Повышение ресурсных показателей топливной аппаратуры судовых дизелей при их работе на низкосернистых маловязких топливах Лыу Куанг Хиеу

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние вопроса и задачи исследования 12

1.1 Аналитический обзор современной нормативной базы, регулирующей требования к эмиссии SOx судовых дизелей 12

1.2 Анализ методов и способов, обеспечивающих снижение вредных выбросов SОх с морских судов .20

1.3 Проблемы применения низкосернистых маловязких судовых дистиллятных топлив с учетом специфики эксплуатации судовых дизелей в тропических широтах .36

1.4 Анализ возможности улучшения противоизносных свойств низкосернистых судовых дистиллятных топлив 45

1.5 Методы оценки смазывающей способности судовых дистиллятных топлив .53

1.6 Выводы. Цель, основные задачи и направления исследований 59

2 Разработка экспериментальной математической модели для оценки смазывающей способности судовых дистиллятных топлив 62

2.1 Экспериментальное исследование влияния физико-химических характеристик судовых дистиллятных топлив на их триботехнические свойства 62

2.2 Анализ методов получения судовых низкосернистых дистиллятных топлив. Выбор и отработка методики обессеривания топлив .69

2.3 Разработка экспериментальной нелинейной многофакторной модели для оценки смазывающей способности судовых дистиллятных топлив...79

2.4 Разработка подходов и определение критических параметров судовых дистиллятных топлив 85

2.5 Выводы .90

3 Комплексное исследование свойств смесевых судовых дистиллятных топлив с добавкой растительных масел 92

3.1 Экспериментальная оценка физико-химических и триботехнических свойств смесевых топлив с добавками минеральных и растительных компонентов .92

3.2 Модель взаимодействия прецизионных пар топливной аппаратуры при наличии органических ПАВ растительных масел 97

3.3 Обоснование рационального состава смесевого судового дистиллятного топлива с пальмовым маслом 100

3.4 Исследование влияния смесевого судового дистиллятного топлива с пальмовым маслом на параметры рабочего процесса судового дизеля..105

3.5 Выводы 111

4 Натурная оценка противоизносных свойств судовых дистиллятных топлив и результаты практической реализации выполненных исследований 113

4.1 Разработка методики испытаний и натурного стенда на базе судового дизеля .113

4.2 Результаты триботехнических испытаний плунжерных пар топливных насосов на различных видах судовых дистиллятных топлив 116

4.3 Разработка научно-технических решений по повышению ресурсных показателей судовых ТНВД. Перспективная система топливоподготовки с применением пальмового масла 122

4.4 Выводы 134

Заключение 135

Основные условные обозначения и сокращения .137

Список литературы

• Анализ методов и способов, обеспечивающих снижение вредных выбросов SОх с морских судов
• Анализ методов получения судовых низкосернистых дистиллятных топлив. Выбор и отработка методики обессеривания топлив
• Модель взаимодействия прецизионных пар топливной аппаратуры при наличии органических ПАВ растительных масел
• Результаты триботехнических испытаний плунжерных пар топливных насосов на различных видах судовых дистиллятных топлив

Введение к работе

Актуальность темы. Топливная аппаратура является наиболее сложной и дорогостоящей частью современного судового двигателя, составляющей до 30 % его стоимости. Она оказывает существенное влияние на надежность и экономичность работы двигателя. Износ деталей трущихся сопряжений топливной аппаратуры (ТА) является одной из основных причин снижения ресурса судовых двигателей.

В настоящее время наблюдается тенденция к уменьшению содержания серы в бункерных топливах для судовых двигателей с целью улучшения их экологических характеристик. В соответствии с требованиями Приложения VI Конвенции МАРПОЛ 73/78 наиболее жесткие требования выработаны для районов контроля вредных выбросов – SO_x Emision Control Areas (SECA). C 1 января 2015 г. для всех судов при заходе в зоны SECA содержание SО_x в выхлопных газах не должно превышать 0,4 г/(кВтч), что обеспечивается если содержание серы в судовом дистиллятном топливе (СДТ) менее 0,1 %.

Однако многочисленные эксперименты и результаты эксплуатации двигателей с использованием низкосернистых дистиллятных топлив как в России, так и за рубежом, выявили высокую интенсивность изнашивания прецизионных пар топливной аппаратуры. Снижение содержания серы в топливе приводит к ухудшению их противоизносных свойств, вследствие чего идет интенсивное изнашивание трущихся пар ТА двигателей, что вызывает увеличение зазоров в плунжерных парах и приводит к значительному ухудшению качества распыливания.

Степень разработанности темы. Вопросы работы автотракторных двигателей внутреннего сгорания на низкосернистых дизельных топливах и их влияния на надежность работы ТА этих дизелей обстоятельно рассмотрены в научных трудах российских ученых Т.Н. Митусовой, В.Г. Спиркина, А.М. Данилова, И.Ф. Крылова, А.П. Уханова и ряда других исследователей, а также нашли свое отражение в работах зарубежных ученых, таких как M.A. Hazrat, P. I. Lacey, D. Cooper, Danping Wei и других. В результате выполненных работ были предложены различные пути для повышения надежности работы и улучшения противоизносных свойств дизельного топлива.

Вопросы повышения ресурсных показателей ТА судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) нашли свое отражения в работах докторов технических наук Л. И. Погодаева, Л. Б. Леонтьева, Г. Б. Горелика, Г. П. Кичи, Юр Г.С. и др. Однако эти исследования не были связанны непосредственно с оценками влияния судовых низкосернистых маловязких дистиллятных топлив (НМДТ) на работу ТА. Проработанность темы, связанной с применениями НМДТ в судовых дизелях, невелика. Полученные данные, изложенные в исследованиях ведущих дизелестрои-тельных компаний, а также других работах, противоречивы и неоднозначны. Нет единого отработанного комплексного подхода к учету влияния всех значимых физико-химических характеристик СДТ на надежность работы ТА СДВС.

Объектом исследования являются судовые топлива с различными физико-химическими свойствами, минеральные и растительные масла, ТА судового дизеля 2Ч8,5/11.

Предмет исследования – триботехнические характеристики СДТ и его смесей с минеральным и растительным маслами, рабочий процесс судового дизеля при работе на различных топливах, интенсивность изнашивания плунжерных пар ТА.

Целью диссертационной работы является исследование триботехниче-ских характеристик судовых НМДТ и повышение ресурсных показателей ТА СДВС при работе на этих топливах, особенно в условиях высоких температур окружающей среды (в тропических и субтропических широтах).

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнить исследование влияния различных физико-химических показателей СДТ на их триботехнические характеристики в лабораторных условиях на машине трения, произвести отбор независимых факторов, влияющих на их смазывающую способность и выполнить построение экспериментальной многофакторной нелинейной регрессионной модели трибологических свойств СДТ.

2. Разработать подходы и методику определения критических параметров СДТ, при достижении которых интенсивность изнашивания ТА СДВС значительно возрастает.

3. Установить влияние растительных масел на физико-химические характеристики смесевых судовых НМДТ и их противоизносные свойства, определить допустимые границы процентного содержания различных растительных компонентов в судовых НМДТ без ущерба для их качества.

4. Провести моторные испытания смесевых топлив для оценки их влияния на технико-экономические характеристики СДВС.

5. Осуществить разработку и изготовление натурного стенда для испытаний топливных насосов высокого давления (ТНВД) и выполнить на нем комплексную оценку состояния плунжерных пар ТНВД при работе на различных видах СДТ.

6. Разработать комплексные научно-технические решения и рекомендации по применению НМДТ в СДВС для обеспечения ресурсосберегающей эксплуатации их ТА при работе на этих видах топлив.

Научная новизна исследований состоит в следующем:

– установлено влияние различных физико-химических характеристик СДТ на их смазывающую способность;

– разработана экспериментальная многофакторная нелинейная регрессионная модель трибологических свойств СДТ;

– определены критические параметры CДТ, при достижении которых интенсивность изнашивания значительно возрастает;

– установлено влияние растительных масел на физико-химические характеристики смесевых судовых НМДТ, определены факторы, лимитирующие процентное содержание растительных компонентов в судовых НМДТ;

– установлено влияние концентрации пальмового масла (ПМ) на параметры рабочего процесса СДВС на основании проведения моторного эксперимента;

– разработан натурный стенд для испытания ТНВД с целью оценки состояния плунжерных пар;

– выполнены стендовые испытания ТНВД на разработанном натурном стенде с применением различных видов СДТ и осуществлена комплексная

оценка состояния плунжерных пар, в том числе с использованием оптической профилометрии высокого разрешения;

– разработана оригинальная ресурсосберегающая система топливоподго-товки для применения НМДТ в СДВС.

Теоретическая значимость работы

7. Разработана математическая многофакторная нелинейная регрессионная модель, описывающая зависимость смазывающей способности СДТ от их физико-химических характеристик, позволяющая определять основные параметры СДТ, оказывающие существенное влияние на триботехнические характеристики топлива.

8. Установлено влияние композиции минерального и растительного масел на смазывающую способность СДТ, позволяющая улучшить его противоизносные свойства.

9. Определена рациональная концентрация ПМ в СДТ для улучшения его смазывающей способности.

Практическая значимость работы

10. Определены критические параметры СДТ, обеспечивающие деление области факторного пространства, в зависимости от содержания серы и вязкости на две зоны – удовлетворительного и критического протекания процесса изнашивания.

11. Изготовлена исследовательская установка, которая применяется для оценки состояния ТА СДВС при работе на различных топливах и используется при проведении учебных занятий по дисциплинам кафедры СДВС.

12. Разработана оригинальная ресурсосберегающая система топливоподго-товки для применения в судовых дизелях НМДТ.

Методология и методы исследования

Эксперименты проводились на лабораторных приборах и оборудовании в учебно-научной испытательной лаборатории химмотологии МГУ им. адм. Г.И. Невельского (аттестат аккредитации № RA.RU.21HX56).

При обработке экспериментальных данных применялись методы интерферометрии высокого разрешения. Обработку экспериментальных данных, разработку математической модели, оценку влияния физико-химических свойств СДТ на их триботехнические характеристики осуществляли с использованием программ Математики 10, Maple 17 и стандартных прикладных пакетов Microsoft Excel.

Положения, выносимые на защиту:

– экспериментальная нелинейная многофакторная регрессионная модель триботехнических свойств СДТ;

– результаты экспериментальных исследований влияния добавок минерального и растительного масел на смазывающую способность СДТ и изменение его показателей;

– рациональный состав смесевого СДТ по физико-химическим показателям и его смазывающей способности;

– результаты экспериментальных исследований влияния смесевого CДТ с ПМ на параметры рабочего процесса СДВС;

– результаты триботехнических испытаний плунжерных пар топливных насосов на различных видах СДТ;

– высокоэффективная система топливоподготовки для работы на НМДТ, которая за счет реализации комплекса научно-технических мероприятий позволяет минимизировать процесс изнашивания прецизионных пар ТА.

Высокая степень достоверности результатов исследования достигнута:

– широкой апробацией расчетных зависимостей и хорошей сходимостью их с экспериментальными данными;

– адекватностью моделей и регрессионных зависимостей, доказанных по различным критериям;

– соблюдением принципов комплексного подхода, постулатов и основных положений теории математической статистики при обработке экспериментальных данных;

– применением современных программных комплексов для выполнения расчетных исследований;

– использованием в экспериментах современной поверенной на эталонах и прошедшей метрологическую аттестацию измерительной аппаратуры.

Личный вклад соискателя состоит в организации и проведении экспериментальных исследований по оценке триботехнических характеристик судовых НМДТ и их влияния на ресурсные показатели ТА судовых дизелей, анализе результатов исследований, разработке оригинальной ресурсосберегающей системы топливоподготовки для применения НМДТ в СДВС.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на региональных, российских и международных конференциях и семинарах: Международный симпозиум «Наука. Инновации. Техника и технологии: Проблемы, достижения и перспективы». – Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 2015; Fеbrat15 «Проблемы транспорта Дальнего Востока». – Владивосток: ДВО РАТ, 2015; 62-й, 63-й и 64-й международных молодежных научно-технических конференцях Молодежь. Наука. Инновации. – Владивосток: МГУ им. Г. И. Невельского, 2014, 2015, 2016. Получен диплом за 3-е место в международном конкурсе студентов и аспирантов «University Knowledge – 2017».

Публикации по теме диссертации представлены 15 печатными работами, включая 6 статей в рецензируемых российских научных журналах, входящих в перечень ВАК, 2 статьи в журналах, включенных в международную реферативную базу данных Web of Science и один патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и шести приложений. Содержание работы изложено на 163 страницах машинописного текста, включая 26 таблиц, 61 рисунок и списка литературы из 164 наименований.

Анализ методов и способов, обеспечивающих снижение вредных выбросов SОх с морских судов

Как указывается в документах ИМО, «в программе работы ИМО уделяется всё более возрастающее внимание вопросам защиты морской среды». Подтверждение этому – недавнее решение ИМО о переименовании Подкомитета по перевозке жидкостей и газов наливом в Подкомитет по предотвращению загрязнения и реагированию, выводе его из состава Комитета безопасности мореплавания (КБМ) и передаче его в подчинение КЗМС с перепрофилированием его работы, которая будет связана теперь исключительно с вопросами окружающей среды [29].

С увеличением активности работы КЗМС, расширился круг решаемых этим Комитетом вопросов, возросла активность государств-членов ИМО, а также межправительственных и неправительственных организаций, в том числе Международной ассоциации классификационных обществ (МАКО) в работе по предотвращению загрязнения окружающей среды.

В ИМО наметилась тенденция по ужесточению существующих инструментов по предотвращению загрязнения среды, а также по созданию новых конвенций. Помимо того, что ИМО регулирует вредные выбросы в атмосферу с морских судов, еще более жесткие требование предъявляются различными странами при заходе судна в территориальные воды [28, 29].

Согласно Директиве Европарламента 2005/33/EC, содержание серы в морском топливе, используемом в территориальных водах Евросоюза (ЕС): с 01 января 2010 г. до 31 декабря 2014 г. – не более 1,0 %; с 01 января 2015 г. – не более 0,1 % [99].

В Балтийском море, Северном море, проливе Ла-Манш, на якорной стоянке (находящимся там более двух часов) и у причалов в портах стран ЕС, во внутренних портах ЕС – не более 0,1 %. Директива ЕС применяется ко всем судам независимо от флага, типа, возраста и водоизмещения.

Сведения о топливе, поставленном на борт судна, должны быть записаны в накладную на топливо, которая должна содержать, по меньшей мере, следующую информацию: – название и номер ИMO судна, принимающего топливо; – порт бункеровки; – название, адрес и номер телефона поставщика топлива; – наименование продукта; – количество в тоннах; – плотность при 15 оС; – содержание серы.

По требованиям Директивы, накладная на топливо должна храниться на борту судна в легкодоступном для проверки месте, в течение трех лет со дня поставки топлива. Накладная сопровождается представительной пробой поставленного топлива. Кроме того, как сообщается, проба топлива должна быть опечатана и подписана представителем поставщика и капитаном или судовым офицером, отвечающим за бункеровку. Проба топлива должна храниться на судне до тех пор, пока топливо не будет использовано, но не менее 12 месяцев с момента поставки.

Проба должна быть отобрана у приемного фланца судового топливопровода методом непрерывного капания с помощью ручного или автоматического пробоотборника в течение всего времени бункеровки. Объем пробы должен быть не менее 400 мл, бутылка должна быть заполнена на 90 ± 5 % от полного объема.

Для обеспечения выполнения правил 14 и 18 Приложения VI инспекторам классификационных обществ по поручению Администраций и инспекторам PSC вменяется в обязанность скрупулёзно изучать судовые документы и записи (например, процедуры отбора проб, процедуры перехода с одного вида топлива на другой, Машинные журналы, накладные на поставку бункерного топлива, описи проб бункерного топлива и т. д.).

Анализы проб бункерного топлива могут быть выполнены в случае подозрения со стороны классификационного общества или портовых властей на несоответствия, например, в случае аварии или вероятности аварии.

EC предложил брать пробы даже из танков для контроля соответствия топлива. Надо отметить, что Датские власти выполняют такие проверки уже сегодня для контроля соответствия существующим требованиям к низкосернистым топливам (дистиллятам) [29].

Согласно Калифорнийскому Совету по контролю за воздушной средой (California Air Resources Board – CARB): с 1-го декабря 2014 года суда должны использовать морские дистиллятные топлива с содержанием серы ниже 0,10 % в пределах 24 морских миль от береговой линии Калифорнии [148]. Поскольку береговые линии Калифорнии входят в состав Североамериканского ECA, то с 1 января 2015 года все суда должны были соблюдать новые предельные значения эмиссии выпускных газов в ECA, соответствующие использованию мор 18 ского топлива с содержанием серы менее 0,10 %. В морском извещении 2014– 1(Marine Notice 2014–1) CARB говорится о том, что она позволит судам при плавании в зоне ECA использовать традиционные топлива с применением альтернативных технологий очистки выбросов (скрубберы) или недистиллят-ных малосернистых топлив (сера менее 0,1 %) вместо дистиллятных топлив с аналогичным содержанием серы.

Законодательством Турции, согласно которому с 01 января 2012 года топливо, используемое морскими судами, должно содержать серу: – не более 0,1 % – эта норма распространяется на все суда, находящиеся не менее чем два часа, на якорной стоянке и у причалов, заходящие во внутренние водные пути, за исключением судов, следующих транзитом Мраморным, Эгейским и Черным морями, а также проливами Босфор и Дарданеллы; – не более 1,5 % – эта норма распространяется в территориальных водах Турции на пассажирские суда, осуществляющие регулярные пассажирские перевозки.

Временные границы перехода судов на низкосернистое топливо не определены, но рекомендуется, чтобы такой переход осуществлялся в разумные сроки как можно раньше, а переход обратно – как можно позже.

В октябре 2016 года на 70-й сессии Комитета по защите морской среды ИМО, комитет большинством голосов принял решение о сохранении даты вступления в силу требования по содержанию серы, не превышающем 0,5 % по массе, с 1 января 2020 года, несмотря на: – отсутствие подтвержденной информации о готовности нефтеперерабатывающих заводов к замене и диверсификации 50 % мирового бункерного рынка; – подтвержденный дефицит топлива в ряде регионов и вероятность возникновения неравной конкуренции; – рост цен на топливо еще до даты вступления в силу требований; – прогнозируемое ISO возникновение проблем с использованием смесей (смешения тяжелого топлива и дистиллятов).

Анализ методов получения судовых низкосернистых дистиллятных топлив. Выбор и отработка методики обессеривания топлив

Для исследования влияния глубины гидроочистки на противоизносные свойства дизельных топлив в работах [8, 72, 109, 142, 159] были специально приготовлены образцы дизельного топлива с различными содержанием серы, составляющие 0,01–0,2 % масс. Топлива имели близкие значения показателям вязкости, плотности, содержания и состава ароматических углеводородов, что исключало влияние их на противоизносные свойства топлив. В результате было установлено, что с увеличением содержания серы с 0,01 до 0,5 % (улучшаются противоизносные свойства дизельных топлив в 1,2–1,5 раза (рис. 1.13). Рисунок 1.13 – Зависимость величины диаметра пятна износа от концентрации серы в ДТ

Исследования [8] показали, что на смазывающую способность топлив большое влияние оказывает их фракционный состав. С понижением 50 % и 96 %-ных точек перегонки топлив ДТ, она заметно увеличивается. Износ металла в низкосернистых ДТ с облегченным фракционным составом увеличивается в 3–4 раза по сравнению с летними ДТ с содержанием серы 0,05 %. Исследование кинематической вязкости топлив показало, что она сама по себе незначительно влияет на смазывающие свойства, так как ее значения зависят от фракционного состава нефтепродукта.

Однако, в работе [106] было установлено, что вязкость ДТ оказывает существенное влияние на износ металла. Так, с уменьшением вязкости топлива с 5,24 до 0,8 сСт, ДПИ увеличивается с 345 до 816 мкм (в 2,4 раза), а площадь пятна износа трущихся поверхностей возрастает в 5,5 раза. Вязкость играет важную роль при применении топлива в технике. Уменьшение ее значения ниже 2,5 сСт существенно ухудшает противоизносные свойства ДТ, что влечет за собой снижение надежности и ресурса топливной аппаратуры двигателей.

Таким образом, исследование низкосернистых дистиллятных топлив производства различных нефтеперерабатывающих заводов для транспортных двигателей колесной техники показало, что на их противоизносные свойства большое влияние оказывает не только содержание серы, но и фракционный состав, зависящий от температуры конца кипения топлива, а также его вязкость [8, 72, 115].

Все приведенные исследования касались только транспортных двигателей колесной техники. Применительно к судовому дистиллятному топливу также проводились подобного рода исследования, но полученные данные оказались весьма противоречивы.

Так, подразделение компании Lintec Testing Services Ltd, специализирующееся на тестировании топлива, участвовало в проекте по исследованию смазывающей способности судовых дистиллятных топлив [142]. С 2009 г. были проведены испытания смазывающей способности 182 проб морских дистиллятных топлив с низким содержанием серы на испытательной установке HFRR (high frequency reciprocating rig) по ASTM D 6079 «Топливо дизельное. Определение смазывающей способности на аппарате HFRR». Из них только восемь испытанных образцов показали значение ДПИ, превышающее 520 мкм. Этот предел установлен для этого показателя в стандарте на морские бункерные топлива ISO 8217: 2010 [144].

Как показано на рис. 1.14, из 14 исследованных образцов СДТ имели содержание серы свыше 1000 ppm. ДПИ этих 14 образцов не превышал 520 мкм, а самое низкое значение составляло 433 мкм (при содержании серы 0,35 %). В процессе испытаний также содействовали 58 видов топлива с содержанием серы больше чем 500 и менее 1000 ppm. Из этих топлив практически все значения ДПИ оказались ниже 520 мкм. Тем не менее, один образец имел ДПИ 520 мкм (при содержании серы 0,07 %), 6 других образцов имели ДПИ больше 460 мкм. Такой предел установлен для топлив класса Евро согласно ГОСТ 32511-2013, применяемых в транспортных двигателях. При рассмотрении 110 остальных видов топлив (содержание серы менее 500 ppm) восемь образцов имели значения ДПИ выше 520 мкм (7,2 %) и у 24 видов топлива ДПИ превышал 460 мкм (21,8 %).

Результаты совместного проекта Innospec – Lintec testing services показывают, что присутствует корреляция между смазывающей способностью и содержанием серы в дистиллятном топливе. Смазывающая способность СДТ зависит от степени его гидроочистки, для достижения требуемого содержания серы. Этот процесс нефтепереработки также удаляет полярные соединения из топлива, что приводит к снижению их естественной смазывающей способности.

Исследование влияния вязкости топлив в рамках этого проекта показало незначительную корреляцию между смазывающей способностью и вязкостью. Данные испытания представлены на рис. 1.15. Из 182 исследованных образцов 13 имели вязкость ниже 2 сСт. Из них только 3 образца имели значения ДПИ больше 520 мкм. Отмечено, что значение ДПИ более 520 мкм зафиксировано и у топлив, имеющих вязкость в диапазоне от 2,0 до 3,0 сСт. Рисунок 1.15 – Корреляция между вязкостью и смазывающей способностью топлива

Было бы справедливо полагать, что при снижении вязкости режим смазки будет изменяться из гидродинамического к смешанному, затем к граничному, где смазывающая способность резко подает. Однако, как отмечают авторы работы, это слишком упрощенное понимание процесса смазывания плунжерных пар топливной аппаратуры, так как помимо вязкости и содержания серы многие другие факторы участвуют в процессе смазывания прецизионных пар ТА. В результате авторы работы [142] сделали вывод о том, что влияние вязкости на смазывающую способность СДТ не было выявлено.

Однако существуют другие точки зрения на этот вопрос. Так, компания MAN Diesel &Turbo считает, что вязкость дистиллятного топлива оказывает одно из серьезных влияний на интенсивность изнашивания прецизионных пар топливной аппаратуры. Компания MAN Diesel &Turbo особо указывает на серьёзные проблемы, которые могут возникать у ТНВД, если вязкость топлива будет ниже 2 сСт [153]. Компания Wartsila солидарна в этом вопросе с компанией MAN Diesel &Turbo. Так, в зависимости от типа дизеля и конструкции ТНВД, она устанавливает ограничение на нижние значения этого параметра для СДТ. Причем в некоторых случаях минимальная допустимая величина вязкости составляет не менее 3 сСт. Минимальная вязкость топлива для дизелей Wartsila находится в интервале 1,8 3,0 сСт [148]. В табл. 1.5 представлены рекомендации компании для различных типов дизелей.

Wartsila 64 2,8 Sulzer S20 3,0 Sulzer Z40, ZA40,ZA40S 2,0 Проведены исследования смазывающей способности СДТ при различных температурных условиях. В работе [81] показано, что при увеличении температуры, а следовательно уменьшении вязкости топлива, величина ДПИ возрастает. Однако её рост зависит от содержания серы в топливе и исходной вязкости. Для маловязких низкосернистых топлив прирост ДПИ минимален и составляет всего 3,7 %. Для более высоких значений серы и вязкости влияние температуры оказывается более значительным и составляет ориентировочно 10 %.

Поэтому компания MAN Diesel &Turbo даже рекомендует установку дополнительного охладителя в топливной системе, для регулирования вязкости на входе в двигатель, чтобы она была не ниже 2 сСт перед ТНВД. На рис. 1.16 представлен пример такой системы топливоподготовки.

Модель взаимодействия прецизионных пар топливной аппаратуры при наличии органических ПАВ растительных масел

Коэффициент детерминации показывает долю вариации результативного признака, находящегося под воздействием изучаемых факторов, т. е. определяет, какая доля вариации признака у учтена в модели и обусловлена влиянием на него факторов. Чем ближе к 1, тем выше качество модели [37].

Оценка значимости уравнения регрессии в целом производится на основе F-критерия Фишера, которому предшествует дисперсионный анализ. Согласно основной идее дисперсионного анализа, общая сумма квадратов отклонений переменной у от среднего значения у раскладывается на две части -«объясненную» и «необъясненную» [123]: Е(у - у)2 = Е(ус -у)2 + Е(у - Уь)2 (2.16) где YSy -у)2 общая сумма квадратов отклонений; YSSt У)2 сумма квадратов отклонений, объясненная регрессией (или факторная сумма 12-ти квадратов отклонений); 2(у - yt)2 остаточная сумма квадратов отклонений, характеризующая влияние неучтенных в модели факторов. Схема дисперсионного анализа имеет вид, представленный в табл. 2.6 (п - число наблюдений, т -число параметров). Таблица 2.6 – Схема дисперсионного анализа

Определение дисперсии на одну степень свободы приводит дисперсии к сравнимому виду (напомним, что степени свободы – это числа, показывающие количество элементов варьирования, которые могут принимать произвольные значения, не изменяющие заданных характеристик). Сопоставляя факторную и остаточную дисперсии в расчете на одну степень свободы, получим величину F-критерия Фишера [107]: (2.17) Величина F-критерия в нелинейной парной регрессии связана с индексом детерминации (2.18) Фактическое значение частного F-критерия сравнивается с табличным FTa6j](a; кг) к2) при уровне значимости и числе степеней свободы: к\ = т и к2 = п-т-\. Вычисленное значение F-критерия признается достоверным, если оно больше табличного, т. е. Fрасч Fтабл. В этом случае выдвинутая гипотеза отклоняется и делается вывод о существенности статической связи между ДПИ и значениями содержания серы и вязкости. Если Fрасч Fтабл, то уравнение регрессии считается статически незначимым и связь между этими факторами и результатами отсутствует [107, 123].

Результаты расчета всех критериев адекватности для различных регрессионных моделей представлены в табл. 2.7 и приложениях (I-IV). Таблица 2.7 – Обобщенная характеристика математической модели Модель КоэффициентдетерминацииR2 СредняяошибкааппроксимацииА КритерийФишераF Степенная регрессионная модель 0,751 7,14 18,17 Показательная регрессионная модель 0,671 9,82 12,21 Экспоненциальная регрессионная модель 0,741 9,58 17,24 Полиноминальная регрессионная модель 0,856 4,39 35,66 Анализ данных табл. 2.7, показывает, что наиболее высокие значения показателей качества модели находятся у полиноминальной регрессионной модели. Так коэффициент детерминации R2 у нее составляет 0,856. Средняя ошибка аппроксимации этой экспериментальной модели равна 4,39 %, а критерий Фишера практически в 10 раз выше табличного. На основании этого можно делать заключение, что данная модель наиболее полно описывает связь между смазывающей способностью СДТ и его показателями – вязкостью и содержанием серы, поэтому она выбрана для дальнейшего исследования. Показатели качества остальных моделей, как это следует из табл. 2.7, значительно хуже [85].

Графическая иллюстрация поверхности отклика, по полученной нелинейной многофакторной экспериментальной регрессионной модели изменения величины ДПИ от S и , представлена на рис. 2.11. Полученная поверхность отклика позволяет определить значение ДПИ в любой точке выбранного факторного пространства.

Как видно из графика, значение ДПИ уменьшается с увеличением содержания серы и вязкости СДТ. Напротив, при уменьшении содержания серы или вязкости значение ДПИ увеличивается, т. е. ухудшается смазывающая способность топлива. Величина ДПИ значительно увеличивается, когда концентрация серы в СДТ меньше 0,05 % масс., а вязкость менее 2 сСт. В связи с этим при таком сочетании параметров необходимы специальные мероприятия для улучшения смазывающей способности НМДТ [85].

На основании полученной нелинейной регрессионной модели смазывающей способности СДТ можно оценить влияние величины и S на интенсивность изнашивания плунжерных пар ТА. Как следует из результатов выполненного моделирования, наибольшие влияние на величины ДПИ оказывает содержание серы. При ее снижении с 0,15 до 0,02 % интенсивность изнашивания значительно возрастает. Величина ДПИ увеличивается в 1,52 раза при фиксированном значении вязкости. В то же время ДПИ снижается в 1,14 раза при содержании серы в топливе, равном 0,02 % и увеличении вязкости с 1,5 до 6 сСт. Это не компенсирует смазывающей способности, обусловленной снижением содержания серы в СДТ, но тем не менее, за счет этого можно уменьшить величину износа деталей ТА. Поэтому в эксплуатации следует рекомендовать дополнительно проводить охлаждение топлива перед ТА, с тем, чтобы максимально увеличить значение СДТ [85].

Результаты триботехнических испытаний плунжерных пар топливных насосов на различных видах судовых дистиллятных топлив

Все ранее выполненные исследования влияния и S на трибологические характеристики судовых дистиллятных топлив были проведены лабораторными методами либо на четырехшариковой машине трения ЧМТ-1 [79–82, 115]. Кроме того, использован стандартизированный метод High Frequency Reciprocating Rig (HFRR- ГОСТ Р ИСО 12156-1-2006) [164]. Величина проти-воизносных свойств оценивались по диаметру пятна износа. Корреляция между этим показателем и скоростью изнашивания плунжерных пар ТНВД не установлена. Выяснено, что оценка смазывающей способности НМДТ, полученная в работах [82, 85], не дает однозначного ответа о влиянии значения вязкости и содержания серы в СДТ на величину ДПИ.

Для улучшения триботехнических свойств НМДТ эффективным является добавление растительного масла, например пальмового, что особенно актуально при эксплуатации судов в Юго-Восточной Азии, где оно широко распространено. Даже в небольших количествах (до 3 %) добавка позволяет значительно улучшить противоизносные свойства СДТ и при этом применение такого смесевого топлива практически не оказывает влияния на характер протекания рабочего процесса дизеля [76, 79].

Целью настоящей работы является оценка влияния и S CДТ на интенсивность изнашивания прецизионных пар топливной аппаратуры и установление корреляции между величиной ДПИ и скоростью изменении показателей, характеризующих износ плунжерных пар ТНВД судовых дизелей. Одно 114 временно поставлена задача оценить возможность улучшения триботехниче-ских свойств судовых НМДТ путем добавления ПМ, которое наиболее широко распространено в Юго-Восточной Азии.

В качестве объектов испытания выбрали судовые дистиллятные топлива с различными значениями вязкости и серы марки DMA (ГОСТ 32510-2013). Их основные физико-химические показатели приведены в табл. 4.1. Базовым топливом для сравнения являлось высокосернистое высоковязкое DMA (топливо № 1). Наименьшее значение вязкости 1,39 сСт при 40 С было у НМДТ (топливо № 2). Величина выбрана ниже значения установленного ГОСТ 32510-2013 по той причине, что при эксплуатации судов в тропических широтах температура топлива перед ТНВД достигает высоких значений (50-60 С). Это соответственно приводит к уменьшению v топлива. Необходима оценка влияния таких низких значений v на надежность работы плунжерных пар ТНВД. Топливо № 3 - низкосернистое, средневязкое DMA - позволяет выявить непосредственное влияние вязкости на интенсивность изнашивания плунжерных пар, а топливо № 4 - НМДТ с добавкой 3 % пальмового масла -дает возможность оценить эффективность воздействия растительного масла на улучшение смазывающей способности НМДТ.

Для проведения натурных испытаний с целью достижения поставленных задач был разработан и изготовлен специальный стенд на базе малоразмерно 115 го судового дизеля 2Ч8,5/11. Дизель 2Ч8,5/11 был отсоединен от дизель-генератора 2ДГ7У2, у него были демонтированы детали движения. Остальное оборудование: коленчатый и распределительный вал, элементы системы смазки и топливная аппаратура приводились в работу от электродвигателя. Частота вращения коленчатого вала натурного стенда составляла 1500 мин–1, как и у двигателя 2Ч8,5/11.

Методика проведения испытаний на натурном стенде предполагала следующую последовательность. При испытании рейка топливных насосов устанавливалась в положении номинальной цикловой подачи топлива. Длительность каждого цикла испытания составляла 25 ч. Один топливный насос всегда работал на базовом топливе, а второй на НМДТ. После каждого цикла испытаний плунжерные пары заменялись. Устанавливались новые, которые проходили обкатку в течение 5 ч. Затем ТНВД разбирали, тщательно промывали плунжеры растворителем Нефрас С2-80/120 (ГОСТ 443-76), доводили их до постоянного веса и взвешивали. Такую же процедуру выполняли и после окончания цикла испытаний. Износ плунжера определяли весовым способом, как разницу массы детали до и после испытаний [84]. Измерение массы плунжера осуществляли на аналитических весах 1 класса точности фирмы Shimadzu (Япония) модели AW-200 (зав. № D-432311332, свидетельство о поверке № 017104 от 10.08.2015-2016) с точностью измерения 0,1 мг. В процессе испытании температуру топлива поддерживали в диапазоне 25 ± 3 С.