Влияние добавок ультрадисперсного порошка оловянистой бронзы на трибологические свойства моторного масла и работу судового дизеля

На правах рукописи

Крылов Дмитрий Андреевич

Влияние добавок ультрадисперсного порошка

оловянистой бронзы на трибологические свойства моторного масла и работу судового дизеля

Специальности:	05.08.05 –	Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)
	05.02.04 –	Трение и износ в машинах

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2012

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций»

Научный руководитель –	доктор технических наук, профессор Цветков Юрий Николаевич
Официальные оппоненты:	Петров Владимир Маркович доктор технических наук, профессор кафедры «Технология машиностроения» Санкт-Петербургского института машиностроения
	Токманёв Сергей Борисович кандидат технических наук, доцент кафедры «Энергетические установки (неядерные)» Военного учебно-научного центра ВМФ «Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н. Г. Кузнецова»
Ведущая организация –	Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота (ЗАО «ЦНИИМФ»)

Защита состоится 28 мая 2012 г. в 15:00 на заседании диссертационного совета Д 223.009.04 при Санкт-Петербургском университете водных коммуникаций (СПГУВК) по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7, ауд. 235;

тел.: 8-(812)-490-93-08, факс: 8-(812)-251-01-14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций.

Автореферат разослан 26 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 223.009.04 доктор технических наук, профессор

В. Л. Ерофеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. По данным Российских Речного и Морского Регистров наибольший процент отказов по судовым энергетическим установкам приходится на главные двигатели, причём наибольшие износы и потери на трение в судовых дизелях имеют место в сопряжениях цилиндро-поршневой группы. Одним из направлений повышения работоспособности узлов трения двигателей внутреннего сгорания является использование ультрадисперсных порошков (УДП) мягких металлов – чаще медных сплавов, в частности, оловянистой бронзы – в моторных маслах. УДП вводятся в масла в составе так называемых металлоплакирующих препаратов, применение которых вызвано стремлением разработчиков этих препаратов получить режим безызносного трения, сопровождающийся эффектом металлоплакирования – образованием на поверхности тончайшей плёнки компонентов УДП. Однако режим безызносного трения может быть реализован в определённых условиях, которые в большинстве узлов трения не соблюдаются. Вопросу же о том, как будут развиваться процессы трения и изнашивания в отсутствие эффекта металлоплакирования, не уделяют должного внимания. Сведения об эффективности добавок УДП медных сплавов и положительных проявлениях (если таковые имеются) присутствия УДП в моторных маслах очень противоречивые, и таких сведений чрезвычайно мало. В некоторых фирмах-производителях металлоплакирующих препаратов собирается информация о результатах их применения в ДВС. Но эта информация, как правило, отрывочна, не отличается полнотой, и её сбор не носит систематический характер. При этом чаще всего указывается на то, что добавка УДП медного сплава в моторное масло приводит к снижению удельного эффективного расхода топлива, но остаётся неясным, за счёт чего произошло снижение расхода топлива и сопровождалось ли оно образованием на поверхности металлоплакирующей плёнки. Выяснение этих вопросов является актуальной проблемой.

Объект исследования – свойства моторных масел с добавками ультрадисперсных порошков цветных металлов.

Предмет исследования – влияние добавок ультрадисперсного порошка оловянистой бронзы в моторное масло на трибологические свойства масла и работу дизеля в условиях, когда эффект металлоплакирования не проявляется.

Цель работы – выявление положительных свойств добавок ультрадисперсного порошка оловянистой бронзы в моторное масло дизельного двигателя в условиях трения, когда эффект металлоплакирования отсутствует, и предложение по эффективному применению таких добавок.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. провести испытания моторного масла с добавками УДП бронзы и выявить влияние таких добавок на характеристики работы дизельного двигателя в условиях, когда режим металлоплакирования отсутствует;
2. провести анализ специфических факторов, которые могут препятствовать проявлению металлоплакирующего эффекта при добавках УДП оловянистой бронзы в моторное масло дизелей;
3. исследовать на машине трения влияние добавок УДП оловянистой бронзы на трибологические характеристики масла в условиях трения неблагоприятных для образования металлоплакирующей плёнки с учётом различных факторов (вязкости масла и концентрации УДП в масле);
4. провести анализ возможных причин влияния добавок бронзового УДП на рабочие процессы в дизельном двигателе.

Методы исследования. Основные результаты работы получены испытаниями на дизеле и машине трения. Обработка экспериментальных данных проводилась с применением статистических методов и методов планирования эксперимента, анализ результатов осуществлялся с использованием основных положений трибологии и теории ДВС.

Научная новизна работы заключается в следующем. Установлено, что добавки УДП оловянистой бронзы в моторное масло при работе дизеля в условиях, когда эффект металлоплакирования не реализуется, снижают удельный эффективный расход топлива. Однако повышение эффективного КПД происходит не за счёт снижения трения в дизеле, так как механический КПД остаётся практически нечувствительным к наличию бронзового УДП в масле, а за счёт увеличения индикаторного КПД. Впервые произведена оценка относительной доли потерь в дизеле, приходящейся на трение при граничной смазке и тем самым показано, что отсутствие эффекта металлоплакирования нельзя объяснить тем, что в дизеле преобладает трение при жидкостной смазке, так как на самом деле режим трения при граничной смазке является в дизеле существенно преобладающим. Выдвинута гипотеза о попадании частиц УДП оловянистой бронзы с моторным маслом в камеру сгорания дизеля и оказании каталитического действия на процесс горения топлива. Экспериментами на машине трения показано, что в отсутствие явления металлоплакирования добавки УДП оловянистой бронзы особенно эффективны в период приработки поверхностей, тогда как при трении приработанных поверхностей положительное действие таких добавок менее существенно.

Личный вклад автора. При активном участии автора сформулированы основные цели и задачи исследований и проведены эксперименты на дизеле, автором разработаны методики проведения экспериментов, проведены испытания на машине трения и выполнены анализ и обобщение результатов экспериментов на машине трения и дизельном двигателе.

Практическая ценность. Полученные результаты позволяют скорректировать рекомендации по применению добавок УДП медных сплавов после ремонта и в эксплуатации дизелей.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Научно-методической конференции «Надёжность судовых технических средств, конструкционных материалов и покрытий», посвященной 70-летию Судомеханического факультета (СПГУВК, 2008 г.), Межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Водный транспорт России: история и современность», посвященной 200-летию транспортного образования в России (Санкт-Петербург, 2009 г.), IX Международной конференции «Трибология и надёжность» (Санкт-Петербург, 2009 г.), Международной научно-практической конференции «Водный транспорт России: инновационный путь развития» (Санкт-Петербург, 2010 г.), а также ежегодно на заседаниях кафедры технологии судоремонта.

На защиту выносятся:

• зависимости характеристик работы дизельного двигателя от концентрации УДП оловянистой бронзы в моторном масле;
• результаты оценки относительных потерь на трение, приходящихся на граничный и гидродинамический режимы смазки в двигателях внутреннего сгорания, а также количестве бронзового УДП, задерживаемом масляными фильтром и центрифугой;
• зависимости коэффициента трения от вязкости масла и концентрации УДП оловянистой бронзы в нём;
• гипотеза, объясняющая влияние УДП оловянистой бронзы в моторном масле на индикаторный КПД дизеля.

Реализация работы. Рекомендации по применению добавок УДП оловянистой бронзы в моторных маслах приняты к рассмотрению в Северо-Западном филиале Российского Речного Регистра. Результаты работы также реализованы в учебном процессе при подготовке морских инженеров в СПГУВК.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 7 работ, из них 4 публикации выполнены в изданиях, включенных в перечень, рекомендованный ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 174 наименования отечественных и зарубежных источников, и двух приложений; содержит 168 страниц, включая текст, 61 рисунок, 13 таблиц и 18 страниц приложений.

Выполнение исследований в рамках представленной диссертации было продиктовано производственными потребностями научно-производственной компании ООО «ВМПАВТО» (г. Санкт-Петербург»), работа выполнялась в тесном сотрудничестве со специалистами научно-технического отдела ООО «ВМПАВТО». Автор выражает признательность директору «ВМПАВТО» В. Н. Кузьмину за оказанную поддержку в проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выполненной работы, дана характеристика объекта и предмета исследования, в конце перечислены основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе выполнен анализ состояния проблемы. Показано, что наибольшие потери на трение и число отказов по причине повышенных износов в судовых дизелях приходится на сопряжения цилиндро-поршневой группы: втулка цилиндра–поршневое кольцо и поршневое кольцо–поршень. Стремление снизить износ и трение в этих сопряжениях обусловило применение добавок УДП цветных металлов в моторных маслах. Широкое распространение указанного метода вызвано его сравнительной простотой. При этом часто считается априори, что присутствие УДП цветных металлов в моторных маслах обеспечит реализацию эффекта металлоплакирования и, как следствие, снижение трения и износа. Проанализированы работы отечественных и зарубежных учёных, в которых рассматриваются вопросы совершенствования трибологических свойств смазочных материалов различными добавками. Показано, что отсутствует ясное понимание принципа действия так называемых металлоплакирующих добавок, содержащих УДП оловянистой бронзы, в дизелях.

На основе анализа, проведённого в первой главе, сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена испытаниям моторного масла с добавками УДП оловянистой бронзы на стенде ООО «ВМПАВТО» (рис.1), созданном на базе дизеля 2Ч10,5/12 (Д120). Испытания проводили на минеральном масле Лукойл Супер Дизель SAE 15W-40 API CF-4/SG при концентрациях УДП оловянистой бронзы в нём: 0; 0,075; 0,225 и 0,30 % по массе. Диапазон концентраций выбирали на основе анализа содержания УДП в известных препаратах отечественного рынка подобной продукции. УДП бронзы был получен методом плазменной переконденсации и содержал помимо олова (около 5 %) примерно 9 % кислорода в составе различных оксидов. Требуемое количество порошка предварительно диспергировали в небольшом количестве масла И-20А с добавкой поверхностно-активных веществ, полученную суспензию добавляли в картер дизеля.

Рис. 1. Схема стенда: 1 – дизель Д120; 2 – электротормоз постоянного тока; 3 – устройство управления электротормозом; 4 – блок теплоэлектронагревателей; 5 – цилиндры; 6 – датчики давления газов; 7 – блок питания и коммутации; 8 – коллектор отработавших газов; 9 – газоанализатор; 10 – персональный компьютер; 11 – термопары; 12 – измеритель температур; 13 – бак с топливом; 14 – весы; 15 – емкость с контрольным объёмом топлива; 16 – трёхходовой кран; 17 – кран для отбора проб масла; 18 – масляный картер; 19 – топливопровод; 20 – электродвигатель переменного тока; 21 – балансирная подвеска; 22 – динамометр.

В процессе сравнительных испытаний выполнялись следующие условия:

1.) использовали одинаковые топливо и масло; 2.) поддерживали постоянной и равной 1600±10 об/мин частоту вращения коленчатого вала; 3.) поддерживали постоянной и равной 90±1 оС температуру масла в картере; 4.) поддерживались постоянной и равной 30±1 оС температура воздуха, охлаждающего цилиндры, и воздуха, подаваемого в дизель; 5.) обеспечивали равное количество холодных пусков дизеля.

Эксперименты проводили на приработанных поршневых кольцах и цилиндрах на разных долевых мощностях, значение которых устанавливались заданием крутящего момента. Система управления контролировала заданный момент, поддерживая постоянным ток в обмотке возбуждения электротормоза с точностью ± 0,5 А. Продолжительность испытаний при каждой концентрации УДП в масле составляла 35–40 ч. На каждом этапе проводили неоднократные измерения требуемых параметров в разные дни, за результат принимали среднее арифметическое.

Анализ поверхностей трения цилиндров и поршневых колец (визуальный и с применением оптического микроскопа) не выявил признаков отложения порошка на поверхностях, т. е. металлоплакирование отсутствовало.

Результаты экспериментов показали, что добавка бронзового УДП приводит к снижению удельного эффективного расхода топлива (рис.2 а): при оптимальных концентрациях УДП в моторном масле снижение может составить от 4 до 6 % (рис.2). При этом снижение температуры отработавших газов колеблется от 15 оС на 25-процентной мощности до 29 оС на нагрузке 60 %. Исключение – режим на 75-процентной нагрузке, на котором зарегистрирован намного более существенный положительный эффект (рис.2), что можно объяснить особенностями дизеля Д120 или возможной ошибкой измерений: этот результат требует дальнейшей проверки. Вместе с тем, регистрация содержания СО в газах на нагрузке 75 %, показала, что их содержание при добавке 0,225 % УДП бронзы в масло снизилось в 3 раза.

а	б

Рис.2. Изменение удельного расхода топлива (а) и температуры отработавших газов (б) с изменением концентрации бронзового порошка в моторном масле. Числа на поле рисунка – значения долевой мощности.

Погрешность определения средних арифметических значений при доверительной вероятности равной 80 % составила: для расхода топлива ±14 г/(кВтч), для температуры газов ±2 оС на нагрузке 25 % и соответственно ±2 г/(кВтч) и ±10 оС на 60-процентной нагрузке.

Отмечено, что увеличение эффективного КПД произошло лишь за счёт увеличения индикаторного КПД (рис.3, а), тогда как механический КПД практически не изменился (рис.3, б). Малая чувствительность механического КПД к содержанию УДП в масле подтверждается и результатами измерения механических потерь методом проворачивания коленчатого вала дизеля от электродвигателя (рис. 4).

а	б

Рис.3. Изменение индикаторного (а) и механического (б) КПД с изменением концентрации бронзового порошка в моторном масле. Числа на поле рисунка – значения долевой мощности

Рис.4. Зависимость мощности механических потерь, определённых методом проворачивания коленчатого вала, от температуры стенок цилиндров и концентрации УДП бронзы в моторном масле

Погрешность определения средних арифметических значений индикаторного и механического КПД не превышала ±0,01 при доверительной вероятности равной 80 %.

Следует отметить, что ранее увеличение индикаторного КПД и некоторое снижение механического КПД при добавках металлоплакирующего препарата, содержащего УДП оловянистой бронзы, в моторное масло было замечено при испытаниях дизеля 2Ч8,5/11, проведённых Ю. Г. Лавровым с сотрудниками в ВМА им. Н. Г. Кузнецова; расход топлива при этом также снижался.

Присутствие УДП бронзы в моторном масле в целом положительно влияет на износостойкость поршневых колец и цилиндров (рис. 5), за исключением верхних поршневых колец (рис. 5, а): их износ при сравнительно небольших концентрациях УДП в масле незначительно возрастает.

а	б

Рис. 5. Изменение износа (среднего по двум цилиндрам) поршневых колец, определённого взвешиванием, и износа цилиндров, определённого методом вырезанных лунок, с увеличением концентрации УДП оловянистой бронзы в моторном масле после 20 ч работы на 50-процентном долевом режиме

Эксперименты также показали, что добавки УДП бронзы не влияют на величину рс давления в конце такта сжатия: давление рс оценивали способом, защищённым патентом №2447416 на изобретение.

Третья глава посвящена анализу специфических факторов, которые могут препятствовать проявлению металлоплакирующего эффекта при работе моторного масла с добавками УДП в дизеле. В качестве таких факторов можно выделить следующие: 1.) возможное преобладание в дизеле трения при гидродинамической смазке над трением граничным; 2.) задержка основной массы частиц УДП в масляном фильтре; 3.) сепарация частиц бронзового УДП при прохождении масла через масляные центрифуги в случае оснащения дизелей таковыми.

Очевидно, что для проявления эффекта металлоплакирования необходим режим трения при граничной смазке. В случае, если в дизеле преобладает режим трения при гидродинамической смазке, то осаждение из моторного масла частиц бронзового порошка в виде плакирующей плёнки на поверхностях трения маловероятно. Эксперименты на дизеле на маслах разной вязкости методом проворачивания коленчатого вала с помощью электродвигателя (без подачи топлива) и методом сопоставления индикаторной и эффективной мощности показали, что в обоих случаях существует линейная зависимость мощности механических потерь Nмех в дизеле от вязкости моторного масла:

, (1)

где A и B – постоянные, при этом постоянная А характеризует потери мощности Nгр в режиме граничной смазки (А Nгр), а слагаемое B – потери Nжд, приходящиеся на жидкостный режим. Экстраполяцией зависимости (1) до значения вязкости масла, равного нулю, может быть произведена оценка потерь на трение, приходящихся на граничный режим смазки. Оказалось, что при среднем значении вязкости моторного масла = 10 мм2/с значение A, а значит и Nгр, как основной составляющей слагаемого A, в несколько раз превышает значение Nжд, т. е. граничный режим смазки является преобладающим. Таким образом, предположение, что причиной того, что добавки металлоплакирующих препаратов, содержащих бронзовый УДП, не снижают трение в дизеле, является преобладание жидкостного режима трения над граничным, не подтверждается. То, что в уравнении (1) постоянная А представляет собой главным образом потери на трение при граничной смазке, можно показать, анализируя прочность граничной плёнки с использованием термофлуктуационной теории прочности. Определив значения Nгр по зависимостям Nгр(), полученным для разных температур стенок цилиндров (рис.6, а), построили зависимость lgNгр от обратной величины абсолютной температуры стенки цилиндров (рис. 6, б).

Как видно из рис. 6 (б), график lgNгр(1/Тцил) – прямая линия, которую в аналитическом виде можно представить в виде уравнения С. Н. Журкова:

, (2)

где N0 – постоянная, определяемая периодом тепловых колебаний атомов, U0 – начальное значение энергии активации процесса сдвига граничного слоя, – структурно-чувствительная константа, R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура, – внешние нормальные напряжения, U() – энергия активации процесса сдвига граничной плёнки.

а	б

Рис. 6. Зависимости механических потерь в дизеле Д120 от вязкости масла при температуре масла в картере 85±1 оС (а) и мощности механических потерь при граничной смазке от обратной температуры стенки цилиндров (б)

Значение энергии активации U() в (2) определили по наклону линии к оси абсцисс, оказалось, что U() 7 кДж/моль. Так как на граничную плёнку при трении действуют сжимающие напряжения, то значение U0 несколько меньше 7 кДж/моль, т. е. оно близко к начальному значению энергии активации разрыва (примерно 4–8 кДж/моль) связей между метильными группами, обусловленных дисперсионными силами Ван-дер-Ваальса, т. е. постоянная A в формуле (1) действительно характеризует потери мощности Nгр в режиме граничной смазки.

Анализ размеров частиц бронзового УДП с помощью сканирующего электронного микроскопа показал, что хотя форма частиц бронзы – сферическая, а их средний размер составляет десятые доли микрометра, из-за слипания частицы образуют конгломераты неправильной формы (рис. 7, а). С помощью оптического микроскопа, оснащенного системой обработки видеоизображений, установлено, что размеры существенной доли конгломератов составляют несколько микрометров (рис. 7, б), что может препятствовать их свободному прохождению через масляный фильтр. Однако испытания полусинтетического масла SAE 10W-40 API SL/CF, содержащего бронзовый УДП, в дизеле 2Ч10,5/12 позволили определить, что бумажный фильтрующий элемент масляного фильтра задерживает лишь около 25 % частиц бронзового порошка, что явно недостаточно для блокировки его металлоплакирующегого действия, если бы условия для проявления такового имелись.

а	б

Рис. 7. Частицы бронзы, полученные методом плазменной переконденсации (а), и распределение их конгломератов по размерам (б)

Воздействие на частицы бронзового УДП центробежных сил при прохождении масла через масляную центрифугу моделировали вращением пробирок, заполненных маслом с УДП, в лабораторной центрифуге (рис. 8). Частоту вращения n и продолжительность вращения варьировали соответственно от 500 до 4400 об/мин и от 30 до 90 с. Брали пробирки объёмом 15 мл и заполняли маслом МВП, имеющим при 20 оС такую же вязкость, что и моторное масло при 70–80 оС. Добавляли в пробирку 6 % по массе порошка бронзы. Диспергировали на ультразвуковом диспергаторе, затем центрифугировали.

Рис. 8. Схема испытаний на центрифуге

Так как центры тяжести объёмов 1 и 2 (рис. 8) находились на разном расстоянии от центра вращения O (R1 R2), то на них действовали неодинаковые центробежные силы. Поэтому после центрифугирования объёмы 1 и 2 сливали в отдельные ёмкости и сдавали на анализ методом атомно-эмиссионной спектроскопии. Объём 3 использовался в качестве накопителя частиц, перемещающихся из объёмов 1 и 2 под действием центробежных сил, и его из анализа исключали. Обработка экспериментальных данных методом наименьших квадратов позволила построить следующую модель зависимости концентрации C (% масс.) бронзового порошка от линейной скорости (м/с) вращения и продолжительности t (с) центрифугирования:

. (3)

Экстраполяцией зависимости (3) до значений t = 20 c и = 7 м/с, характерных для судовых центрифуг, определили, что после прохождения через центрифугу концентрация бронзы в масле составит примерно 3,6 %, т.е. 60 % от исходной концентрации, что достаточно для проявления положительного действия порошка, если таковое имеется.

В четвертой главе изложены результаты исследований на машине трения СМЦ-2 того, оказывает ли УДП бронзы в смазочном масле положительное влияние на характеристики трения в условиях, когда металлоплакирование отсутствует, и, если оказывает, то какое, и как оно зависит от условий трения. Испытания проводили по схеме вращающийся ролик–неподвижная пластинка. Конструкция машины трения была модернизирована для повышения надежности установки испытываемого образца с возможностью саморегулирования его положения в держателе (патент №102803 на полезную модель). Изменение схемы испытаний позволило уменьшить время приработки и обеспечить постоянство коэффициента взаимного перекрытия трущихся образцов. Ролики изготавливались из серого чугуна СЧ30 и имели диаметр 50 мм и ширину 12 мм, а пластинки толщиной 2 мм и шириной 10 мм – из высокоуглеродистой стали 65Г. Частота вращения ролика составляла 300 об/мин. Исходная шероховатость роликов Rа = 0,11…0,35 мкм. В ходе испытаний фиксировали температуру зоны трения и нагрузку в контакте. Контроль температуры осуществляли с помощью термопары, которая вставлялась в пластинку на расстояние 1,0 мм от рабочей поверхности в отверстие диаметром 0,5 мм. Смазывание осуществлялось погружением части вращающегося ролика в ванночку, заполненную маслом И-40А.

Опыты проводились с использованием теории планирования эксперимента. В масло добавлялся УДП оловянистой бронзы в количестве: 0; 1 и 2 % по массе. УДП был получен с применением пароструйной технологии и содержал 0,84 % Sn; 1,46 % Zn и 2,51 % O. Вязкость масла И-40А варьировалась на трёх уровнях 20,3; 36,6 и 52,9 мПас, что обеспечивалось поддержанием с помощью трубчатого электронагревателя температуры масла в ванночке равной значениям: 65,0; 50,8 и 41,6 °C соответственно.

Во все смазочные композиции в качестве поверхностно-активного вещества добавляли 0,25 % олеиновой кислоты. После добавки УДП и олеиновой кислоты в объём масла, предназначенный для испытаний, полученную суспензию подвергали обработке на ультразвуковом диспергаторе в течение 1 мин для разбиения крупных конгломератов частиц УДП и равномерного распределения их по объёму масла. После ультразвуковой обработки средний размер конгломератов частиц порошка оловянистой бронзы составлял 1,0–1,5 мкм. В результате экспериментов определяли силу трения.

Перед основной серией опытов была проведена оценка количества бронзы, которое откладывается на поверхностях трения (таблица). Трение осуществлялось при усилии, прижимающем пластинку к ролику, равном 560 Н. Температура масла в процессе испытаний поддерживалась постоянной и равной 65 оС. Продолжительность трения – 1 ч. Результаты микрорентгеноспектрального анализа показали (таблица), что медь (как основной компонент бронзы) при концентрациях УДП в масле до 10 % обнаруживается лишь на площади, не превышающей доли процента от площади поверхности трения, т. е. условия

Зависимость количества меди на поверхности трения пластинки от концентрации УДП в масле И-40А
Концентрация УДП бронзы в масле, мас.%	Количество меди на поверхности, % по площади
0	0
0,3	0,02
1	0,19
15	1,26
32,5	6,37
50	20,03

для металлоплакирования отсутствовали, и лишь при увеличении концентрации УДП в масле более 15 % процесс закрепления бронзы на поверхности существенно интенсифицируется, похоже, за счёт механического намазывания частиц бронз на поверхность.

Как видно из рис. 9, добавка УДП бронзы привела к существенному снижению максимальной силы трения, достигаемой в процессе приработки, при этом период приработки сократился. Таким образом, УДП оловянистой бронзы можно эффективно использовать при обкатке дизелей.

Частицы бронзового УДП в смазочном масле подобны частицам износа, образующимся при трении, однако пластичные частицы бронзы действуют по-другому: они легко деформируются на фактических пятнах контакта, снижая фактическое давление. Похожие результаты получены ранее проф. А. В. Колубаевым с сотрудниками при добавке в масло УДП меди; причём применение медного УДП оказалось эффективным при нагрузках, обеспечивающих пластическую деформацию частиц меди, при малых же нагрузках добавка медного УДП не улучшила антифрикционные свойства масла при приработке.

Рис. 9. Влияние концентрации УДП оловянистой бронзы, добавленного в масло И-40А, на изменение силы трения в процессе приработки при нагрузке 520 Н (на поле рисунков указана температура смазочной композиции)

После приработки образцов, варьируя нагрузку от 520 Н до 30 Н, строили диаграммы Герси-Штрибека (рис. 10), что позволяло судить о режимах смазки (граничная или гидродинамическая). Оценка коэффициента трения производилась осреднением его значения в пределах зоны граничного режима смазки (рис. 10), условно ограниченной значениями Z и Z (рис. 10):

где S – площадь под кривой fтр=, ограниченная областью граничной смазки, Z – обратное значение погонной нагрузки Р; Z1 и Z2 – предельные значения параметра Z, ограничивающие зону граничной смазки по оси абсцисс.

Обработка экспериментальных данных позволила построить следующую модель зависимости коэффициента трения приработанных поверхностей от концентрации УДП в масле и вязкости масла:

, (4)

где fтр – коэффициент трения, С – концентрация УДП бронзы (% масс.), – динамическая вязкость масла (мПас).

Рис. 10. Пример кривой Герси-Штрибека, построенной по результатам опытов: А – условная зона граничной смазки; Б – условная зона гидродинамической смазки

Анализ полученной модели показывает, что наименьшее значение коэффициента трения достигается при добавлении в масло около 1,0 % УДП (рис. 11, а), однако снижение трения при этом не такое существенное, как при приработке (см. рис.9) и составляет лишь 5–7 %.

а	б

Рис. 11. Влияние температуры масла И-40А с добавлением УДП оловянистой бронзы на антифрикционные свойства масла: а – зависимость коэффициента трения от концентрации УДП в масле при 65 (1); 50,8 (2) и 41,6 °С (3); б – зависимость относительной величины коэффициента трения от температуры масла с добавкой 1 % УДП бронзы

На рис.11 (б) показана зависимость относительной величины коэффициента трения (в % от коэффициента трения, получаемого при работе на масле без добавок УДП бронзы) при 1,0 % УДП, т. е. концентрации, соответствующей минимальному значению трения на рис. 11 (а). Если сделать незначительную экстраполяцию зависимости (4) в область температур, более низких, чем использовались в опытах, то будет видно, что коэффициент трения становится особенно чувствительным к температуре масла (а значит, и его вязкости) при температурах ниже 40 оС, т. е. при вязкости масла более 52,9 мПас.

Слабая зависимость коэффициента трения от концентрации бронзового УДП (рис.11, а) обусловлена чрезвычайно малым зазором между поверхностями приработанной пары трения, что препятствует проникновению частиц порошка в зону трения.

Взвешивание образцов-пластинок на аналитических весах с точностью 0,15 мг до и после испытаний показало, что концентрации УДП в масле равной 1 % соответствует минимум износа, который при указанной концентрации становится пренебрежимо малым по сравнению с износом, получаемым при трении в масле без добавки УДП. Таким образом, присутствие УДП оловянистой бронзы в моторном масле даже в концентрациях значительно меньших 1 % может существенно снизить износ узлов трения, работающих в режиме гидродинамической смазки, в моменты пуска и остановки дизеля.

В пятой главе проведён анализ возможного механизма влияния добавок УДП на индикаторный КПД дизеля. Из теории ДВС известно, что значение индикаторного КПД определяется множеством факторов. Добавка десятых долей процента бронзового УДП в масло, вероятно, вызывает повышение индикаторного КПД вследствие увеличения полноты сгорания топлива. Известно, что медь является катализатором горения. Попадая в камеру сгорания дизеля с маслом, частицы бронзы могут оказывать каталитическое действие.

В ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» в лаборатории госэталонов и научных исследований в области калориметрии сжигания и высокочистых веществ были проведены сравнительные испытания двух топлив:1) дизельного летнего и 2) дизельного летнего с добавкой 0,01 % УДП оловянистой бронзы. Испытания проводили в калориметрической установке на базе бомбового калориметра сгорания «ТАНТАЛ» модели ТА-5. Определение высшей теплоты сгорания топлива проводилось согласно ГОСТ 21261-91. Сжигали по две пробы каждого топлива. Для исходного топлива получили следующие значения удельной энергии сгорания: 46119 и 46119 кДж/кг, а для топлива с добавкой 0,01 % бронзового УДП – 46127 и 46134 кДж/кг. И хотя, как видно, зарегистрирован устойчивый прирост энергии сгорания при добавке УДП, этот прирост ничтожно мал, что объясняется различиями в способах инициирования горения и состоянии топлива, в котором присутствуют частицы бронзы, перед началом горения в реальном дизеле и бомбовом калориметре. Полученные результаты косвенно указывают на то, что частицы бронзы вносятся в камеру сгорания дизеля с маслом и находятся во взвешенном состоянии в парах углеводородов, и воспламенение в конце такта сжатия начинается на поверхности частиц. В бомбе же происходит воспламенение навески топлива от хлопчатобумажной нити, и частицы бронзы, находясь в объёме топлива, практически не участвуют в его воспламенении и горении.

В диссертации были обработаны индикаторные диаграммы, полученные при испытании масла с добавками бронзового УДП в дизеле 2Ч10,5/12. В результате определили: 1.) угол опережения воспламенения с по точке отрыва линии горения от линии давления; 2.) максимальное давление сгорания pz по точке максимума на индикаторной диаграмме и др. характеристики.

Как видно из рис.12 (а), при добавлении бронзового УДП прослеживается тенденция к увеличению угла опережения воспламенения (за исключением режима на долевой мощности 75 %). По всей видимости, частицы бронзы снижают энергию активации реакций окисления, происходящих в камере сгорания дизеля. На 75-процентной нагрузке получилось наибольшее снижение удельного расхода топлива (см. рис. 2), а снижение подачи топлива в камеру сгорания приводит, наоборот, к задержке воспламенения, и, похоже, влияние этого фактора более существенно, чем каталитическое действие бронзового порошка.

К сожалению, из-за больших погрешностей в определении перечисленных параметров подтвердить высказанную гипотезу о попадании частиц бронзового УДП с маслом в камеру сгорания и их каталитического действия на процесс горения топлива не удалось: этот вопрос требует дальнейшего изучения.

а	б

Рис.12. Зависимости угла опережения воспламенения (а) и максимального давления сгорания (б) от концентрации УДП оловянистой бронзы в моторном масле. Числа на поле рисунка – значения долевых мощностей

В конце пятой главы даны рекомендации по применению добавок УДП оловянистой бронзы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Добавка УДП оловянистой бронзы в моторное масло дизеля в условиях работы, когда эффект металлоплакирования не проявляется, приводит к снижению удельного расхода топлива (на некоторых режимах на 4–6 %), что вызвано увеличением индикаторного КПД дизеля, тогда как механический КПД остаётся практически нечувствительным к присутствию УДП в масле.
2. Отсутствие эффекта металлоплакирования при наличии УДП оловянистой бронзы в моторном масле не может быть объяснено тем, что в дизеле основные потери на трение приходятся на жидкостный режим смазки, так как, наоборот, потери на трение в ДВС, приходящиеся на граничный режим смазки, в несколько раз превышают потери на трение при жидкостном режиме смазки.
3. Масляные фильтр и центрифуга задерживают лишь меньшую часть (от 25 до 40 %) частиц бронзового порошка с размером конгломератов частиц около 1 мкм, что недостаточно для блокировки металлоплакирующего действия, если бы имелись условия для реализации такового.
4. Применение УДП оловянистой бронзы в качестве добавки к маслам приводит к уменьшению силы трения в процессе приработки и продолжительности последней, что делает целесообразным применение таких добавок при обкатке дизелей.
5. Добавка 1 % УДП оловянистой бронзы в масло, смазывающее приработанные поверхности, приводит к снижению трения на 5–7 %.
6. Износ образцов при добавке 1 % УДП оловянистой бронзы в масло становится пренебрежимо малым по сравнению с износом в масле без добавки, поэтому присутствие УДП бронзы в моторном масле даже в концентрациях значительно меньших 1 % может существенно снизить износ узлов трения, работающих в режиме гидродинамической смазки, в моменты пуска и остановки дизеля.
7. Предложена гипотеза, что повышение индикаторного КПД дизеля при добавке в его моторное масло УДП оловянистой бронзы вызвано попаданием частиц бронзы с маслом в камеру сгорания и оказанием ими каталитического действия на процесс сгорания топлива.

Публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях, входящих в список ВАК РФ:

1. Цветков Ю. Н., Крылов Д. А., Татулян А. А. Соотношение потерь на трение, приходящихся на граничный и гидродинамический режимы смазки в двигателях внутреннего сгорания // Двигателестроение. – 2010. – №1. – С. 13–19.
2. Цветков Ю. Н., Татулян А. А., Кузьмин В. Н., Крылов Д. А. Дизельный стенд для испытания смазочных материалов// Журнал университета водных коммуникаций. – СПб.: СПГУВК. 2011. – Вып. 3 (11). – С. 57–66.
3. Крылов Д. А., Цветков Ю. Н., Татулян А. А., Машина трения с приводом вращения. Патент на полезную модель №102803. Опубликовано 10.03.2011.
4. Цветков Ю. Н., Крылов Д. А. Способ оценки давления в конце такта сжатия. Патент на изобретение № 2447416. Опубликовано: 10.04.2012 Бюл.№10.

Публикации в других изданиях:

1. Крылов Д. А. Совершенствование трибологических свойств моторных масел для судовых дизелей добавками металлосодержащих препаратов. Материалы межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Водный транспорт России: история и современность», посвященной 200-летию транспортного образования в России. (13–14 мая 2009 г.). Книга III. Транспортная безопасность. Судостроение и судоремонт. Судовождение, навигация и связь на водном транспорте. – СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009. – С.30–32.
2. Цветков Ю. Н., Татулян А. А., Крылов Д. А. Соотношение потерь на трение, приходящихся на различные режимы смазки в двигателях внутреннего сгорания – Сборник научных трудов IX Международной конференции «Трибология и надёжность» (8–10 октября 2009 г.). Санкт-Петербург. – СПб.: Петербургский государственный университет путей сообщения, 2009. – С. 117–119.
3. Крылов Д. А., Цветков Ю. Н. Эффективность применения препаратов, содержащих высокодисперсный порошок бронзы, в качестве добавок в моторные масла дизелей – Материалы международной научно-практической конференции «Водный транспорт России: инновационный путь развития». 6–7 октября 2010 г. Том 2. – СПб.: СПГУВК, 2011. – С. 296–303.