Содержание к диссертации
Введение
1. Пути повышения эффективности масло-использования в судовых дизелях 14
1.1. Химмотологические методы повышения технико-эксплуатационных показателей судовых форсированных дизелей средней и повышенной частоты вращения 14
1.2. Анализ эффективности маслоиспользования в судовых тронковых дизелях 25
1.3. Современные методы расчета старения и очистки моторного масла в ДВС 39
1.4. Выводы и постановка задач исследования 47
2. Совершенствование теоретических методов оценки старения и эффективности очистьси ммв дизелях 54
2.1. Уточнение на основе стохастического подхода ячеистой модели фильтрования 56
2.2. Реализация волоконно-решетчатой модели фильтрования при оценке эффективности очистки ФМ с нерегулярной поровой структурой 77
2.3. Решение стохастических задач центрифугирования ММ с использованием теории марковских процессов 84
2.4. Теоретическое исследование старения и комбинированной очистки ММ в судовых тронковых дизелях 96
2.5. Выводы 111
3. Рациональное использование унифицированных моторных масел в судовых комплексах "дизель-топливо-масло" 116
3.1. Применение моторных масел с эффективными присадками — основа надежной ресурсосохраняющей эксплуатации дизелей 117
3.2. Оценка старения унифицированных моторных масел при их использовании в судовых тронковых дизелях 137
3.3. Исследование комплекса "дизель-топливо-масло" при эксплуатации СОД на судах 151
3.4. Выводы 170
4. Комплексное повышение эффективности смазочных систем судовых тронковых дизелей 173
4.1. Сокращение расхода моторного масла в форсированных дизелях средней и повышенной частоты вращения 175
4.2. Разработка и оценка моторной эффективности комбинированных систем тонкой очистки масла в дизелях 189
4.3. Реализация результатов исследований по комплексному повышению эффективности маслоиспользования в СОД на судах Дальневосточного бассейна 220
4.4. Выводы 239
Общие выводы и заключение 247
Список использованной литературы 254
Приложение 268
- Анализ эффективности маслоиспользования в судовых тронковых дизелях
- Реализация волоконно-решетчатой модели фильтрования при оценке эффективности очистки ФМ с нерегулярной поровой структурой
- Оценка старения унифицированных моторных масел при их использовании в судовых тронковых дизелях
- Разработка и оценка моторной эффективности комбинированных систем тонкой очистки масла в дизелях
Введение к работе
Научно-технический прогресс как в России, так и во всем мире нацелен на максимально эффективное использование природных ресурсов, материалов, топлива и энергии на всех стадиях — от добычи и комплексной переработки сырья до выпуска и реализации конечной продукции. Особенно это актуально для транспорта как одного из основных потребителей топлив и смазочных материалов.
В условиях переходного периода от административно-командного управления работой флота к его функционированию на основе рыночных отношений проблема выбора и рационального использования горючесмазочных материалов (ГСМ) не только приобрела огромное значение в качестве определяющего фактора эксплуатационных расходов, но и весьма важна для обеспечения экономичной ресурсосберегающей экологически безопасной эксплуатации судов транспортного и рыбодобывающего флотов.
Развитие двигателестроения выдвигает новые требования к ГСМ и системам их очистки. Форсировка дизелей по наддуву и частоте вращения, использование в подшипниках тонкостенных вкладышей, снижение маслообмена за счет уменьшения угара масла с одновременным увеличением срока его службы, применение низкосортных топлив и масел с недостаточно высокими функциональными свойствами, а также законодательное ограничение опасных выбросов в атмосферу - вот те условия, в которых необходимо рассматривать работу комплекса "дизель — эксплуатация — топливо - масло - очистка" (ДЭТМО) на судах с целью наиболее выгодного сочетания входящих в него звеньев и достижения высокого технико-экономического и экологического эффектов.
Углубление переработки нефти сопровождается ухудшением качества товарных топлив, что приводит к понижению надежности работы, ресурсных и экологических показателей судовых дизелей при их эксплуатации на продуктах крекинг-процесса. При этом увеличивается интенсивность старения моторного масла (ММ), загрязнение двигателей внутреннего
5 сгорания (ДВС) углеродистыми отложениями и скорость изнашивания их основных деталей.
Большинство судовых ДВС до сих пор эксплуатируются при достаточно высоком угаре масла и неэффективной очистке, что не только ограничивает срок службы ММ, но и сказывается на состоянии двигателей. Из-за большого ассортимента ГСМ нередки случаи неграмотного сочетания топлив и масел, что приводит к нарушениям в работе дизеля или даже авариям. Велики материальные потери и от использования в судовых дизельных энергетических установках (СДЭУ) масел с низкими эксплуатационными свойствами из-за легирования их морально устаревшими присадками.
Ужесточение условий работы ММ в форсированных ДВС в связи с необходимостью сокращения его угара и применения топлив глубокой переработки нефти потребовало комплексного подхода к повышению эффективности смазочных систем (СС) тронковых ДВС средней и повышенной частоты вращения. Одним мероприятием, например улучшая только качество масла или используя маслоочистители с высокой разделительной способностью, обеспечить высокий технический уровень современных дизелей невозможно.
Актуальность исследований по повышению эффективности применения нефтепродуктов на судах обусловлена необходимостью разработки ресурсосберегающих технологий эксплуатации дизелей, когда звенья комплекса ДЭТМО сбалансированы и улучшены таким образом, что при конвертировании ДВС на низкосортные топлива одновременно повышаются их надежность, ресурсные показатели и сокращается расход ММ. Большие возможности в решении проблемы эффективного маслоиспользования за счет сокращения угара и увеличения срока службы масла заложены в подборе присадок к нему и совершенствовании систем очистки.
Приспособление дизелей к применению топлив с пониженными показателями качества, особенно при необходимости повышения их эксплуатационной экономичности и надежности, может успешно решаться только совместными усилиями конструкторов и изготовителей двигателей, эксплуатационников, а также специалистов по топливам и маслам. Значительное внимание при этом уделяется совершенствованию СС. Эффективное маслоиспользование — один из способов ослабить влияние ухудшения качества топлива на экономические и ресурсные показатели ДВС.
Как следует из материалов конгресса СГМАС [15], доля расходов на топливо и масло в общих затратах на эксплуатацию судов морского флота составляет 40-70 %, что связано с ростом цен на ГСМ из-за начавшегося в 1973-1974 гг. энергетического кризиса. Вследствие этого значительно возросло внимание к изысканию возможностей использования остаточных топлив в среднеоборотных дизелях (СОД), более широкого вовлечения в переработку тяжелых нефтей, поиску альтернативных топлив.
В ближайшие годы в связи с необходимостью экономии и рационального использования топливно-энергетических ресурсов, широким применением продуктов глубокой переработки нефти и альтернативного сырья роль химмотологии в повышении эффективности функционирования системы ДЭТМО возрастает [24, 49, 83, 123]. В условиях перехода России к высокоэффективной экономике необходимо решать многие проблемы народного хозяйства на основе обобщения мирового опыта. Это в полной мере относится к проблеме маслоиспользования, решаемой рациональным сочетанием в ДВС ГСМ, повышением моторных и эксплуатационных свойств ММ, совершенствованием систем и агрегатов его тонкой очистки.
В данной работе осуществлен комплексный подход к повышению эффективности маслоиспользования в судовых тронковых дизелях средней и повышенной частоты вращения. Рассматривается не совокупность мероприятий по улучшению качества смазочного масла и эффективности его очистки при использовании в ДВС, а разрабатывается комплекс новых связанных между собой научно-технических решений, повышающих эффективность функционирования системы ДЭТМО с учетом взаимодействия ее звеньев.
7 Комплексность подхода реализована рассмотрением совместного влияния нововведений диссертанта на дизель, оцениваемого через состояние ММ. Это тот индикатор, который указывает на хорошую сбалансированность разрабатываемых мероприятий, с достижением наибольшего технико-экономический эффекта. Улучшение моторных свойств смазочного масла осуществлялось таким образом, чтобы нейтрализовались отрицательные последствия применения топлива ухудшенного качества. При этом сохранение нагаро- и лакообразования в дизеле на низком уровне не должно сопровождаться повышением интенсивности изнашивания его трибосопряжений.
Улучшение моюще-диспергирующих характеристик ММ не должно снижать эффективность работы комбинированных маслоочистительных комплексов (КМОК). С другой стороны, последний не должен удалять присадки и ухудшать противоизносные свойства масла. Угар масла в ДВС понижается до уровня, при котором не возникают задиры в цилиндро-поршневой группе (Ц111) и создаются условия, благоприятные для увеличения его срока службы. Следовательно, повышение эффективности маслоиспользования на судах на основе комплексного подхода предусматривает реализацию новых научно-технических решений по СС с учетом взаимодействия звеньев системы ДЭТМО.
Основная цель проведенных исследований состояла в разработке комплекса научно обоснованных технических решений, направленных на сокращение эксплуатационного расхода ММ в судовых тронковых дизелях, повышение их надежности и ресурсных показателей при использовании низкосортных топлив. Комплексное повышение эффективности маслоиспользования на судах достигнуто за счет подбора композиций многофункциональных присадок к маслам, применения полнопоточных и комбинированных систем тонкой очистки масла (СТОМ) высокого функционального уровня, сокращения угара и увеличения срока службы ММ в дизелях.
8 Особенность исследований состояла в использовании композиций присадок, которые обладают синергетическим эффектом, придают углеводородной основе высокую термостабильность и низкую эмульгируе- мость. Подобранные композиции позволяют хорошо сбалансировать моюще- диспергирующие, антиокислительные, антикоррозионные и противоизнос- ные свойства ММ с учетом специфики их использования в тронковых ДВС, конвертированных на моторные топлива и мазуты. При этом была учтена необходимость повышения водостойкости масел и возможность их унификации. Исследования были нацелены на оценку моторной эффективности унифицированных масел в судовых условиях.
Результатом исследований по улучшению маслоиспользования должно быть снижение угара масла за счет полного устранения его непроизводительных потерь, разработка мероприятий для уменьшения поступления ММ в камеру сгорания двигателя. Обоснован угар, при котором создаются самые благоприятные условия для увеличения срока службы масла и улучшения состояния дизеля. Уточнены браковочные показатели ММ, позволяющие обосновать долгоработающий режим их использования с учетом форсировки дизеля и качества применяемого топлива.
В научном плане проблема рационального маслоиспользования решалась исследованием функционирования системы "дизель — топливо -масло" (ДТМ) при сжигании в СОД разного уровня форсировки низкосортных топлив и применении унифицированных высокощелочных ММ, облагороженных многофункциональными и направленного действия присадками. Высокоэффективный МОК разрабатывался с учетом специфики загрязнения масла продуктами неполного сгорания тяжелых топлив и карбонизации ММ с зольными присадками, повышенной чувствительности пар трения ДВС к абразивными частицам дисперсной фазы (ДФ) работающего масла.
Рассмотрено функционирование комплекса ДТМ при низком угаре масла. Браковочные показатели унифицированных ММ уточнены с учетом
9 форсировки тронковых ДВС наддувом и применения в них топлив широкого фракционного и группового составов, содержащих серы до 3,5 %. Получена зависимость интенсивности загрязнения ММ нерастворимыми продуктами (НРП) и срабатывания присадок от угара и других факторов, влияющих на старение масла. Выявлена область gy, при которой накопление нерастворимых примесей и срабатывание присадок в масле СС идет с наименьшей интенсивностью. При этом создаются наиболее благоприятные условия для увеличения срока службы ММ.
Новизна исследований в области очистки ММ состоит в моделировании функционирования МОК не изолированно, а в составе ДЭТМО с рассмотрением через массо-дисперсный обмен НРП кинетического взаимодействия его с основными звеньями рассматриваемой системы. На основе аппарата марковских процессов в стохастической постановке идентифицированы разные по принципу действия способы разделения многофазных дисперсионных систем (ДС) и разработаны методы управления очисткой ММ.
Уточненные модели процесса очистки ММ дают возможность конструировать комбинированные СТОМ, полностью удовлетворяющие требованиям ДТМ, разрешающие характерные для существующих маслоочистителей (МО) противоречие и реализующие достоинства фильтрования и центрифугирования. В моделях учтены одновременность и стохастичность действия ситового отсева и адгезионного захвата с идентификацией седиментационной, адгезионной и химмотологической групп осаждения. В отличие от стоксовых представлений исследовано движение ансамбля частиц в возмущенном потоке с флуктуациями, вызываемыми пристенными эффектами, стесненностью осаждения, формой и концентрацией частиц, а также броуновским их движением и пульсациями потока.
Моделирование фильтрования и центрифугирования осуществлено совмещением детерминированного и случайного воздействия на ДФ с помощью уравнения Холмогорова - Фоккера — Планка. Предложено при
10 очистке ММ учитывать полидисперсность ДФ, специфичность и кинетические свойства ДС, обусловленные старением масла. Кинетика процесса загрязнения масла НРП и срабатывания присадок рассмотрена при переменной эффективности очистки ММ, вызванной накоплением отложений на фильтрующей перегородке и в роторе МО. Выведены зависимости сх, с„(т) для режима функционирования СС с периодическим доливом свежего масла для компенсации его угара.
С целью упрощения расчета эффективности СТОМ, конструктивных и эксплуатационных параметров МО приведены обобщенные зависимости для фракционного коэффициента отсева, выражаемые через показатели структуры фильтровального материала (ФМ) или разделительной способности центрифуги. Функциональные характеристики очистителей для инженерных расчетов заданы экспонентами с параметрами формы и масштаба разделительного процесса, идентифицируемого простейшими выражениями, полученными на детерминированной основе.
Проведены моторные испытания СОД с системами смазки повышенной эффективности (ССПЭ). Исследовано влияние качества масла, средств очистки на изнашивание и нагаро- и лакообразование в дизеле. Показана эффективность новых научно-технических решений по комплексному повышению эффективности маслоиспользования в судовых тронковых дизелях средней и повышенной частоты вращения. Приводятся данные по снижению расхода масла на угар и слив за счет совершенствования системы ДЭТМО.
Практический выход работы состоит в комплексном повышении эффективности СС тронковых дизелей при их работе на низкосортных топливах. Совершенствование маслоиспользования на судах достигнуто применением водостойких судовых ММ многоцелевого назначения с усилением их отдельных эксплуатационных свойств и унификацией на базе многофункциональных присадок MACK и ПМС. Доказано, что модификаторы трения (МТ) хорошо сочетаются со щелочными маслами, обеспечивают в дизелях с повышенной частотой вращения экономию топлива до 8г/(кВт-ч), облегчают пуск двигателя и снижают интенсивность изнашивания деталей ЦПГ. Проведено ранжирование МТ по влиянию на экономичность и износ ДВС. Показано взаимодействие модификаторов с многофункциональными присадками и удаления их современными МО.
Предложена схема последовательно-параллельного подключения МО в СС дизелей, дающая возможность наиболее полно использовать достоинства очистки ММ фильтрованием и центрифугированием. Для СОД разработаны КМОК, в том числе саморегенерирующегося типа, одновременно обеспечивающие надежную защиту пар трения дизеля от абразивного изнашивания, тормозящие старение масла и стабилизирующие его угар. Создана схема подключения в СС центробежного очистителя (ЦО) с напорным сливом для очистки промывного масла саморегенерирующего фильтра (СРФ).
Разработаны мероприятия по сокращению угара масла в дизелях за счет усиления маслосъемного действия поршневых колец. Показано, что снижение угара до 1,2 г/(кВт-ч) благотворно действует на старение масла и позволяет многие унифицированные ММ перевести в разряд долгоработающих. Комплексное повышение эффективности СС создает хорошие предпосылки для снижения скорости изнашивания основных деталей ДВС и повышения их ресурса.
Работа выполнялась в соответствии с комплексной целевой программой экономии и рационального использования ГСМ на транспорте Дальневосточного региона. Программа предусматривала разработку мероприятий по топливосбережению в ДВС за счет использования МТ и водотопливных эмульсий, обеспечению путем комплексного повышения эффективности СС экономичной экологически безопасной ресурсосберегающей эксплуатации дизелей на всех видах транспорта, включая морской.
Основные положения диссертационной работы получены при выполнении НИР в ДВГМА им. адм. Г. И. Невельского [35, 58, 99, 100, 114,
12 115]. Часть исследований проводилась при выполнении постановления научно-технического совета по двигателестроению, направленного на повышение экономичности отечественных ДВС по расходу масла на заводах дизелестроительнои отрасли и в эксплуатации на транспортных и рыбодобывающих судах [49].
Предметом защиты являются следующие основные результаты работы, определяющие ее научную и практическую ценность.
1. Универсальная модель системы ДТМ, позволяющая определить взаимодействие входящих в нее звеньев, оценить их соответствие друг другу и осуществить выбор ММ.
Модели старения унифицированных ММ по загрязнению НРП и срабатыванию присадок при их использовании в работающих на низкосортных топливах тронковых дизелях разного уровня форсировки и угара масла.
Уточненная стохастическая ячеистая и волоконно-решетчатая модели очистки фильтровальными материалами с нерегулярной поровой структурой (ФМНПС) с двумерным распределением пор по размерам; стохастическая модель (СМ) центрифугирования.
Аналитические зависимости для расчета эффективности комбинированной очистки ММ фильтрованием и центрифугированием с учетом зарастания пор и накопления отложений в роторе ЦО.
Новые научно-технические решения по комплексному повышению эффективности маслоиспользования в СОД: - композиции многофункциональных и специальных присадок к унифицированным ММ со сбалансированными моюще-диспергирующими, нейтрализующими и противоизносными свойствами, обеспечивающие маслосбережение и надежную работу дизеля; — последовательно-параллельные схемы комбинированной очистки ММ, наиболее полно использующие достоинства фильтрования и центрифугирования;
13 - комплекс мероприятий по сокращению угара, увеличению срока службы и уменьшению общего расхода в ДВС ММ.
6. Результаты моторных стендовых и эксплуатационных испытаний судовых тронковых дизелей с улучшенным маслоиспользованием.
Экономический эффект при эксплуатации в судовых тронковых дизелях с ССПЭ составил 14 млн. руб. От рационального маслоиспользования на судах Дальневосточного бассейна в 2001 г. удалось сэкономить 700 т ГСМ. Образцы новой техники по комплексному повышению эффективности маслоиспользования на транспорте экспонировались на различных, в том числе и международных, выставках и отмечены наградами [49]. Разработки по рациональному маслоиспользованию в ДВС переданы на дизелестроительные заводы и морские пароходства для внедрения.
Научно-методической основой исследований служили работы российских ученых М. А. Григорьева, Г. П. Кичи, В. А. Сомова, Г. А. Смирнова, В. В. Щагина (в вопросах смазки и очистки масла в ДВС), С. Г. Аробяна, А. Б. Виппера, И. Ф. Благовидова, С. В. Венцеля, Е. И. Гулина, Л. И. Двойриса, В. Л. Лашхи, Ю. А. Микутенка, Э. М. Мохнаткина, О. А. Никифорова, К. К. Папок, В. Д. Резникова, В. М. Школьникова (по вопросам химмотологии моторных масел и использовании их в ДВС), П. Н. Белянина, В. П. Коваленко, К. В. Рыбакова, Ж. С. Черненко (в области очистки масел в авиационных двигателях и гидросистемах) и В. А. Ваншейдта, О. Н. Лебедева, М. Г. Круглова, М. К. Овсянникова, Н. В. Петровского, Б. Н. Семенова, 3. А. Хандова (по вопросам теории и эксплуатации ДВС).
В заключение выражаю искреннюю признательность доктору техн. наук, профессору Г. П. Киче за научное руководство.
Анализ эффективности маслоиспользования в судовых тронковых дизелях
Под эффективным маслоспользованием понимается не только рациональное расходование ММ в судовых дизелях, но и применение качественных нефтепродуктов, обеспечивающих надежную работу и высокий ресурс ДВС. В целом, как уже отмечалось, эффективное маслоиспользование нацелено на экономию расхода масла за счет снижения его угара и увеличения срока службы и долговечности двигателей. Последнее в большей мере зависит от качества применяемых ММ и эффективности их очистки, соответствия масел двигателю и применяемому топливу.
Обобщение опыта эксплуатации на Дальневосточном бассейне показало большой объем ремонтных работ и высокие расходы на ГСМ по главным и вспомогательным двигателям, вызванные низкой эффективностью их эксплуатации. Двигатели в основном потребляют дорогое дизельное топливо, затраты на которое доминируют в общем балансе эксплуатационных расходов. Велики траты и на смазочные масла в связи со слабым контролем за их расходованием и высоким эксплуатационным угаром.
Потребляя дешевые некондиционные нефтепродукты, эксплуатационник больше теряет в расходах на запчасти к двигателям. При их использовании трудно выдержать ресурсные показатели двигателей на приемлемом уровне. Расходы на ММ велики, так как зачастую их смену ведут не по браковочным показателям, а по записанному в ТУ на двигатель регламентному сроку службы. Применяя дешевые масла с низкими моторными свойствами механики-эксплуатационники испытывают большие затруднения в обслуживании СДЭУ: увеличивается трудоемкость и частота моточисток, так как ДВС интенсивно изнашиваются и загрязняются углеродистыми отложениями; растет объем моечно-очистных работ по СС и дизелю в целом.
Интенсивное изнашивание деталей ЦПГ двигателей приводит к высокому угару масла, который на большинстве ДВС равен 3-7 г/(кВт-ч). Плохо налажен контроль за состоянием ММ в эксплуатации, что приводит к необоснованным его сменам. При этом углеводороды сжигаются во вспомогательных котлах, так как сдача отработанного ММ на регенерацию не налажена.
На большинстве судов используется до 5 марок масла, что затрудняет рациональное его использование. Практически не применяют отработанные масла для смазки вспомогательных механизмов. Нет примеров восстановления их качества на судне путем сепарирования или использования других способов регенерации и усиления эксплуатационных свойств. Большая неразбериха с марками при бункеровке часто приводит к нерациональному смешиванию масел, в результате чего они теряют свои моторные свойства. Большая номенклатура ММ приводит к неэффективному их использованию.
Низкая эффективность маслоиспользования на судах вызвана тем, что в процессе эксплуатации ДВС из-за применения низкосортных ММ возрастает износ их основных деталей. В результате падает надежность двигателей и увеличивается угар масла. Считая, что повышенный маслообмен улучшает состояние масла, его длительно используют без смены, увеличивая изнашивание, нагаро- и лакообразование дизеля.
По данным исследований [58] 28,5 % тронковых дизелей, обследованных в эксплуатации, имели скорость изнашивание цилиндровых втулок более 0,18 мм на тысячу часов работы. Повышенное нагаро- и лакообразование зафиксировано у 21,4 % двигателей. Основная причина потери надежности СОД несоответствие качества масла применяемому топливу. На нее падает около 36 % рассмотренных случаев. Более чем у 28 % вышедших из строя ДВС из-за неэффективного маслоиспользования нарушения в работе вызваны низким качеством очистки циркуляционного масла [99]. Причем на 6 двигателях произошли серьезные аварии, вызванные проворачиванием вкладышей подшипников.
В работах [7, 76, 117] отмечено, что несвоевременная смена масла приводит к повышенному расходу сменно-запасных частей двигателей. При сжигании топлив разного качества интенсивность старения масла не одинакова. Учитывая, что на срабатывание присадок в масле влияют не только содержание серы, но и другие компоненты топлива, необходима разработка обобщенного показателя, его химмотологических свойств. Этот показатель должен помочь в оценке не только износных свойств продуктов его неполного сгорания, как это реализовано в работе [42], но и позволил бы моделировать старение масла по загрязнению и срабатыванию присадок.
Повышение уровня моторных свойств масел увеличением концентрации многофункциональных присадок сказывается на износе и нагарам двигателя. Многие исследователи [10, 36, 116] отмечают благоприятное действие их на рассматриваемые показатели. В исследованиях О.А. Никифорова [76] и В.А. Сомова [118] зафиксировано увеличение скорости изнашивания деталей ЦПГ и КШМ двигателя 48,5/11 при повышении концентрации присадки БФК более 8 %. Изнашивание интенсифицируется за счет роста его абразивной со ставляющей, вызванной высокой зольностью масла. Зола от сгорания ММ с металлосодержащими присадками концентрирует в большом количестве окислы, в данном случае бария, обладающие повышенной твердостью, и является сильным абразивным. Этот же факт подтверждается в работах А.А. Деребина [27] и Г.А. Морозова [71].
С увеличением концентрации присадок в масле чистота деталей дизеля улучшается, уменьшается количество нагара и лака на поршнях. В противоположность процессу изнашивания чистота деталей не ухудшается при увеличении концентрации присадок в масле более 8 % [21, 23, 116]. Зависимость нагаро- и лакообразования от с„ имеет экспоненциальный характер. При некотором уровне моюще-диспергирующих свойств масел этот процесс стабилизируется и дальнейшее повышение концентрации присадок эффекта не дает [77,130].
Наличие оптимальной концентрации присадок выявлено В.А. Сомовым и Ю.А. Микутенком [69, 117]. Этот же факт подтверждает А.А. Дерябин [27], который собрал обширный материал по оценке износных и нагарных свойств современных присадок к смазочному маслу. Повышение износных характеристик ММ при увеличении концентрации зольных присадок отмечено также в трудах В.Ф. Большакова [7], В.Л. Лашхи [63], В.Д. Резникова [102]. Это подтверждает также результаты испытаний двигателей на моторных стендах дизелестроительных заводов "Дальдизель", "Русский дизель", "Звезда", БМЗ и др. [100].
Реализация волоконно-решетчатой модели фильтрования при оценке эффективности очистки ФМ с нерегулярной поровой структурой
Ранее уже отмечалось, что расчет эффективности задержания крупных частиц, размер которых соизмерим с диаметром волокна ФМ, проблематичен. Предложенные модели при fd 0,3 не работают, так как основную роль в отсеве крупных частиц играет кальмотаж [49, 50, 142]. Ситовый эффект задержания ДФ в этом случае преобладает над остальными. Его необходимо обязательно учитывать при расчете отфильтровывания крупных частиц. При ситовом эффекте важную роль в отсеве НРП играют не размер волокон dei а форма их переплетения и слоистость расположения. Поэтому для оценки отфильтровывания крупных частиц с rd 0,3 ячеистая модель должна быть дополнена волоконно-решетчатой. Идентификация поровой структуры большинства ФМ затруднена. Для оценки фильтровальных характеристик ФМНПС предложена модель, учитывающая взаимосвязанную систему пустот и волокон. Поровая структура таких ФМ может быть представлена как многослойная сетка, образованная сложным переплетением дискретных волокон [135]. Для одного слоя пору можно представить в виде многоугольника, сформированного перекрещивающимися волокнами. Вероятность образования многоугольника четырехугольной формы равна 0,6, треугольной — 0,35 [77]. Таким образом, поры в слое ФМНПС можно представить решеткой прямоугольной формы, стороны которой а и Ъ распределены случайно. Толщина слоя принята равной двум средним диаметрам de волокон.
Распределение свободных длин волокон в двух взаимно перпендикулярных направлениях идентифицируется микроскопированием срезов ФМ и автоматизированным сканированием просветов пор с замером их размеров [49, 98]. По результатам сканирования стоится распределение пор по длине и ширине, которое для большинства ФМНПС подчиняется закону Вейбулла. Для моделирования задерживающей способности ФМ с двумерным распределением пор осуществлена оценка гидродинамической обстановки при движении через них суспензии. Учитывали ситовый механизм отсева и адгезионный захват в результате касания частиц волокна. При таком подходе, если допустить равномерное распределение ДФ в объеме суспензии и следование частиц по линиям тока, задерживаться будут те из них, диаметр которых превышает любой из размеров а и Ъ и которые находятся в потоке на расстоянии d/2 от стенок поры.
Действие инерционных и диффузионных явлений на захват частиц, а также групп NgA и NDL может быть учтено коррекцией зоны захвата d/2 посредством коэффициента є Этот же показатель, названный относительной координатой отсева, учитывает стохастические явления, приводящие к отрыву частицы от волокна и унос ее с фильтратом.
В элементарных функциях (2.26) можно представить только для частного случая ра=Рь=2 если промежуточные результаты интегрирования по dxt представленные в виде erf(x), аппроксимировать экспоненциальной функцией.
Переход от рл монослоя к оценке эффективности 7раф ФМНПС в целом осуществляется по зависимости (2.17). Коэффициент полноты отсева при очистке суспензии с дисперсным составом, заданным дифференциальной функцией распределения F(d), может быть найдет интегрированием выражения (2.18). Учет стохастических явлений, а также действия химмотологической группы на отсев ДФ может быть осуществлен посредством выражения sd=l-exp(-pe). (2.28) Показатель /Зе характеризует обобщенную координату отсева мелкодисперсной фазы загрязнений. Применительно к волоконным нетканым материалам его значение изменяется в диапазоне 0-4.
Теоретические кривые находятся в границах доверительного интервала значений Тр и ффу полученных в опытах. Средняя погрешность в их определении не превышала 8 %. Волоконно-решетчатая модель (2.23), представленная формулами (2.24) и (2.25), позволяет с использованием зависимостей (2.17) и (2.18) идентифицировать фильтровальные характеристики ФМ при любых законах распределения пор и частиц ДФ по размерам.
При sd-0 действует только ситовый отсев, а при ed = 1 — все рассмотренные механизмы задержания (рис. 2.9). Допустимо расчет p вести при sd = const. В этом случае среднее значение координаты отсева определяется для поры с размерами та и тъ, а полидисперсный загрязнитель при оценке єd может быть представлен через средний диаметр md частиц.
Оценка старения унифицированных моторных масел при их использовании в судовых тронковых дизелях
Для возможности грамотного использования ММ рассматриваемого класса в судовых дизелях необходима оперативная оценка интенсивности их старения в зависимости от состава и режимов эксплуатации комплекса ДТМ. Кинетика отдельных направлений процесса старения масла рассмотрена в работах [50, 104, 117]. Приводимые в них уравнения, удовлетворительно описывают процессы накопления нерастворимых примесей, срабатывания щелочности при нейтрализации кислых продуктов окисления масла.
Использование этих зависимостей возможно только после нахождения констант рассматриваемых процессов, что обуславливает необходимость проведения эксперимента. Только полученные и обработанные определенным образом результаты кратковременных моторных испытаний комплекса ДТМ позволяют прогнозировать старение масла по исследуемым параметрам на более продолжительный период его работы. При этом изменение условий функционирования комплекса, ухудшение технического состояния дизеля или переход на другое топливо приводит к дрейфу интенсивности старения. Поэтому коррекция показателей, характеризующих этот процесс, требует дополнительных экспериментов.
Целью проведенных исследований было нахождение зависимости скорости старения ММ по главным направлениям от основных факторов, влияющих на данный процесс. В результате выполненных обобщений была разработана методика, позволяющая рассчитать интенсивность и кинетику старения ММ с любым запасом качества в дизелях разной форсировки при малых угарах масла и использовании дизельного, моторного топлива и мазутов. Суть методики состоит в том, что по результатам кратковременных моторных испытаний дизеля определяются константы старения масла по загрязнению НРП и срабатыванию присадок. Далее рассчитывается кинетика старения ММ и сопоставляется с браковочными показателями. В итоге выносится заключение о возможности длительного использования конкретного масла без смены или определяется период его работы до отбраковки.
Экспоненциальная зависимость (2.38) использовалась для аппроксимации экспериментальных данных. С ее помощью на основе метода наименьших квадратов обработаны результаты испытаний и найдены значения а,-, соответствующие заданным условиям старения масла. Решение задачи предусматривало: — составление уравнения, представляющего собой сумму квадратов разности между результатами эксперимента и экспоненциальной зависимостью в заданных точках; — определение экстремума уравнения, для чего выражается производная полученной функции по рассматриваемому параметру старения и приравнивается к нулю; — нахождение нового уравнения относительно искомого параметра.
Рассматриваемый подход позволяет с высокой точностью определить параметр я,-. При этом желательно использовать не менее пяти сочетаний Су Ту Экспериментально доказано, что при таком подходе погрешность определения д, не превышает 7 % за период испытаний 50-100 ч. Инструментальная ошибка нивелируется, если в каждой точке эксперимента берется три пробы для определения Су. Рационально вести идентификацию сразу всех показателей старения.
Для сокращения продолжительности эксперимента рационально основные его этапы вести без очистки масла и его долива. При таком режиме моторных испытаний точность определения показателей интенсивности старения возрастает, так как Су имеют большие отклонения от сіо. Накопленный в МГУ им. адм. Г.И. Невельского опыт исследования старения ММ в судовых дизелях позволил сделать заключение, что с допустимой для практических целей точностью расчет я,- в условиях эксплуатации можно вести по модели а( (ДТМ) в форме позинома [58, 87]. Обобщение данных по старению ММ в судовых тронковых дизелях средней и повышенной частоты вращения позволил выделить основные факторы, влияющие на рассматриваемый процесс.
На первом этапе в дизелях типа ЧН24/31 (/ =1,28 МПа, лд=12,5 с"1) осуществляли активный эксперимент с использованием регулярной четвертьреплики 25"2, заданной генерирующим соотношением х4=хіХ2Хз, х$=Х2Хз. Определяющим контрастом было 1 =xjX2X3X4 и 1 =х2хзх$. Совместные линейные эффекты оценивали согласно методике [1, 29]. Однозначность параметров в статистическом смысле и независимость оценки коэффициентов регрессии достигнута применением близкого к D-опти-мальному плана Бокса на гиперкубе. Исследовали влияние выше перечисленных факторов: Кг=Х/, М=х2, Т=х3, КР—х4 и Vcc=xs.
Качество применяемого топлива задавался показателем Кт (см. п. 3.3), который варьировался в пределах 0,2-1,4, что соответствовало дизельному топливу Л-0,2-61 (ГОСТ 305-82) и топочному мазуту М-40 (ГОСТ 10585-75). Эксплуатационные свойства масла М задавались рангом (-1), который обобщенно характеризовал эксплуатационные свойства масла М-10Г2(цс) (ГОСТ 12337-84). Моторные свойства масла М-14Д2(цл30), выпускаемого по этому же ГОСТу, соответствовали рангу (+1). Концентрация присадок MACK и ПМС, входящих в эти масла, соответствовала 8 и 18 %. Техническое состояние дизелей Т в пределах от -1 до +1 оценивали по методике [77, 99, 154] через величины текущих, монтажных и предельно допустимых зазоров, выраженных относительно их значений для основных трибосопряжений двигателя среднего технического состояния [58]. Режимы работы дизеля задавали показателем КР, который представляет отношение средневзвешанной его нагрузки тпР к номинальной мощности Рен. Коэффициент использования мощности КР менялся в пределах 0,3-0,9, что соответствовало в кодированном виде диапазону (-1)-(+1). Удельная вместимость Vcc СС принята 0,6 (ранг-1) и 2,4 дм3/кВт (ранг +1), что соответствует диапазону изменения этого параметра для большинства эксплуатируемых на судах ДВС рассматриваемого класса. С целью оценки дисперсии воспроизводимости эксперимента для заданных на основном уровне факторах проведено три параллельных опыта. Испытания проводили при удельном угаре масла 2,1 г/(кВт-ч). Среднее квадратическое отклонение мощности в относительных единицах от математического ожидания составляло 0,15. Перевод рассматриваемых показателей в натуральном виде к безразмерному (уровни -1 и +1) осуществлялся по методике [1, 119]. Их кодирование соответствовало условиям применения показательно-степенного позинома. В качестве функции отклика при моделировании старения ММ выбрана удельная, приходящаяся на единицу мощности, скорость Ах поступления в масло нерастворимых в бензине продуктов (ГОСТ 20684-75) и срабатывания присадок Ап, выраженные соответственно в мг/(кВт-ч) и г/(кВт-ч). Показатель Ап соответствует не только единице мощности средней нагрузки дизеля, но и единице концентрации присадок в применяемом масле. Поэтому при расчете а„ показатель Ап умножается не только на мощность, но и на концентрацию (отн. ед.) присадок в свежем масле. Для уменьшения систематических ошибок опыты проводили в случайном порядке. В табл. 3.5 представлена матрица планирования 25"2 и результаты эксперимента в дизеле 5ЧН24/31.
Разработка и оценка моторной эффективности комбинированных систем тонкой очистки масла в дизелях
Повсеместное применение в СДЭУ низкосортных топлив вследствие дефицитности дизельного, появление в эксплуатации топлив глубокой переработки нефти, перевод на мазут дизелей средней и повышенной частоты вращения ужесточили требования к очистке масла. Практика эксплуатации дизелей последнего поколения с высоким наддувом на низкосортных топливах показала, что без эффективной очистки масла, которое интенсивно загрязняется и стареет, обеспечить прогрессивные ресурсные и экономические показатели этих двигателей невозможно.
Диссертантом была поставлена задача разработать СТОМ высокой эффективности для тронковых дизелей малой и средней мощности как без наддува, так и с высоким наддувом, в том числе с двухконтурной СС, работающих на дистиллятных и остаточных топливах, а также их смесях. Решение проблемы очистки ММ и разработка новых СТОМ и МО высокого уровня, удовлетворяющих требованиям дизелестроения, возможны на основе комплексного подхода, т. е. с учетом взаимодействия и совместного влияния звеньев в комплексе ДЭТМО на выбор наиболее рациональной СТОМ и комплектование ее агрегатами очистки. Предусматривалось изыскание путей интенсификации процесса очистки и управлением его эффективностью с учетом характеристик звеньев рассматриваемого комплекса.
Задача усложнялась в связи с необходимостью разработки принципов и способов повышения эффективности тонкой очистки ММ в условиях интенсификации его загрязнения, увеличения чувствительности к механическим примесям ДВС, ухудшения качества топлив.
Сравнение эффективности полнопоточного фильтрования и центрифугирования ММ ДВС [52, 87] по наиболее важным показателям (рис. 4.6) позволило заключить, что глубина очистки масла от общих, а особенно зольных, НРП центрифугированием намного выше, чем фильтрованием. На это указывает превосходство в 1,5-2,6 раза ЦО над фильтрами по средней концентрации нерастворимых загрязнений в масле. Низкий уровень общих сх и зольных сХз загрязнений ММ при центрифугировании вызван более высокой (в 6-12 раз) интенсивностью очистки по сравнению с фильтрованием.
По тонкости отсева Д, сравниваемые МО с разными принципами действия равноценны. Преимущество ФТОМП над МЦН-НС огромно в надежности защиты N пар трения ДВС от попадания крупных, особенно опасных, частиц механических примесей. Очень низок показатель Nn у центрифуг в период пуска двигателя (см. рис. 4.6). Это вызвано более сильным влиянием вязкости ММ на отфуговывание нерастворимых примесей по сравнению с их отфильтровыванием. Кроме того, на раскрутку ротора центрифуги необходимо время (2-3 мин), в течение которого во внутреннюю СС двигателя поступает неочищенное масло. Фактор разделения при этом у центрифуги низок, так как частота вращения его ротора с повышением вязкости масла резко падает.
На номинальных температурных режимах СС и скоростных двигателя сравниваемые МО по Лн отличаются незначительно. В этих условиях фильтр всего лишь на 12-16 % превосходит центрифугу. Следовательно, и надежность защиты пар трения двигателя от крупных частиц в этом случае одинакова как при применении первого, так и второго МО.
Скорость удаления присадок ап из масла при фильтровании обычно на 15-22 % ниже чем при центрифугировании. Интенсивность старения масла ас при использовании МЦН-НС в 1,3-1,5 раза ниже, чем при очистке его ФТОМП. Это обусловлено более эффективным удалением из масла продуктов изнашивания деталей дизеля и разложения присадок, являющихся катализаторами окисления, что подтверждает сравнение МО по показателю сХз (см. рис. 4.6). Несколько проигрывают МЦН-НС фильтру по трудоемкости обслуживания Тр, так как удалять из ротора отложения приходится намного чаще, чем осуществлять замену ФЭ. К тому же операция замены элемента менее трудоемка, чем чистка МЦН-НС. Преимущество центрифуги состоит также в отсутствии расходов Рфэ на элементы. Сравнение рассматриваемых очистителей по десяти показателям не позволило выявить преимущества одного из них. Отсюда напрашивается вывод о необходимости такого их сочетания в комбинированных СТОМ, чтобы достоинства ФТОМП и МЦН-НС были проявлены наиболее полно, а недостатки компенсировались.
Повышение эффективности тонкой очистки ММ осуществлялось за счет совершенствования СТОМ, МО и ФЭ. Новые научно-технические решения по совершенствованию очистки ММ в судовых тронковых дизелях приведены на рис. 4.7. Разработка комбинированных СТОМ, использующих достоинства очистки масла фильтрованием и центрифугированием, осуществлена на основе следующих принципов: — разграничения функций агрегатов очистки таким образом, чтобы наиболее полно реализовывались преимущества полнопоточного фильтрования для защиты пар трения двигателя от крупных абразивных частиц и центрифугирования для глубокой очистки масла от тонкодиспергированных, особенно зольных, нерастворимых примесей.
Похожие диссертации на Комплексное повышение эффективности маслоиспользования в судовых тронковых дизелях
