/e3sconf/202340105013.
9. Reznikov V.D. Motor oil. – M.: JSC "VNII NP", 2003. – 192 p.
10. Reznikov V.D. New in foreign classification of motor oils // Chemistry and technology of fuels and oils. – 1985. – No. 9. – P. 29.
11. Riskulov A., Nurmetov K., Avliyokulov J. Material selection for vehicle brake chamber case with using computer methods of analysis // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 401. DOI: 10.1051/e3sconf/202340102061.
12. Riskulov A., Sharifxodjaeva K., Nurmetov K. Composite Materials Based on Regenerated Polyolefins for Road Construction Equipment. In AIP Conference Proceedings. – 2022. – Vol. 2637. – P. 030013. AIP Publishing LLC. DOI: 10.1063/5.0118293.
13. Toirov O., Tursunov N. Development of production technology of rolling stock cast parts // E3S Web of Conferences. – 2021. – Vol.  264. – P. 05013. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202126405013
14. Toirov O., Tursunov N. Efficiency of using heat-insulating mixtures to reduce defects of critical parts // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 401. DOI: 10.1051/e3sconf/202340105018.
15. Volkov P.N. Lecture notes on the course "Fundamentals of experiment planning and experimental data processing". – M.: MADI,1970. – 69 p.
16. Wani M.F., Ziyamukhamedova U., Mufti T.A., Sehgal R., Saleem S.S. Design, fabrication and characterization of MoS2 self-lubricating pure MoS2 Coatings for space applications using PVD magnetron sputtering // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 401. – P. 05084.
17. Yakunin N.N., Dryuchin D.A. Existing methods of oil regeneration and the possibility of their use in motor transport enterprises // Improvement of technological processes in the food industry and agriculture. – Orenburg: OSU, 1996. – P. 144.
18. Zakharov N.S. The influence of seasonal conditions on the processes of changing the quality of cars: dissertation of Doctor of Technical Sciences. – Tyumen, 2000. – 525 p.
19. Ziyamukhamedova U., Bakirov L., Donaev S., Miradullaeva G., Turgunaliev E. Study of structure formation processes in matrices of mixed components with reinforcing natural fillers // E3S Web of Conferences. – 2023. –  Vol. 401. – P. 05074.
20. Ziyamukhamedova U., Evlen H., Nafasov J., Jalolova Z., Turgunaliyev E., Rakhmatov E. Modeling of the process of mechano activation of filler particles in polymer composites // E3S Web of Conferences. – 2023. – Vol. 401. – Pp. 05027.
21. Ziyamukhamedova U., Rakhmatov E., Dustqobilov E., Nafasov J., Ziyamukhamedov J. Development of protective coating compositions for process tanks. In AIP Conference Proceedings. – 2023. – Vol. 2789. – No. 1. – AIP Publishing.