Введение к работе
Актуальность проблежы. В судовой энергетике наблюдается тенденция к расширению применения дизелей в качестве главных и вспомогательннх двигателей. Как показывают исследования, и в перспективе двигатели внутреннего сгорания (ЛВС) останутся ведущим типом привода для транспортных установок, что объясняется их высокой экономичностью, надежностью и возможностью использования тяжелых остаточных топлив.
Важнейшая роль в энергетическом потенциале страны принадлежит нефти. Вследствие того что природные запасы ее ограниченны, а потребность в продуктах из нефти непрерывно растет, исключительное значение приобретают экономия и рациональное применение в технике горюче-смазочных материалов (ГСМ). Углубление переработки нефти сопровождается увеличением концентрации в топливах компонентов вторичных процессов, в которых содержится значительное количество соединений, ухудшающих эксплуатацию судовых дизельных энергетических установок (СДЗУ).
При использовании топлив глубокой переработки нефти возрастают загрязнение и абразивность нерастворимых продуктов (НРП) масла, что интенсифицирует его старение и изнашивание двигателя. С повышением наддува, цилиндровой и агрегатной мощности вследствие роста механической и тепловой напряженности усиливается чувствительность ДВС к качеству очистки моторного масла (ММ).
Применение в дизелях топлив ухудшенного качества возможно за счет совершенствования системы (комплекса) "дизель - эксплуатация - топливо - масло - очистка" (ДЭТМО). При этом рост эффективности очистки является наиболее результативным и дешевым способом обеспечения экономичной ресурсосохраняющей эксплуатации ДВС. Исследования маслоочисти-тельного комплекса (МОК), выполненные в отрыве от ДЭТМО, приводят к рутинным разработкам ограниченной перспективы. Решение проблемы очистки ММ в дизелях и создание новых маслоочистителеЯ (МО) и систем тонкой очистки масла (СТОМ) высокого технического уровня требует системного подхода. Распространенный ныне эмпирический метод идентификации разделительных процессов для этой цели не пригоден, так как не отражает их физической сущности, не учитывает многофазность дисперсных систем (ДС), стохастичность массообменных процессов в системе смазки (СС) ДВС.
В научном плане актуальность рассматриваемой проблемы обусловлена потребностью системного исследования и комплексного повышения эффективности МОК в составе системы ДЭТМО, в практическом - необходимостью нейтрализовать последствия сжигания низкосортных топлив и обеспечить высокие экономичность и ресурс конвертируемых на них ДВС.
Цель работы - повысить экономичность, ресурс и, следовательно, ре зультативность эксплуатации судовых ЛВС на низкосортных и альтернатив ных топливах за счет системного решения проблемы очистки ММ. Предус матривались моделирование МОК в составе системы ДЭТМО и разработка ос нов комплексного повышения эффективности тонкой очистки ММ в СДЭУ В работе осуществлено системное решение научной проблемы очистки ММ судовых дизелях, имеющей важное народнохозяйственное значение. Он направлено на экономию топливно-энергетических ресурсов на морско флоте, применение в СДЭУ альтернативных и глубокой переработки нефт тошшв и рост надежности и ресурса ДВС.
На обсуждение выносятся и являюпся предлетол защиты основные резу льтаты работы, определяющие ее научную и практическую ценность:
-
Физические (ячеистая, структурно-капиллярная, волокнисто-решет чатая) и математические модели очистки ГСМ фильтрованием и центрифуги рованием. Численные методы идентификации разделения сложных многофаз ных систем с полидисперсной нерастворимой фазой.
-
Способы и схемы математического моделирования разделительных процессов рабочих сред ДВС, отличающиеся полной идентификацией влияю щих на осаждение дисперсной фазы (ДФ) сил, моментов и пристенных эф фектов с учетом действия адгезионного захвата и ситоеого отсева, спе цифики ДС, локальности и поля скоростей потоков в МО, флуктуации пр: стесненном движении и вторичном уносе частиц.
-
Стохастические модели (СМ) очистки ММ, в которых на основе ап парата марковских процессов обьединены с системным подходом детермини-рованные и случайные воздействия на ДФ при идентификации ее осаадени: в центробежном поле и в процессе фильтрования.
-
Кинетические модели многослойного фильтрования, учитывающие совокупное действие всех механизмов, адгезионной, седиментационной і химмотологической групп отсева, а также зарастание отложениями и блокировку частицами поровой структуры фильтровальных материалов (ФМ) пр: переменных характеристиках ДФ.
-
Результаты системного исследования ДЭТМО:
методика-оценки разделяемости дизельных ДС и адгезионной активности ДФ;
модели загрязнения и триботехнических свойств НРП масла с учетом форсировки, технического состояния и условий эксплуатации ДВС, качества применяемых ГСМ;
методология и результаты идентификации массо-дисперсного обмен; (МДО) нерастворимых примесей в СС ДВС при переменной интенсивное очистки масла;
имитационная модель' (ММ) изнашивания основних деталей судовых ггизелей, учитывающая интенсивность, качественно-количественные показатели загрязнения и кинетику очистки ММ;
обобщенная модель рассматриваемой энергохиммотологической систе-гемы с разними СТОМ и МОК.
6. Итоги исследований и новые научно-технические решения комплекс
ного повышения эффективности очистки ММ в судовых дизелях:
методы управления качеством очистки и конструирования МО, выбора оптимальных состава и параметров МОК:
принципы интенсификации фильтрования и центрифугирования ММ и регенерации'фильтрующих элементов (ФЭ), повышения эффективности функционирования систем очистки масла (СОМ);
полнопоточные и комбинированные маслоочистительные комплексы, (КМОК), ФЭ и фильтры многоцелевого назначения (ФМЦН);
эффективные СОМ с длительным сроком службы ФЭ и периодом необслуживаемой работы МО;
результаты исследований МОК в ДВС с определением влияния очистителей на состояние масла и изнашивание двигателя.
7. Системное решение проблемы очистки Ш в автоматизированных СДЭУ
с форсированными ДВС:
основы теории, модели регенерации и управления эффективностью самоочищающихся фильтров (СОФ);
модель функциоїшрования комбинированных и самоочищающихся МОК в составе системы ДЭТМО;
новые тканые ФМ и ФЭ с оптимальной задерживающей способностью и максимальной регенерируемостью;
самоочищающиеся фильтровальные установки (ФУ) и автоматизированные СТОМ (АСТОМ) высокой автономности с длительным сроком необслуживаемой работы и повышенной эффективности.
8. Результаты моторных стендовых и эксплуатационных испытаний оп
тимизированных КМОК последнего поколения и реализации новых методов
очистки ММ на судах.
Методика исследования процессов загрязнения, очистки и старения ММ, ВДО в ДВС, взаимодействия абразивюй ДФ с нарами трения и моторной эффективности в дизелях МОК сочетает в себе раї четно-теоретические и экспериментальные метода. Решение проблемы очис.ки ММ в СДЭУ и разработку МО и СТОМ высокого технического уровня, удовлетворяющих требованиям дизелестроения, осуществляли на основе си .'.ємного подхода. Методология его не допускает вести исследование V }', изолированно в отрыве от системы ДЭТМО.
Стохастичность процессов загрязнения и очистки масла, а также изнашивания дизеля учтена путем перевода их в разряд марковских и использования в. расчетах имитационного моделирования и метода статистических испытаний (метод Монте-Карло). Модели тканых фильтровых сеток (ФС) сложного переплетения с высокими регенерируемостьга и эффективностью очистки созданы на базе дифференциальной геометрии.
Стохастическое моделирование СОМ выполнено численными, в частности сеточными методами, простыми в программировании-и обеспечивающими безусловную устойчивость и консервативность расчета очистки. При этом широко использовали конечно-разностную схему на основе метода переменных направлений с центральными разностями. Краевую задачу разделения многофазных гетерогенных ДС в аппаратах со сложной гидродинамикой решали методом сеток по симметричной схеме Кранка - Никольсона. Для однородных краевых условий одно- и двумерных моделей разделения использовали метод Фаэдо - Галеркина. Функционироваїше МОК и в целом системы ДЭТМО оптимизировали методами неклассического вариационного исчисления.
В экспериментах применяли электронную измерительную аппаратуру высокой точности. Рабочий процесс ЛВС контролировали диагностическим комплексом NK-5 фирмы Autronica. Метрологическое обеспечение опытов осуществляли измерительными системами фирм Bruel & Кіаег и Disa-Elec-tronika. Автоматизированную оценку эффективности и качества очистки ГСМ вели на базе оптико-телевизионного конструкции ДВГМА измерительного комплекса со встроенной ПЭВМ. Дополнительно для этой цели применяли электронную микроскопию, феррографию, голографию, лазерную нефелометрию, центрифугирование. Моторную эффективность МОК определяли по методике ЦНЩЩ (ОСТ 24.060.09-79) с замером износа с помощью искусственных баз (приборы УПОИ-6, УПОИВ-2) и эмиссионной спектроскопии. Старение масла при работе различных МО оценивали методами хроматографии, диализа, фотометрии и инфракрасной спектроскопии.
Характеристики и закономерность процессов выявляли путем статистической обработки опытных данных на ЭВМ. При этом широко использовали теорию,планирования эксперимента, корреляционный и регрессионный анализ. Судовые эксперименты осуществляли под наблюдением Инспекции Регистра СССР.
Научная новизна роботи состоит в системном решении проблемы очистки ММ в судовых дизелях, заключающемся в исследовании МОК не изолированно, а в составе ДЭТМО: с учетом стохастического и переменного по времени взаимодействия звеньев рассматриваемой энергохиммотологической системы, нацеленности моделирования не только на идентификацию разделительных процессов, но и на формирование СОМ, удовлетворяющей требо-
ванилм конвертирования ДВС на низкосортные топлива. В итоге разработаны методы управления очисткой ММ и конструирования МО, полностью разрешающих характерные для СОМ противоречия и соответствующих ДЭТМО.
Новизна в исследовании разделения сложных многофазных ДС заключается в совместном рассмотрении и объединении на стохастической основе с использованием аппарата марковских процессов разных по принципу действия методов очистки, в учете специфики загрязнения ММ, полидисперсности ДФ и кинетических свойств дисперсиошюй среды, обусловленных старением масла, срабатыванием присадок и функционированием системы ДЭТМО в целом. Взаимодействие частиц с фильтровальными структурами и поведение их в центробежном поле идентифицированы при переменных отсеве и отфуговании ДФ вследствие зарастания и блокировки пор Ш и накопления отложений в центробежном очистителе (ЦО).
Новый результат в теории очистки и регенерации достигнут путем:
исследования осаждения ансамбля частиц в возмущенном потоке с флуктуациями, вызываемыми пристенными эффектами, стесненностью движения формой и концентрацией частиц и турбулентными пульсациями;
учета действующих на ДФ сил и моментов, специфики дизельных ДС, локальности и поля скоростей потока в МО;
совмещения ситового и инерционного отсева с адгезионным захватом идентификацией механического зацепления, инерционной, седиментацион-ной, адгезионной и химмотологической групп осаждения;
моделирования сложной гидродинамической обстановки в объеме аппарата очистки с рассмотрением действия на частицы не только центробежной, но и кориолисовой силы;
математического описания гидродинамического воздействия на частицы, вызывающего разблокирование пор, разрушение осадка, взвешивание и унос ДФ из капилляров, с учетом массовых, гидродинамических и адге-зионных сил, вероятностной природы уноса и пульсаций промывного потока
Реализация системности в исследованиях и получение новых результатов обусловлены:
идентификацией в условиях стохастичности МДО в СС ДВС и действия на него звеньев системы ДЭТМО при переменных загрязнении и очистке ММ;
построением регрессионных уравнений скорости и триботехнических свойств продуктов загрязнения масла в зависимости от качества применяемых ГСМ, технического уровня, форсировки и режимов двигателя;
имитационным моделированием взаимодействия твердой фазы ММ с деталями трибосопряжений и изнашивания ДВС с учетом эффективности МОК;
моделированием КМОК в составе системы ДЭТМО с учетом особенностей ее функциоштрования и состава.
Практическая ценность разработанных кинетических моделей очистки, МДО и взаимодействия НРП ММ с деталями трибосопряжений ДВС заключается в возможности идентифицировать функционирование системы ДЭТМО еще на стадии проектирования, прогнозировать ее эффективность при использовании разных ГСМ, обосновать требования к ММ, выбрать состав и параметры МОК, удовлетворяющие уровню форсировки и условиям эксплуатации дизеля.
Системное решение рассматриваемой проблемы в прикладном аспекте вылилось в разработку основ комплексного повышения эффективности очистки ММ при форсировании и конвертировании дизелей на альтернативные и глубокой переработки нефти топлива:
выявлены характерные для действующих очистительных комплексов СОМ противоречия и найдены методы их разрешения, определены условия, при которых возможности предложенных способов разделения используются наиболее полно;
созданы методы повышения эффективности ФМ за счет управления их поровой структурой и на их основе материалы с высокими качеством очистки и регенерируемостью;
разработаны методы управления отсевом для придания многофункциональности или избирательности действию МО и обоснованы главные направления интенсификации очистки ММ;
сформулированы принципы и показаны способы комбинированной очистки масла, наиболее полно реализующие достоинства фильтрования и центрифугирования ;
разработаны базовые, в том числе автоматизированные, СТОМ с КМОК, обеспечивающие надежную защиту ДВС от абразивного изнашивания, минимальный расход ФЭ и длительный срок службы ММ;
предложены методы интенсификации регенерации-ФЭ и на их основе разработаны СОФ и автоматизированные СТОМ высокого функционального уровня.
Численным моделированием системы ДЭТМО исследовано соответствие ее звеньев друг другу в перспективных СДЭУ, выявлено влияние на ДВС ухудшения качества топлив, обосновано повышение ресурса и экономичности дизелей, оптимизированы состав, параметры и периодичность обслуживания МОК.
С использованием стохастической теории разделения, моделей загрязнения, очистки ММ и МДО в СС дизелей созданы полнопоточные, в том числе автоматизированные, СТОМ повышенной эффективности, оснащенные разработанными ДВГМА МОК комбинированного и самоочищающегося типов. Очистительные комплексы снабжены полнопоточными и многоцелевого назначения ФЭ с высокими функциональными характеристиками. Для автоматическо-
го управления качеством очистки ММ в ДВС предложена схема адаптивного регулирования данного процесса и создан самонастраивающийся поисковый регулятор.
Реализация результатов роботи. Представленные к защите научные положения и новые решения одобрены межведомственным научно-техническим советом по двигателестроению при ГКНТ СССР (протокол от 24 февраля 1982 г.) и рекомендованы для использования в НИИ", КБ, на заводах дизё-лестроителыюй отрасли и в эксплуатирующих ДВС организациях министерств морского, речного флота и рыбного хозяйства. Реализуемые на транспорте разработки по эффективной очистке ММ в ДВС: СТОМ, КМОК, ФМВД, СОФ, ФЭ и ФМ, а также наиболее результативные способы разделения сложных многофазных ДС и регенерации элементов защищены авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
Конструкторская документация по главным научно-техническим решениям передана заинтересованным организациям для освоения производства эффективных МО и применения в дизелях СОМ нового поколения. Разработки по КМОК используют на заводах "Дальдизель" (Хабаровск), МЗ им. 25 Октября (Первомайск) при создании форсированных дизелей с высоким наддувом. Двигатели многих дизелестроительных заводов, в частности КТЗ (Коломна), Трансмаш (Барнаул), ПО "Звезда" (Санкт-Петербург) и зарубежного производства, находящиеся в эксплуатации, переоборудованы на полнопоточную и комбшшровашіую тонкую очистку ММ. БерМЗ (Берислав) и Дальзаводом (Владивосток) изготовлены опытные партии СОФ трех модифи-кациий. Они прошли межведомственные испытания на заводах и судах и рекомендованы к серийному выпуску.
Научные разработки докторанта используют исследовательские и про-ектно-конструкторские организации дизельного профиля, морского, железнодорожного и автомобильного транспорта, ' а .также химмотологические центры СНГ для повышения эффективности систем ДЭТМО с разными двигателями при конвертировании ДВС на тяжелые и альтернативные топлива. Дальневосточные отделешія РАН и PAT применяют модели, полученные при решении рассматриваемой проблемы, для улучшения структуры топливно-энергетического баланса Тихоокеанского региона и разработки ресурсосо-храняющих экологически чистых технологий эксплуатации тепловых двига-атолей. Решение рассматриваемой проблемы способствует сокращению расхода ГСМ, позволяет использовать в СДЭУ низкосортные топлива. .
Подтвержденный годовой экономический эффект от частичной реализации результатов работы и изобретений докторанта на судах Дальневосточного бассейна и в дизелестроении в ценах 1990 г. составил II9S тыс. рублей.
Апробация работы осуществлялась на всесоюзных конференциях и семи-минарах: "Проблемы создания и использования двигателей с высоким наддувом" (Харьков, ХПИ, июнь 1979 г.), "Перспективы развития комбинированных ДВС и двигателей новых схем и топлив" (Москва, МВТУ им. Н.Э.Баумана, сентябрь 1980 г.); "Рабочие процессы в ДВС" (Москва, МАДО, февраль 1982 г.); "Проблемы повышения эффективности использования трудовых ресурсов в судоремонте" (Ленинград, НТО им. акад. А.Н. Крылова, март 1982 г.); "Химмотология - теория и практика рационального использования горючих и смазочных материалов" (Москва, МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, май 1982 г.); "Теория и практика рационального использования горючих и смазочных материалов в технике" (Челябинск, ЧФ ПАТИ, май 1983, 1985, 1987 и 1989 гг.); "Промышленная чистота рабочей жидкости гидросистем и фильтрация" (Челябинск, ЧФ НАГИ, октябрь 1983 г.); "Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей" (Ленинград, ЛСХИ, январь 1985 г., март 1990 г., июнь 1992 г.); "Развитие дизельных двигателей, топливной аппаратуры и повышение эксплуатационной экономичности" (Ленинград, ЦНИДИ - ЩШТА, июль 1985 г.); "Проблемы экономии энергоресурсов и использование альтернативных топлив в судовых дизельных и турбинных установках" (Ленинград, НТО им. акад. А.Н. Крылова, октябрь 1985 г.); "Проблемы совершенствования рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания" (Москва, МАДИ, февраль 1986 г.); "Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания" (Киров, КОХИ, май 1988г.); "Проблемы энергетики транспорта" (Москва, АН СССР, ноябрь 1988 г.).
Кроме того, содержание работы поэтапно докладывалось на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДВГМА им. адм. Г.И. Невельского (І97І-І992 гг.), заседаниях секции "Горюче-смазочные материалы и охлаждающие жидкости" ГКНТ СССР.
Основные научно-технические разработки диссертации экспонировались на многих всесоюзных и мезкдународішх выставках и удостоены диплома первой степени, золотой, трех серебряных и восьми бронзовых медалей ВДНХ СССР. Разработки по а.с. 948179 и І04ІІ28 потентуются за рубежом.
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в двух тематических выпусках, трех учебных пособиях, ПО статьях, 25 научно-технических отчетах по НИР, депонированных во ВНТИЦ, и защищены 42-мя авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.
Объел и структура работы. Диссертацию составляют введение, восемь глав, заключение, список использованной литературы из 515 наименований, приложение (книга 2) на 358 страницах. Основная часть работы содержит 340 страниц машинописного текста, 108 рисунков и 24 таблицы.
