Способ повышения эффективности использования смазочного масла с присадками

Изобретение относится к эксплуатации машин, в частности - к использованию моторного масла в двигателях внутреннего сгорания. Способ повышения эффективности использования смазочного масла с присадками включает электрообработку смазочного масла при прохождении его в межэлектродном пространстве при постоянном электрическом напряжении, в котором величину постоянного электрического напряжения устанавливают в зависимости от силы тока в межэлектродном пространстве так, чтобы сила тока находилась в диапазоне 0,9÷1,0 максимального значения силы тока, фиксируемой в диапазоне, при котором электрический пробой смазочного масла не достигается. Технический результат заключается в уменьшении изнашивания трущихся деталей, расхода топлива и увеличения срока службы, а также в снижении выбросов вредных веществ с отработавшими газами. 1 табл., 4 ил.

 

Изобретение относится к области эксплуатации машин, а в частности, к повышению эффективности использования моторного масла в агрегатах, например двигателях внутреннего сгорания (далее ДВС), и может быть использовано для уменьшения изнашивания ДВС, увеличения срока их службы.

Известен способ повышения эффективности использования моторного масла в ДВС путем введения в систему смазки ДВС различных деталей (корпуса масляных фильтров, пробки в масляный поддон, вставки в маслофильтры) из магниевых сплавов (см. например, Лебедев С.А. Маслофильтрующая аппаратура автомобильных двигателей. М., ЦИНТИМАШ, 1960). Недостатком такого способа является то, что поверхности этих деталей загрязняются масляным шламом и их влияние на рабочие свойства масел постепенно исключается.

Известны способы повышения эффективности использования моторного масла ДВС путем введения в систему смазки картриджей с химическими веществами на основе соединений металлов (см. а.с. №№1343045, 1507995, пат. РФ №№2052169, 2146279, 2223442). Недостатком такого способа является быстрая потеря эффективности картриджей из-за их загрязнения.

Известен способ, при котором на гильзы цилиндров подают напряжение постоянного тока от аккумуляторной батареи автомобиля, апробированный в МАДИ на дизельном двигателе ЯМЗ-236 автосамосвала МАЗ в 80-е годы. При применении этого способа значительно уменьшается изнашивание и закоксовывание деталей цилиндро-поршневой группы ДВС. Недостатком этого способа является то, что подвод напряжения к гильзам цилиндров ДВС трудно осуществим, может уменьшить надежность работы ДВС. Эти обстоятельства полностью препятствуют применению способа на автотракторных ДВС.

Известен способ повышения износостойкости пар трения путем обработки смазочного материала, описанный в патенте РФ №2514189. Он заключается в том, что обработку смазочного материала осуществляют непосредственно в трибоузле, при этом на одну трущуюся поверхность детали трибоузла подают постоянный ток положительной полярности, регулируемый по величине от 100 до 300 мкА, который через слой смазочного материала и поверхность контрдетали трибоузла образует замкнутую цепь, при этом подачу тока через трибоузел осуществляют от источника питания, соединенного с потенциометрами и регулятором величины и полярности тока. Недостатком этого способа является невозможность его применения в некоторых парах трения из-за сложности подвода к ним напряжения.

Известен способ уменьшения трения пары «латунь-сталь» в керосине, описанный в патенте РФ №2212579. Он заключается в предварительной энергетической обработке жидкости пропусканием ее через магнитное поле в направлении, перпендикулярном к силовым линиям поля. Керосин обрабатывают магнитным полем с плотностью энергии 75-120 кДж/м не ранее чем за два часа до реализации процесса трения. Данный способ апробирован только на керосине и не может быть использован для повышения эффективности использования других смазочных жидкостей.

Наиболее близким является способ электрообработки жидкости на нефтяной основе, описанный в патенте РФ №2101480. В нем для повышения противоизносных свойств жидкости на нефтяной основе жидкость пропускают в зазоре между электродами, где подвергают обработке электростатическим полем (далее - электрообработка). При этом напряжение на электродах равно U=1000-1500 В, а скорость движения жидкости в межэлектродном пространстве - V=4,5-6,5 м/с. Недостатком способа является невозможность установления оптимального режима электрообработки для различных смазочных масел с присадками и сложность реализации вследствие необходимости поддерживать скорость движения жидкости в установленном диапазоне.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности использования смазочного масла путем электрообработки смазочного масла в сложных агрегатах типа двигателя внутреннего сгорания с затрудненной подачей напряжения непосредственно на трущиеся детали и переменной скоростью течения смазочного материала в масляных магистралях.

Задача решается способом повышения эффективности использования смазочного масла агрегата, включающем электрообработку смазочного масла при прохождении его в межэлектродном пространстве при постоянном электрическом напряжении, в котором величину постоянного электрического напряжения устанавливают в зависимости от силы тока в межэлектродном пространстве так, чтобы сила тока находилась в диапазоне 0,9÷1,0 максимального значения силы тока, фиксируемой в диапазоне, при котором электрический пробой смазочного масла не достигается.

Для подачи постоянного электрического напряжения в агрегат вводят как минимум один электрически изолированный от деталей агрегата контактирующий со смазочным маслом электрод, или выбирают как минимум одну из деталей агрегата в качестве электрически изолированной от остальных деталей агрегата и контактирующей со смазочным маслом.

Для материала электрода в конкретном смазываемом узле выбирают металл, способствующий наибольшему снижению в нем коэффициента трения.

Технический результат заключается в обеспечении эффективного использования смазочного масла, в том числе в сложных агрегатах с затрудненной подачей напряжения на трущиеся детали трибоузлов. В частности, предлагаемый способ обеспечивает снижение коэффициента трения до 29,3% (фиг. 4), потерь на трение в ДВС до 5,5% с соответствующим снижением интенсивности изнашивания его сопряжений, снижение расхода топлива ДВС в эксплуатации на 4-12%, а также уменьшение в отработавших газах бензиновых ДВС содержания углеводородов и оксида углерода на 18-19%.

Изобретение поясняется фигурами.

На фиг. 1 показана зависимость силы тока в моторном масле М-10Г_2К между медным катодом и стальным анодом от напряженности электрического поля у электродов (Е_Р=0,62×10⁶ В/м - напряженность поля, соответствующая максимальному значению силы тока).

На фиг. 2 показана зависимость давления масла в главной масляной магистрали двигателя ЯМЗ-236 НЕ2 от наработки, причем левая часть зависимости соответствует отсутствию электрообработки смазочного масла, а правая - выполнению электрообработки смазочного масла.

На фиг. 3 показаны результаты испытаний стальной пары «палец-диск» в моторном масле М-10Г_2К на трибометре TRB-S-DE Швейцарской фирмы CSM Instruments при подаче напряжения постоянного тока в масло через алюминиевый и медный электроды: выявлено снижение коэффициента трения при малых, средних и повышенных нагрузках на 0,0193.

На фиг. 4 приведены результаты испытаний стальной пары «палец-диск» в моторном масле М-10Г_2К на трибометре TRB-S-DE при подаче напряжения постоянного тока в масло через другие электроды, где с цинковым электродом при нагрузке 10 H коэффициент трения уменьшился на 0,0589.

Для осуществления способа производят предварительную электростатическую обработку смазочного масла в агрегате, в котором для предварительной электростатической обработки масла создают электрическое поле путем подачи постоянного электрического напряжения. Электрообработку масла осуществляют при прохождении его в межэлектродном пространстве при постоянном электрическом напряжении, которое поддерживается автоматически и устанавливается на уровне, отвечающем 0,9÷1,0 максимального значения силы тока, фиксируемой в диапазоне, при котором электрический пробой смазочного масла не достигается.

Обработка является предварительной в том смысле, что она проводится до того, как масло попадает на трущиеся поверхности. При этом она может осуществляться непосредственно в работающем агрегате, а электроды для подачи постоянного электрического напряжения в масло могут быть установлены как перед агрегатом, так и в самом агрегате. Агрегатом может быть ДВС, коробка передач, ведущий мост, промышленный редуктор, другой агрегат, узлы трения которого работают в смазочном масле.

Например, как вариант осуществления изобретения, способ может быть реализован с помощью специального устройства для обработки смазочного масла электрическим полем, установленным в масляном трубопроводе вблизи входа масла в агрегат. Как другой вариант осуществления изобретения, для подачи постоянного электрического напряжения в агрегат вводят как минимум один электрически изолированный от деталей агрегата контактирующий со смазочным маслом электрод или выбирают как минимум одну из деталей агрегата в качестве электрически изолированной от остальных деталей агрегата и контактирующей со смазочным маслом.

Способ основан на том явлении, что при электростатической обработке в результате создания напряженности электрического поля углеводородные кластеры смазочного масла и органических присадок с низкой поверхностной активностью, например обратные мицеллы, поляризуются по направлению вектора и изменяют свое фазовое состояние из глобулярного, кластерного, мицеллярного до упорядоченного группового, как следствие, увеличивают свою поверхностную активность, адгезию к поверхностям трения, толщину граничной смазочной пленки граничного режима смазывания, что тем самым обусловливает уменьшение сил трения и интенсивность изнашивания. Электрообработанные упорядоченные группы молекул масла и присадок в нем проникают в зазоры между поверхностями деталей трения, участвуют в физической конкурентной адсорбции на поверхностях трения, при этом формируют адсорбционную пленку повышенной толщины и повышенной несущей способности, тем самым уменьшают трение и изнашивание в сопряжениях агрегатов, в том числе в ДВС.

При осуществлении предлагаемого способа для каждого типа смазочного масла и пакета присадок в нем определяют оптимальную напряженность электрического поля, при которой достигается максимум поляризации масла. Такая напряженность электрического поля определяется, например, по максимальной величине силы тока в смазочном масле между электродами, как показано на фиг. 1. Оптимальное значение электрического напряжения устанавливают в зависимости от силы тока так, чтобы сила тока находилась в диапазоне 0,9÷1,0 максимального значения силы тока, фиксируемой в диапазоне, при котором электрический пробой смазочного масла не достигается.

Для определения зависимости силы тока от напряженности поля для каждой конкретной марки смазочного масла определяют вольт-амперную характеристику вне агрегата в зазоре между электродами экспериментальной установки. Силу тока между электродами в масле измеряют миллиамперметром при каждом изменении напряжения, подаваемого на электроды в масле. При предварительном контроле силы тока без масла между электродами обеспечивают экранирование в экспериментальной установке, чтобы токи наводки практически отсутствовали.

Оптимальная зона подаваемого напряжения для электрообработки, например, моторных масел показана на кривой на фиг. 1. Величину постоянного электрического напряжения устанавливают в зависимости от силы тока так, чтобы сила тока находилась в диапазоне 0,9÷1,0 максимального значения силы тока. Изменения в смазочном масле начинаются тогда, когда связь между силой тока и приложенным напряжением перестает быть линейной. Однако эти изменения фазового состояния молекул с неограниченным ростом напряженности поля могут ухудшать триботехнические качества масла. Поэтому оптимальным полагается напряжение начала уменьшения силы тока на ее криволинейной части зависимости от напряжения.

В результате экспериментов обнаружено, что именно в этой области вольт-амперной характеристики триботехнический эффект от изменения фазового состояния молекул масла является максимальным, что подтверждает фиг. 3.

Предельная величина напряженности электрического поля для каждого масла индивидуальна и является той величиной, при которой возникает электрический пробой масла между электродами устройства.

Для материала электрода в конкретном смазываемом узле выбирают металл, способствующий наибольшему снижению в нем коэффициента трения.

Результаты испытаний и реализации предлагаемого способа иллюстрируются примерами и табличными данными.

Пример 1 испытания способа. На трибометре TRB-S-DE Швейцарской фирмы CSM Instruments проведены испытания стальной пары «палец-диск» в моторном масле М-10Г_2К в режиме ступенчатого нагружения пары от 5 до 60 H при скорости скольжения 100 см/с с подачей напряжения постоянного тока в масло через алюминиевый и медный электроды. В сравнении с испытанием той же пары в том же масле, но без подачи в масло напряжения, выявлено снижение коэффициента трения с подачей напряжения при малых и средних нагрузках на 0,0193.

Пример 2 испытания способа. На том же трибометре TRB-S-DE проведены аналогичные триботехнические испытания при подаче постоянного электрического напряжения в моторное масло М-10Г_2К через цинковый, оловянный, стальной и угольный электроды. Как видно из графиков на фиг. 4 при испытании с цинковым электродом при нагрузке 10 H коэффициент трения в сравнении с аналогичным испытанием, но без подачи напряжения в масло, уменьшился на 0,0589.

Пример 3 испытания способа. Проведены эксплуатационные испытания двигателя ЯМЗ-236 НЕ2, установленного на автомобиле МАЗ 555102220, оснащенного устройством для электростатической обработки моторного масла. Устройство представляет собой систему катодов и анодов, электрически изолированных от деталей двигателя, в зазоре между которыми моторное масло подвергается обработке электрическим полем напряженностью 10⁵…10⁶ В/м. Обработка происходит непрерывно на протяжении всего времени работы двигателя. Согласно проведенным испытаниям, после установки устройства в систему смазки двигателя давление масла в главной масляной магистрали возросло на 17,5% и на протяжении всего срока испытания сохранялось на этом уровне (фиг. 2). Измеряли также давление сжатия (компрессию) в камерах сгорания двигателя до и после установки устройства. Результаты контроля приведены в таблице 1.

Реализация предлагаемого способа не требует изменения конструкции или режимов эксплуатации ДВС, может осуществляться как при его производства, так и в процессе эксплуатации.

Преимущества предлагаемого способа повышения эффективности использования моторного масла подачей в масло постоянного электрического напряжения таковы:

- процесс изменения фазового состояния компонентов масла при подаче напряжения в масло постоянен;

- изменение фазового состояния компонентов масла обратимо, не приводит к триботехнически отрицательной деструкции молекул масла и присадок, не снижает срока службы масел;

- независимость от вида масел, вида сопряжений ДВС, нагрузочно-скоростных режимов его работы.

Кроме того, изменение фазового состояния компонентов масла, как и прием МАДИ подачи напряжения на гильзы цилиндров дизеля ЯМЗ-236, кроме антифрикционного действия, очищая поршни и цилиндры от нагара, дополнительно способствует заметному повышению ресурса ДВС.

Способ повышения эффективности использования смазочного масла с присадками, включающий электрообработку смазочного масла при прохождении его в межэлектродном пространстве при постоянном электрическом напряжении, в котором величину постоянного электрического напряжения устанавливают в зависимости от силы тока в межэлектродном пространстве так, чтобы сила тока находилась в диапазоне 0,9÷1,0 максимального значения силы тока, фиксируемой в диапазоне, при котором электрический пробой смазочного масла не достигается.