chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2024-19-6-485-496JTDOHNchemicallytech-2191Research ArticleCHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF ORGANIC SUBSTANCESХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВA mathematical model of the dynamic viscosity dependence of motor oils on temperature, soot concentration, and its morphologyМатематическая модель зависимости динамической вязкости моторных масел от температуры, концентрации сажи и ее морфологииhttps://orcid.org/0000-0002-1686-8125ЛесинА. В.LesinA. V.

Лесин Анатолий Викторович, научный сотрудник

119991, Москва, Ленинский пр., д. 29

Anatoly V. Lesin, Researcher

29, Leninskii pr., Moscow, 119991

lesinav@ips.ac.ruhttps://orcid.org/0009-0004-7139-7524ИсаевА. В.IsaevA. V.

Исаев Александр Васильевич, д.т.н., ведущий научный сотрудник

119991, Москва, Ленинский пр., д. 29

Alexander V. Isaev, Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher

29, Leninskii pr., Moscow, 119991

a_isaev@ips.ac.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1141-0120ТонконоговБ. П.TonkonogovB. P.

Тонконогов Борис Петрович, д.х.н., профессор, заведующий кафедрой химии и технологии смазочных материалов и химмотологии

119991, Москва, Ленинский пр., д. 65, корп. 1

Scopus Author ID 6506284001, Researcher ID B-7698-2018

Boris P. Tonkonogov, Dr. Sci. (Chem.), Professor, Head of the Department of Chemistry and Technology of Lubricants and Chemmotology

65/1, Leninskii pr., Moscow, 119991

Scopus Author ID 6506284001, ResearcherID B-7698-2018

bpt734@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6939-8713ДунаевС. В.DunaevS. V.

Дунаев Сергей Васильевич, к.воен.н., ведущий научный сотрудник

119991, Москва, Ленинский пр., д. 29

Sergey V. Dunaev, Cand. Sci. (Mil.), Leading Researcher

29, Leninskii pr., Moscow, 119991

dunaevsv@ips.ac.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1756-282XКуликовА. Б.KulikovA. B.

Куликов Альберт Борисович, к.х.н., заместитель директора

Scopus Author ID 7103153889, ResearcherID A-8738-2014

119991, Москва, Ленинский пр., д. 29

Albert B. Kulikov, Cand. Sci. (Chem.), Deputy Director

Scopus Author ID 7103153889, ResearcherID A-8738-2014

29, Leninskii pr., Moscow, 119991

akulikov@ips.ac.ruИнститут нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева, Российская академия наукРоссияA.V. Topchiev Institute of Petrochemical Synthesis, Russian Academy of SciencesRussian FederationРоссийский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) им. И.М. ГубкинаРоссияGubkin UniversityRussian Federation202418012025196485496Copyright © Lesin A.V., Isaev A.V., Tonkonogov B.P., Dunaev S.V., Kulikov A.B., 20252025Лесин А.В., Исаев А.В., Тонконогов Б.П., Дунаев С.В., Куликов А.Б.Lesin A.V., Isaev A.V., Tonkonogov B.P., Dunaev S.V., Kulikov A.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/2191

Objectives. A quick cold start of emergency and auxiliary power units based on diesel engines should be possible at any time without problems and in the shortest possible time. The condition of the engine oil is one of the most important factors influencing the smooth start-up of power plants. During diesel engine operation, engine oil accumulates soot in its composition, negatively affecting its rheological properties. The aim of this research is to develop a mathematical model to describe changes in the dynamic viscosity of motor oils as a function of temperature. This model will account for the concentration of soot and its morphology, based on the results of experimental studies.Methods. Standardly used motor oils for diesel engines M-14D2SE and M-5z/14D2SE were used as oil samples in the preparation of model mixtures. The dispersed phase of the suspensions comprised carbon black of the N110, N220, N330, and N220 grades, characterized by a dusty (nongranular) texture. The rheological properties of the samples were determined using a TA Instruments DHR-2 rotational rheometer. The experimental data was subjected to mathematical statistical processing, in order to obtain approximating dependencies.Results. The paper presents an analysis of the various approaches to the description of the rheology of suspensions and the results of experimental studies of the viscosity-temperature characteristics (VTCs) of model samples of oils containing soot. The extant models of the dependence of the dynamic viscosity of suspensions on temperature, volume concentration of the dispersed phase, particle size and shape are demonstrated to be inadequate for the description of the VTCs of motor oils containing soot. A model of the rheological properties of soot-oil suspensions is proposed in the form of a mathematical dependence of their dynamic viscosity on temperature, mass concentration of soot, material density and size of soot particles, characteristics of the shape and structure of primary aggregates and the ratio of the sizes of aggregates and molecules of the dispersion medium.Conclusions. It was demonstrated that a comprehensive description of the VTCs of engine oils containing soot necessitates the consideration of the structural characteristics of the primary aggregates of soot particles. A mathematical model of the VTCs of oils was developed. This model is based on the dependence of the dynamic viscosity of oils on temperature, mass concentration of soot, density of the particle material, degree of non-sphericity of aggregates, the ratio of the particle sizes of the dispersed phase (either aggregates orsingle particles of non-aggregated soot) and oil molecules, and on the structure ofsoot, characterized by adsorption of dibutyl phthalate.

Цели. Быстрый холодный пуск аварийных и вспомогательных энергетических установок на базе дизельных двигателей в любое время должен осуществляться без особых проблем и в кратчайшие сроки. Одним из основных факторов, влияющих на безаварийный пуск энергетических установок, является состояние моторного масла. В процессе работы дизельного двигателя моторное масло накапливает в своем составе сажу, что негативно влияет на его реологические свойства. Цель работы — разработка математической модели изменения динамической вязкости моторных масел в зависимости от температуры с учетом концентрации сажи и ее морфологии на основе результатов экспериментальных исследований.Методы. В качестве образцов масел для приготовления модельных смесей использовались штатно применяемые моторные масла для дизельных двигателей М-14Д2СЕ и М-5з/14Д2СЕ. В качестве дисперсной фазы суспензий использовался технический углерод марок N110, N220, N330 и N220 пылящий (негранулированный). Реологические свойства образцов определялись на ротационном реометре TA Instruments DHR-2. Полученные экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики с получением аппроксимирующих зависимостей.Результаты. В работе представлены анализ различных подходов к описанию реологии суспензий и результаты экспериментальных исследований вязкостно-температурных характеристик (ВТХ) модельных образцов масел, содержащих сажу. Показано, что существующие модели зависимости динамической вязкости суспензий от температуры, объемной концентрации дисперсной фазы, размеров и формы ее частиц не позволяют адекватно описать ВТХ моторных масел, содержащих сажу. Предложена модель реологических свойств саже-масляных суспензий в виде математической зависимости их динамической вязкости от температуры, массовой концентрации сажи, плотности материала и размеров сажевых частиц, от характеристик формы и структуры первичных агрегатов, а также от соотношения размеров агрегатов и молекул дисперсионной среды.Выводы. Показано, что для адекватного описания ВТХ моторных масел, содержащих сажу, необходимо учитывать характеристики структуры первичных агрегатов сажевых частиц. Разработана математическая модель ВТХ масел в виде зависимости их динамической вязкости от температуры, массовой концентрации сажи, плотности материала частиц, степени несферичности агрегатов, соотношения размеров частиц дисперсной фазы (агрегатов или одиночных частиц неагрегированной сажи) и молекул масла, а также структурности сажи, характеризуемой стандартным показателем — адсорбцией дибутилфталата.

математическая модельдинамическая вязкостьмоторное маслосажаструктура агрегатовреологические свойстваmathematical modeldynamic viscosityengine oilsootstructure of aggregatesrheological propertiesReferencesАнисимов И.Г. и др. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение: справочник; под ред. В.М. Школьникова. М.: Издательский центр «Техинформ»; 1999. 596 с. ISBN 5-89551-006-ХAnisimov I.G., et al. Topliva, smazochnye materialy, tekhnicheskie zhidkosti. Assortiment i primenenie (Fuels, Lubricants, Technical Fluids. Assortment and Application). Shkolnikov V.M. (Ed.). Moscow: Tekhinform; 1999. 596 p. (in Russ.). ISBN 5-89551-006-XМатвеенко В.Н., Кирсанов Е.А. Вязкость и структура дисперсных систем. Вестник Московского университета. Сер. 2. Химия. 2011;52(4):243–276.Matveenko V.N., Kirsanov E.A. The viscosity and structure of dispersed systems. Moscow Univ. Chem. Bull. 2011;66(4): 199–228. https://doi.org/10.3103/S0027131411040079 [Original Russian Text: Matveenko V.N., Kirsanov E.A. The viscosity and structure of dispersed systems. Vestnik Moskovskogo Universiteta. Khimiya. 2011;52(4):243–246 (in Russ.).]Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчета: пер. с польск. М., Л.: Химия; 1966. 535 с.Bretshnaider S. Svoistva gazov i zhidkostei. Inzhenernye metody rascheta (Properties of Gases and Liquids. Engineering Calculation Methods). Transl. from Polish. Moscow, Leningrad: Khimiya; 1966. 535 p. (in Russ.). [Bretsznajder S. Wlasności Gazów i Cieczy. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne; 1962. 739 p.]Келбалиев Г.И., Расулов Р.С., Тагиев Д.Б. Механика и реология нефтяных дисперсных систем. М.: Маска; 2017. 462 с.Kelbaliev G.I., Rasulov R.S., Tagiev D.B. Mekhanika i reologiya neftyanykh dispersnykh system (Mechanics and Rheology of Petroleum Dispersed Systems). Moscow: Maska; 2017. 462 p. (in Russ.).Пилов П.И. Гравитационная сепарация полезных ископаемых. Днепропетровск: Национальный горный университет; 2003. 123 с.PilovP.I. Gravitatsionnaya separatsiya poleznykh iskopaemykh (Gravity Separation of Minerals). Dnepropetrovsk; 2003. 123 p. (in Russ.).Рудяк В.Я. Современное состояние исследований вязкости наножидкостей. Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. 2015;10(1):5–22.Rudyak V.Ya. Morden status of researches on nanofluids viscosity. Vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Fizika = Vestnik NSU. Series: Physics. 2015;10(1):5–22 (in Russ.).Batchelor G.K. Brownian diffusion of particles with hydrodynamic interaction. J. Fluid Mechanics. 1976;74(1): 1–29. https://doi.org/10.1017/S0022112076001663Batchelor G.K. Brownian diffusion of particles with hydrodynamic interaction. J. Fluid Mechanics. 1976;74(1): 1–29. https://doi.org/10.1017/S0022112076001663Школьников Е.И., Григоренко А.В., Липатова И.А., Кумар В., Власкин М.С. Влияние примеси метана при разложении ацетилена на размер и морфологию частиц образующейся сажи. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2023;2(107):110–125. https://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-2-110-125Shkolnikov E.I., Grigorenko A.V., Lipatova I.A., Kumar V., Vlaskin M.S. Methane Impurity Effect in the Acetylene Decomposition on Size and Morphology of the Appearing Soot Particles. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. Estestvennye nauki = Herald of the Bauman Moscow State Technical University. Series Natural Sciences. 2023;2(107): 110–125 (in Russ.). http://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-2-110-125Лиханов В.А., Лопатин О.П., Козлов А.Н. Моделирование сажеобразования в цилиндре дизеля. Научно-технические ведомости CПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2019;25(1):47–59. https://doi.org/10.18721/JEST.25105Likhanov V.A., Lopatin O.P., Kozlov A.N. Modeling soot formation in cylinder of diesel engine. Nauchno-tekhnicheskie vedomosti SPbPU. Estestvennye i inzhenernye nauki = St. Petersburg Polytechnic University Journal of Engineering Science and Technology. 2019;25(1):47–59 (in Russ.). https://doi.org/10.18721/JEST.25105Науменко О.Ф., Юр Г.С. Результаты численного исследования процесса обдува взвешенных частиц дизельной сажи возмущенной газовой средой. Ползуновский вестник. 2006;4:128–130.Naumenko O.F., Yur G.S., Results of a numerical study of the process of blowing suspended particles of diesel soot in a disturbed gas environment. Polzunovskiy Vestnik. 2006;4: 128–130 (in Russ.).Руднев Б.И., Повалихина О.В. Оптические параметры частиц сажи и характеристики радиационного теплообмена в камере сгорания дизеля. Вестник Тихоокеанского государственного университета (Вестник ТОГУ). 2014;2(33):133–140.Rudnev B.I., Povalikhina O.V. Optical Parameters of Soot Particles and Parameters of Radiative Heat Exchange in Diesel Engine Combustion Chamber. Vestnik TOGU = Bulletin of PNU. 2014;2(33):133–140 (in Russ.).Руднев Б.И., Повалихина О.В. Наноструктуры частиц дизельной сажи. Научные труды Дальрыбвтуза. 2015;36: 86–92.Rudnev B.I., Povalikhina O.V. Diesel soot of nanostructure particles. Nauchnye trudy Dal’rybvtuza = Scientific Journal of DALRYBVTUZ. 2015;36:86–92 (in Russ.).Шурупов С.В. Закономерности образования дисперсного углерода при изотермическом пиролизе углеводородного сырья. Газохимия. 2009;9:64–72.Shurupov S.V. Regularities of formation of dispersed carbon during isothermal pyrolysis of hydrocarbon raw materials. Gazokhimiya. 2009;9:64–72 (in Russ.).Юрлов А.С. Физические свойства, состав и структура частиц сажи, образующихся в цилиндре дизельного двигателя. Вестник Вятского ГАТУ. 2023;4(18):253–261.Yurlov A.S. Physical properties, composition and structure of soot particles formed in the diesel engine cylinder. Vestnik Vyatskogo GATU = Bulletin of Vyatka State Agrarian University. 2023;4(18):253–261 (in Russ.).Гюльмисарян Т.Г., Капустин В.М., Левенберг И.П. Технический углерод: морфология, свойства, производство. М.: Изд-во «Каучук и резина»; 2017. 586 c.Gyulmisaryan T.G., Kapustin V.M., Levenberg I.P. Tekhnicheskii uglerod: morfologiya, svoistva, proizvodstvo (Carbon Black: Morphology, Properties, Production). Moscow: Kauchuk i rezina; 2017. 586 p. (in Russ.).Раздьяконова Г.И., Лихолобов В.А., Кохановская О.А. Технологии модификации технического углерода: монография. Омск: Изд-во ОмГТУ; 2017. 160 с. ISBN 978-5-8149-2437-7Razdiakonova G.I., Likholobov V.A., Kohanovskaya O.A. Tekhnologii modifikatsii tekhnicheskogo ugleroda (Carbon Black Modification Technologies): monograph. Omsk: OmSTU; 2017. 160 p. (in Russ.). ISBN 978-5-8149-2437-7Стебелева О.П., Кашкина Л.В., Вшивкова О.А. Структура и морфология сажевых частиц, образующихся при испарении водных суспензий. Российские нанотехнологии. 2022;17(4):465–471. https://doi.org/10.56304/S1992722322040252Stebeleva O.P., Kashkina L.V., Vshivkova O.A. Structure and morphology of carbon-black particles formed during the evaporation of aqueous suspensions. Nanotechnol. Russia. 2022;17(4):489–494. https://doi.org/10.1134/s2635167622040255 [Original Russian Text: Stebeleva O.P., Kashkina L.V., Vshivkova O.A. Structure and morphology of carbonblack particles formed during the evaporation of aqueous suspensions. Rossiiskie nanotekhnologii. 2022;17(4):465–471 (in Russ.). https://doi.org/10.56304/S1992722322040252 ]

The authors declare that there are no conflicts of interest present.