К уравнению изменения кинетики срабатывания присадок масел двигателя работающего на газообразном топливе

Содержание присадок в маслах снижается во время работы двигателей. К срабатыванию присадок посвящена много работ, в работах Альтшулера и других рассматривается закономерность срабатывания присадок.

Время срабатывания присадок, как правило, подчиняется сравнительно простым закономерностям реакций первого и значительно нулевого порядка, эти закономерности изучены в работах Григорьева Б.П. и работах Денисова Е.Т.. Это иллюстрируется на рис.1 которых приведена зависимость содержания присадок в масле автомобильного двигателя от пробега.

Срабатывание некоторых присадок в начальной период работы масел объясняется их адсорбций на деталях двигателей и на поверхности масляных фильтров.

Рис.1. Зависимость содержания сульфонатных (1) и фенольных (2) присадок в масле от пробега автомобильного двигателя

Однако, наиболее важная причина срабатывания присадок в процессе работы двигателей – физико-химические воздействия их с продуктами старения масла и сгорания топлива.

Щелочные присадки убывают по мере взаимодействия масел с продуктами сгорания топлива, содержащими значительные количество серы и азота. Другая причина снижения щелочности – взаимодействие присадки с продуктами старения самих масел. Замечено, что скорость реакций нейтрализации кислых продуктов убывает по мере исчерпания щелочного запаса масел. Присадки моющего типа убывают по мере накопления нерастворимых в маслах асфальто-смолистых компонентов и других высокодисперсных частиц, для стабилизации которых в высокодисперсном состоянии необходима адсорбция присадок.

Термический распад присадок тоже является одной из причин их срабаиывания. При этом наблюдается не только срабатывание присадок, но и образование в продуктах распада некоторых веществ, вызывающих коррозию деталей машин.

Изучение кинетики изменения щелочности масла считают наиболее простым способом изучения кинетики срабатывания присадок. Скорость расхода щелочной присадки зависит от содержания в продуктах сгорания топлив кислых веществ. Согласно данным работы Морозова А.Г., Орциомова О.М., скорость изменения щелочности К определяется из формулы

(в мг КОН/г) : К=0,35y FS

где: F- расход топлива, кг/ч; S- содержание серы в топливе, %.

y = 0,07...0,013- величина, определяющая, какая часть образовавшихся при сгорании топлива окислов серы поступает в зону поршневых колец и реагирует с щелочной присадкой.

Следует указать, что выражение К= 0,35y FS получено при допущении полной нейтрализации попадающих в масло окислов серы.

Как видно из рис. 1 скорость срабатывания присадки убывает по мере увеличения пробега автомобиля. Выражение для скорости срабатывания присадки можно записать в виде где С- щелочность, К- константа скорости срабатывания.

Интегрируя это выражение, можно получить простейшую (без учета угара и долива масла) зависимость щелочности масла от времени: (1)

где - начальная щелочность масла.

При отсутствии угара масла срабатывание в точности подчиняется закону (1). Из этого выражения легко найти время срабатывания присадки до заданного значения концентрации :

(2)

Отсюда видно, что увеличение ресурса масла путем повышения начальной концентрации присадок не является рациональным приемом.

Изменения содержания присадки в масле с учетом непрерывного угара и равного ему долива масла можно записать уравнением:

(3)

где: - масса масла, и - скорость угара и долива масла.

Интегрируя (3), получим зависимость изменения во времени концентрации присадки :

С = (4)

Полагая в выражении t = ∞, получим предельное значение концентрации присадок, устанавливающейся в масле при длительной работе двигателя:

(5)

При относительно малом угаре масла, т.е. при предельное значение концентрации присадки может принимать значение ниже предельно допустимого уровня согласно по данным Крейна С_мин ≥ S, где S- содержание серы в топливе, %. По другим данным, минимально допустимая щелочность различна для масла различных марок и составляет при содержании серы в топливе до 0,5% 1,5- 2 мгКОН/г, а при содержании серы до 1% -2-5 мгКОН/г.

Зная значения С₀ и С_мин , можно определить предельно допустимый срок работы масла:

(6)

Отсюда нетрудно выявить, какой должна быть начальная концентрация присадки в масле при бессменной его работе и выполнении условия С_∞ ≥ С_мин :

(7)

Практический интерес представляет срабатывание присадки в том случае, когда в картер залито масло с одной концентрацией присадки, а угар компенсируется концентрацией присадки. Тогда дифференциальное уравнение срабатывания имеет вид:

(8)

Решением этого уравнения является:

(9)

Полагая t → ∞, получим предельное значение концентрации присадок, устанавливающейся в масле при длительной работе двигателя и вводом присадки:

(10)

Нетрудно показать, что при вводе концентрации присадок

(11)

в картере всего времени работы двигателя она будет поддерживатся как в исходном уровне. При С₀ = С_мин концентрация присадки должна быть равна:

(12)

В этом случае в течение всего периода работы масла концентрации в нем присадки будет предельно низком уровне, что с учетом законов срабатывания должна обеспечит минимальный расход присадки.

В последнее время появились работы, в которых теоретически и экспериментально обосновывается дозированный ввод присадок в масла с целью повышения ресурса масел и машин. В этих работах указывается на необходимость поддержания концентрации присадок в заданном диапазоне путем периодической или непрерывной компенсации их убыли, дозированный ввод присадки рассматривался в работах Альтшулера, Григорьева, работах Крейна.

Предлагается конструкция смазочная система двигателя, содержащая поддон- картер, закрепленный в нижней части двигателя, внутри которого расположен маслоприемник, соединенный посредством трубопровода с масляным насосом, в котором установлен редукционный клапан, масляный фильтр, перепускной клапан соединенный масляной магистралью, редукционным клапаном и снабжена устройством дозированного ввода композиции присадок.

Согласно расчетам, время t_ср. срабатывания присадки до заданной концентрации С_мин. равно:

где: С₀- начальная концентрация присадки в масле;

К- константа скорости срабатывания.

С кинетической точки зрения более целесообразно дробление предназначеннего ла количество присадок на возможно большее число частей и периодическое добавление очередных доз. При делении на n порций время срабатывания возрастает до

(13)

которое в раз превышает время срабатывания при одноразовом введении.

Наибольший прирост величины t_ср можно обеспечить, поддерживая концентрацию присадки вблизи значения С_мин путем непрерывного дозирования добавления присадки со скоростью. Равной скорости срабатывания при С = С_мин. В этом случае

(14)

это в раз больше, чем при одноразовом вводе присадки.

В нашем случае при использование газообразного топлива в систему не предусмотрен долив свежего масла, убывающая концентрация присадок на угар компенсируется с дозированным вводам присадок С_в.

Уравнение (14) будет иметь вид

(15)

При этом содержание присадки в раза больше, чем при одноразовом вводе присадки.

Если концентрация присадки в масле С₀ в три раза превышает минимально допустимую концентрацию С_мин, замена одноразового общепринятого ввода присадки с маслом на непрерывное дозирование может обеспечить при этом же расходы присадки увеличение срока срабатывания почти в два раза больше.

Приведенные указывают на большую перспективность метода дозированного ввода присадок, при этом наблюдается положительный эффект в увеличении срок смены масла.

Литература:

1.Венцель С.В. Применение смазочных масел в автомобильных и тракторных двигателях. М.: Химия, 1985