Математическая модель зависимости динамической вязкости моторных масел от температуры, концентрации сажи и ее морфологии

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.

1. Анисимов 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-Х

2. Матвеенко В.Н., Кирсанов Е.А. Вязкость и структура дисперсных систем. Вестник Московского университета. Сер. 2. Химия. 2011;52(4):243–276.

3. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей. Инженерные методы расчета: пер. с польск. М., Л.: Химия; 1966. 535 с.

4. Келбалиев Г.И., Расулов Р.С., Тагиев Д.Б. Механика и реология нефтяных дисперсных систем. М.: Маска; 2017. 462 с.

5. Пилов П.И. Гравитационная сепарация полезных ископаемых. Днепропетровск: Национальный горный университет; 2003. 123 с.

6. Рудяк В.Я. Современное состояние исследований вязкости наножидкостей. Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. 2015;10(1):5–22.

7. Batchelor G.K. Brownian diffusion of particles with hydrodynamic interaction. J. Fluid Mechanics. 1976;74(1): 1–29. https://doi.org/10.1017/S0022112076001663

8. Школьников 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/10.18698/1812-3368-2023-2-110-125

9. Лиханов 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.25105

10. Науменко О.Ф., Юр Г.С. Результаты численного исследования процесса обдува взвешенных частиц дизельной сажи возмущенной газовой средой. Ползуновский вестник. 2006;4:128–130.

11. 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.

12. Руднев Б.И., Повалихина О.В. Наноструктуры частиц дизельной сажи. Научные труды Дальрыбвтуза. 2015;36: 86–92.

13. Шурупов С.В. Закономерности образования дисперсного углерода при изотермическом пиролизе углеводородного сырья. Газохимия. 2009;9:64–72.

14. Юрлов А.С. Физические свойства, состав и структура частиц сажи, образующихся в цилиндре дизельного двигателя. Вестник Вятского ГАТУ. 2023;4(18):253–261.

15. Гюльмисарян Т.Г., Капустин В.М., Левенберг И.П. Технический углерод: морфология, свойства, производство. М.: Изд-во «Каучук и резина»; 2017. 586 c.

16. Раздьяконова Г.И., Лихолобов В.А., Кохановская О.А. Технологии модификации технического углерода: монография. Омск: Изд-во ОмГТУ; 2017. 160 с. ISBN 978-5-8149-2437-7

17. Стебелева 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/S1992722322040252