Содержание к диссертации
Введение
1. ПРОБЛЕМА РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО МАСЛОИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СУДОВЫХ ТРОНКОВЬГХ ДИЗЕЛЯХ И ПУТИ ЕЕ РЕШЕНИЯ (СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ) .17
1.1. Новые методы повышения технико-эксплуатационных показателей форсированных дизелей средней и повышенной частоты вращения 17
1.2. Обобщение опыта маслоиспользования на судах и анализ его эффективности в тронковых дизелях 23
1.3. Обзор современных методов расчета старения и очистки моторного масла в двигателях внутреннего сгорания 37
» 1.4. Выводы. Цель и задачи исследований 46
2. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД - МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕГО МАСЛОИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ДИЗЕЛЯХ 53
2.1. Методология комплексного повышения эффективности маслоиспользования в двигателях внутреннего сгорания 53
2.2. Функциональная схема комплекса ДЭТМО при решении задач ресурсосберегающего маслоиспользования 63
2.3. Выводы ; 71
3. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ РЕСУРСО СБЕРЕГАЮЩЕГО МАСЛОИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СУДОВЫХ ДИЗЕЛЯХ СРЕДНЕЙ И ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ 72
3.1. Моделирование старения моторного масла при работе судовых тронковых дизелей на низкосортных топливах 72
3.2. Кинетика загрязнения и очистки моторного масла при использовании в системах смазки дизелей комбинированных маслоочистительных комплексов 90
3.3. Моделирование массодисперсного обмена нерастворимых продуктов старения масла в смазочных системах дизелей 97
3.4. Выводы 113
4. СТОХАСТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ МОТОРНОГО МАСЛА В ДВС ФИЛЬТРОВАНИЕМ 116
4.1. Решение на основе теории марковских процессов стохастических задач очистки ГСМ фильтрованием 116
4.2. Разработка волоконно-решетчатой модели фильтрования и оценка эффективности очистки моторного масла материалами с нерегулярной поровой структурой 136
4.3. Выводы 147
5. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПОЛЕ ГОРЮЧЕ-СМАЗОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ПОЛИДИСПЕРСНЫМ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕМ 149
5.1. Разработка стохастической модели очистки моторного масла в дизелях центрифугированием 149
5.2. Решение многомерных стохастических задач очистки горюче-смазочных материалов в центробежном поле 164
5.3. Выводы 177
6. РАЗРАБОТКА И МОТОРНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ МЕРОПРИЯТИЙ ПО СОКРАЩЕНИЮ РАСХОДА СМАЗОЧНОГО МАСЛА В СУДОВЫХ ТРОНКОВЫХ ДИЗЕЛЯХ 181
6.1. Исследование влияния угара моторного масла на его старение и состояние дизеля 182
6.2. Увеличение срока службы моторных масел в системах смазки форсированных дизелей. Браковочные показатели 209
6.3. Выводы 223
7. НОВЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАСЛОИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СУДОВЫХ ТРОНКОВЫХ ДИЗЕЛЯХ 227
7.1. Совершенствование и рациональное использование унифицированных моторных масел в судовых комплексах "дизель -топливо - масло" 228
7.2. Оценка эффективности использования в судовых тронковых дизелях модификаторов трения 252
7.3. Комбинированная очистка моторного масла в судовых тронковых дизелях: новые принципы, схемы очистки и конструкции МО, результаты испытаний 269
7.4. Выводы 301
8. КОМПЛЕКСНОЕ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МАСЛОИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СУДОВЫХ ФОРСИРОВАННЫХ ТРОНКОВЫХ ДИЗЕЛЯХ 306
8.1. Имитационное моделирование изнашивания дизеля со смазочной системой повышенной эффективности при его функционировании в составе комплекса ДЭТМО 307
8.2. Комплексное повышение эффективности маслоиспользования в СОД на судах Дальневосточного бассейна 324
8.3. Выводы 346
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ 352
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 358
ПРИЛОЖЕНИЕ 378
- Новые методы повышения технико-эксплуатационных показателей форсированных дизелей средней и повышенной частоты вращения
- Методология комплексного повышения эффективности маслоиспользования в двигателях внутреннего сгорания
- Моделирование старения моторного масла при работе судовых тронковых дизелей на низкосортных топливах
- Решение на основе теории марковских процессов стохастических задач очистки ГСМ фильтрованием
- Разработка стохастической модели очистки моторного масла в дизелях центрифугированием
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, їіо и весьма важна для обеспечения экономичной ресурсосберегающей эксплуатации судов транспортного и рыбодобывающего флотов.
Развитие двигателестроения выдвигает новые требования к ГСМ и системам их очистки. Форсировка дизелей по наддуву и частоте вращения, ис- пользование в подшипниках тонкостенных вкладышей, снижение маслооб-мена 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 эффекта.
Углубление переработки нефти сопровождается ухудшением качества товарных топлив, что приводит к понижению надежности работы и ресурсных показателей судовых дизелей при их эксплуатации на продуктах крекинг-процесса. При этом увеличивается интенсивность старения моторного масла (ММ), загрязнения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) углеродистыми отложениями и скорость изнашивания их основных деталей.
Большинство судовых ДВС до сих пор эксплуатируется 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 и 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 его 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 маслоисполь-
10 зование - один из способов ослабить влияние ухудшения качества топлива на экономические и ресурсные показатели ДВС.
В последние годы в связи с необходимостью экономии и рационального использования топливно-энергетических ресурсов, широким применением продуктов глубокой переработки нефти роль химмотологии в повышении эффективности функционирования системы ДЭТМО возросла [36, 73, 132, 211]. В условиях перехода России к высокоэффективной экономике необходимо было решать многие проблемы народного хозяйства на основе обобщения мирового опыта. Это в полной мере относится к проблеме маслоисполь-зования, решаемой рациональным сочетанием в ДВС топлив и масел, повышением моторных и эксплутационных свойств ММ, совершенствованием систем и агрегатов их тонкой очистки.
В данной работе осуществлен системный 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.
Комплексность подхода реализована в результате рассмотрения совместного влияния нововведений автора диссертации на дизель, оцениваемого через состояние ММ. Это тот индикатор, который указывает на хорошую сбалансированность разрабатываемых мероприятий с достижением наибольшего технико-экономического эффекта. Поэтому исследованием массо-дисперсного обмена (МДО) и абразивности нерастворимых примесей в ММ удалось на основе имитационного моделирования оценить влияние новых научно-технических решений по совершенствованию маслоиспользования на расход ММ, долговечность и ресурс ДВС.
Улучшение моторных свойств смазочного масла осуществлялось таким образом, чтобы нейтрализовались отрицательные последствия применения топ- лив ухудшенного качества. При этом сохранение нагаро- и лакообразования в дизеле на низком уровне не сопровождалось повышением интенсивности изнашивания его трибосопряжений. Улучшение моюще-диспергирующих характеристик ММ не должно вызывать значительного снижения эффективности работы предлагаемых комбинированных маслоочистительных комплексов (КМОК).
В результате использования разработок диссертанта угар масла в ДВС понижается до уровня, при котором не возникают задиры в цилиндро-поршневой группе (ЦПГ) и создаются условия, благоприятные для увеличения его срока службы. Повышение эффективности маслоиспользования на судах на основе системного подхода предусматривало реализацию новых научно-технических решений по СС с учетом взаимодействия звеньев ДЭТМО.
В научном плане Проблема рационального маслоиспользования решалась исследованием функционирования комплекса ДЭТМО при сжигании в среднеоборотных дизелях (СОД) разного уровня форсировки низкосортных топлив и применении унифицированных высокощелочных ММ, облагороженных мно->. .'; гофункциональными и направленного действия присадками. Высокоэффективный маслоочистительный комплекс (МОК) разрабатывался с учетом специфики загрязнения масла продуктами неполного сгорания тяжелых топлив,и карбонизации ММ с зольными присадками, повышенной чувствительности пар трения ДВС к абразивным частицам дисперсной фазы (ДФ) работающего масла.
Рассмотрено функционирование комплекса ДЭТМО при низком угаре масла. Браковочные показатели унифицированных ММ уточнены с учетом 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 массодисперсный обмен НРП кинетического взаимодействия его с основными звеньями рассматриваемой системы. На основе аппарата марковских процессов в стохастической постановке исследованы 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 системы тонкой очисти масла (СТОМ), полностью удовлетворяющие требованиям ДЭТМО, разрешающие характерные для существующих маслоочистителей (МО) противоречия и реализующие достоинства фильтрования и центрифугирования. В моделях учтены одновременность и стохастичность действия ситового отсева и адгезионного захвата с идентификацией седиментацію иной, адгезионной и химмотологической групп осаждения. В отличие от стоксовых представлений исследовано движение ансамбля частиц в возмущенном потоке с флуктуациями, вызываемы- -. ми пристенными эффектами, стесненностью осаждения, формой и концентрацией частиц, а также их броуновским движением и пульсациями потока.
Моделирование фильтрования и центрифугирования осуществлено совмещением детерминированного и случайного воздействия на ДФ с помощью уравнения Холмогорова - Фоккера - Планка. Предложено при 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, вызваемой накоплением отложений на фильтрующей перегородке и в роторе МО. Выведены зависимости сх, cn(i) для режима функционирования СС с периодическим доливом свежего масла для компенсации его угара.
Проведены моторные испытания СОД с системами смазки повышенной эффективности (ССПЭ). Исследовано влияние качества масла, средств очистки на изнашивание, нагаро- и лакообразование в дизеле. Показана резуль- тативность 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 8 г/(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 удаление 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 саморегенерирующегося 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 ГСМ и рационального использования топливно-энергетических ресурсов на транспорте Дальневосточного региона. Программа предусматривала разработку мероприятий по топливо- и маслосбережению в ДВС за счет использования многофункциональных присадок, МТ и водотопливных эмульсий, обеспечению путем комплексного повышения эффективности СС экономичной ресурсосберегающей эксплуатации дизелей на всех видах транспорта, включая морской.
Основные положения диссертационной работы получены при выполнении НИР в МГУ им. адм. Г. И. Невельского [48, 77, 153, 154, 169, 170, 171, 201]. Часть исследований проводилась при выполнении постановления научно-технического совета по двигателестроению, направленного на повышение экономичности отечественных ДВС по расходу масла на заводах дизеле-строительной отрасли и в эксплуатации на транспортных и рыбодобывающих судах [21, 67, 81]. Разработки по ресурсосберегающему маслоиспользованию в судовых тронковых дизелях вошли программу развитию морского машиностроения Приморского края на 2004-2010 гг. (постановление губернатора № 394 от 18.12.2003 г.).
Предметом защиты являются следующие основные результаты работы, определяющие ее научную и практическую ценность:
Универсальная модель комплекса ДЭТМО, позволяющая идентифицировать входящие в нее звенья, вести оценку соответствия их друг другу, осуществлять выбор ММ и МО и задавать угар масла, обеспечивающих ресурсосберегающее маслоиспользование на судах.
Методология системного решения проблемы ресурсосберегающего маслоиспользования в судовых тронковых дизелях.
Модели старения ММ в тронковых дизелях разного уровня форсиров-ки при использовании топлив широкого группового и фракционного составов, учитывающих влияние на этот процесс качества и угара масла, срабатывания присадок, переменной эффективности взаимодействующих агрегатов КМОК.
Кинетические уравнения старения ММ по загрязнению и срабатыванию присадок при непрерывном и периодическом его доливах в СС дизеля.
Уточненные стохастические ячеистая волоконно-решетчатая и ячеи-сто-решетчатая модели очистки масла фильтровальными материалами с нерегулярной поровой структурой, стохастические модели центрифугирования ММ аппаратами со сложной гидродинамикой потоков.
Аналитические зависимости для расчета эффективности комбинированной очистки ММ фильтрованием и центрифугировании с учетом зарастания пор фильтровального материала (ФМ) и накопления отложений в роторе центробежного очистителя.
Модель массодисперсного обмена нерастворимых продуктов в СС дизеля с оценкой их триботехнических свойств.
Имитационная модель изнашивания основных деталей дизеля при функционировании его в составе комплекса ДЭТМО.
Новые научно-технические решения по комплексному повышению эффективности маслоиспользования в тронковых дизелях: - композиции многофункциональных и специального назначения приса док к унифицированным ММ со сбалансированными нейтрализующими, моюще-диспергирующими и противоизносными свойствами, обеспечиваю щие масло- и ресурсосбережение и надежную роботу дизелей на низкосорт ных топливах; последовательно-параллельные схемы комбинированной очистки ММ, наиболее полно использующие достоинства фильтрования и центрифугирования; комплекс мероприятий по сокращению и длительной стабилизации угара масла на оптимальном уровне, увеличению срока службы и уменьшению общего расхода ММ в дизелях.
10. Результаты моторных стендовых и эксплуатационных испытаний су довых тронковых дизелей с ресурсосберегающим маслоиспользованием.
Экономический годовой эффект при эксплуатации судовых тронковых дизелей с ССПЭ составил 14 млн. руб. От рационального маслоиспользова- ния на судах Дальневосточного бассейна в 2004 г. удалось сэкономить более 2000 т ГСМ. Образцы новой техники по комплексному повышению эффективности маслоиспользования на транспорте экспонировались на различных, в том числе и международных, выставках и отмечены наградами [77, 154]. Разработки по рациональному маслоиспользованию в ДВС переданы на ди-зелестроительные заводы и морские пароходства для внедрения.
Научно-методической основой исследований послужили 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, В.Ф. Большакова, С. В, Венцеля, Л. Г. Гинзбурга, Л. И. Двойриса, В. Л. Лашхи, Ю. А. Микутенка, Э. М. Мохнаткина, О.А. Никифорова, К. К. Папок, В.Л. Певзнера, В. Д. Резникова, В. М. Школь-никова (по вопросам химмотологии моторных масел и использования их в ДВС); П. Б. Аратского, Б. Г. Лаврова, Л. И. Погодаева, В. Н. Половинкина, А. Ю. Шабанова (в области трибологии); 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, Н. А. Иващенко, В. А. Лаш-ко, О. Н. Лебедева, М. Г. Круглова, М. К. Овсянникова, Н. В. Петровского, 3. А. Хандова (по вопросам теории и эксплуатации ДВС и СДЭУ).
В данной работе под ресурсосберегающим подразумевается такое мас-лоиспользование, реализация которого способствует сокращению расхода ММ в дизелях, предусматривает комплексное повышение его эффективности, увеличению их надежности и ресурсных показателей при работе на тяжелых высоковязких топливах. Ресурсосберегающее маслоиспользование обеспечивается за счет разработки новых научно-технических решений.
Под комплексным понимается такое повышение эффективности масло-использования, при котором каждое из разрабатываемых мероприятий реализуется не индивидуально, вне связи с другими, а учитывается их взаимодействие, что позволяет полностью реализовать возможности, заложенные в смазочной системе ДВС.
Новые методы повышения технико-эксплуатационных показателей форсированных дизелей средней и повышенной частоты вращения
Расширение топливной базы ДВС предполагает применение в дизелях средней и повышенной частоты вращения тяжелых топлив, что усложняет функционирование их систем смазки. Углубление переработки нефти неизбежно сопровождается увеличением концентрации в топливах продуктов вторичных процессов. В последних содержится значительное количество нежелательных соединений, ухудшающих эксплуатацию дизельных двигателей. Этот недостаток характерен и для топлив, получаемых из альтернативного сырья. Приспособление дизелей к работе на топливах низкого качества с одновременным повышением надежности и экономичности их - важная народнохозяйственная задача.
Рост расхода ГСМ в ДВС при эксплуатации их на судах обусловлен главным образом несоответствием моторных свойств масел применяемому топливу и форсировке дизеля. В результате интенсифицируется изнашивание, что приводит к ухудшению рабочего процесса двигателя и увеличению угара масла [43, ПО]. Это сказывается на старении ММ, особенно его загрязнении и срабатывании присадок.
Большую роль в рациональном использовании энергоресурсов, повышении надежности и долговечности транспортной техники, увеличении ресурса ДВС, экономии металла, топлив и масел, снижения трудозатрат на техническое обслуживание играет новое научное направление - химмотология [115]. Она призвана решать теоретические и практические задачи рационального использования ГСМ в технике, в частности в ДВС [25, 134].
Название предложено К.К. Папок, образовано сочетанием слов "химия - мотор - логия"
Потери вследствие недооценки роли смазки, недостаточного качества масла и низкой эффективности его очистки ежегодно составляют 100 млрд руб. [39]. В результате изнашивания ДВС из-за плохой смазки суммарная потеря их мощности достигает 10-15 % или более 100 млн кВт. Многообразие процессов изнашивания и их тесная взаимосвязь с эффективностью систем маслоочистки и в целом комплекса ДЭТМО обуславливает необходимость комплексного подхода к борьбе с трением, коррозией и износом. Подсчитано, что каждый вложенный в эти направления рубль дает экономический эффект до 100 руб. [64].
В области применения триботехнических знаний, как отмечено в докладе Л. Джоста [39] возможна ежегодная экономия в размере 468-700 млн. фунтов стерлингов, причем на транспорт приходится 56 % от этой суммы.
Прямым и косвенным потерям энергии, вызванным трением и износом, а также экономии и рациональному использованию ГСМ на флоте пока еще не уделялось должного внимания. В МГУ им. адм. Г. И. Невельского разработана программа научно-исследовательских работ, направленных на " уменьшение износа ДВС на транспорте и экономию всех видов ресурсов [127]. В разработке и осуществлении этой программы большую роль играет -1 химмотология. Специалистами морского университета подсчитано, что потери от нерационального сочетания звеньев в комплексе ДЭТМО вследствие коррозийно-механического изнашивания и повышенного расхода топлив и масел только по Дальневосточному бассейну составляют более 120 млн долларов в год [77]. Причем около 30 % потерь приходится на долю тронковых дизелей.
Проблема качества ММ и рационального использования ГСМ имеет межотраслевое значение, поскольку возросла их роль при увеличении надежности, долговечности и экономичности техники, в том числе ДВС. Проблема эффективного маслоиспользования на судах приобрела особую остроту в связи с необходимостью экономии и рационального использования топливно-энергетических ресурсов на морском транспорте путем вовлечения продуктов глубокой переработки нефти и альтернативного сырья в товарные продукты.
При конвертировании судовых тронковых форсированных дизелей на низкосортные топлива необходимо особо тщательно подходить к подбору ММ. В большинстве случаев при использовании штатных СС сохранить заданные техническими условиями ресурсные показатели двигателей не удается. Требуется модернизация систем смазки и очистки ММ, так как интенсифицируется старение масла и его загрязнение продуктами неполного сгорания тяжелых топлив. Возрастает абразивность нерастворимых продуктов в масле, что обусловлено карбонизацией его углеводородов с образованием конгломератов, включающих зольные компоненты сработавшихся металло-содержащих присадок [115].
Методология комплексного повышения эффективности маслоиспользования в двигателях внутреннего сгорания
Системный подход к решению рассматриваемой проблемы обусловлен сложным взаимодействием звеньев комплекса ДЭТМО. Научно-технические разработки, направленные на повышение эффективности маслоиспользования в дизелях, не могут быть реализованы без учета особенностей конструкции и условий эксплуатации двигателя, качества применяемых ГСМ. Исследование взаимодействия элементов комплекса ДЭТМО позволяет решать широкий круг вопросов теоретического и практического характера при изучении действия многочисленных факторов на эффективность его функционирования.
Проблему маслоиспользования в судовых форсированных дизелях предлагается исследовать на основе методологии, способной поднять на новый, более высокий уровень эксплуатационные показатели ДВС по расходу ГСМ и ресурсу. При этом" предусматривается пересмотреть многие устаревшие представления по влиянию угара масла на его старение и о разделении сложных многофазных систем при очистке ММ в судовых условиях. Планируется разработка СС высокого технического уровня, способных повысить экономичность и надежность судовых тронковых дизелей, в том числе средней и повышенной частоты вращения, при конвертировании их на тяжелые нефтепродукты и сжигании топлив глубокой переработки нефти.
Методологический подход, проникающий в существующие связи звеньев комплекса ДЭТМО, познающий законы его развития и использующий эти знания для управления его эффективностью, условно может быть представлен схемой 2.1. Рассматриваемая пятизвенная система "дизель - эксплуатация - топливо - масло - очистка" представляет собой теоретическую модель связей реальности, составленной на основе гипотетических допущений и идеализации.
Структура связей в комплексе ДЭТМО такова, что каждое звено оказывает влияние на остальные, находясь в то же время в зависимости от них. Так как планировалось исследовать совместное влияние ММ и его очистки на эффективность комплекса, то звенья "масло" и "очистка" на рис. 2.1 спарены и их взаимодействие с другими составляющими системы представлено в объединенном виде.
В результате их объединения могут быть выявлены основные особенности влияния тандема "масло - очистка" на дизель, с которым они вступают во взаимодействие в процессе эксплуатации, обнаруживая себя своеобразно в этом действии.
Раскрытие сложных взаимосвязей между элементами пятизвенной системы позволяет решать теоретические и прикладные задачи по рациональному и эффективному применению ГСМ в тронковых форсированных дизелях. При этом важно добиться высокой приспособляемости ДВС к эксплуатации на топливах и маслах .экономически целесообразного качества. Оптимизация состава комплекса ДЭТМО позволяет достичь максимальной экономии топливно-энергетических ресурсов.
Многозвенная система ДЭТМО должна быть представлена моделью, позволяющей решать широкий круг вопросов теоретического и практического характера в совершенствовании СС дизеля при изучении действия многочисленных факторов на звенья "масло" и "очистка". Способствуя познанию законов взаимодействия звеньев, системный подход предполагает использование их для управления комплексом ДЭТМО.
Моделирование старения моторного масла при работе судовых тронковых дизелей на низкосортных топливах
Разработка научных основ ресурсосберегающего маслоиспользования невозможна без оценки старения масла и влияния этого процесса на состояние дизеля. Поэтому важнейшим моментом в исследовании функционирования СС дизеля является моделирование старения ее рабочего тела, каковым является моторное масло, легированное многофункциональными присадками.
Разработка эффективных методов маслоиспользования на судах предполагает моделирование старения ММ при его работе в дизелях и оценку влияния этого процесса на состояние двигателей. От накопления в масле продуктов его старения, внешнего загрязнения и срабатывания присадок в значительной мере зависят не только надежность дизеля, его ресурсные показатели, но и экономия нос гь, главным образом, по расходу ММ, который проявляется через угар и срок службы последнего.
Идентификация состояния ММ по мере его использования в ДВС необходима также для определения соответствия звеньев системы ДЭТМО друг другу и нахождения условий, при которых масло может быть долгоработаю-щим, т.е. его использование возможно без смены. Большую роль в ресурсосберегающем маслоиспользовании играет качество масла, обусловленное функциональными свойствами присадок, которыми оно легируется, и применяемыми средствами очистки [117,143, 153].
Для обеспечения экономичной ресурсосберегающей эксплуатации ДВС масло и средства его очистки должны быть подобраны с учетом форсировки, технического состояния и режимов работы дизеля, качества применяемого топлива. Индикатором соответствия этих звеньев друг другу, как уже отмечалось, могут служить показатели работающего масла. Поэтому очень важно уметь рассчитать старение ММ с учетом качества топлива. Оправдана также необходимость рассмотрения кинетики старения ММ при его использовании в ДВС, когда долив масла проводится периодически. Имеет смысл рассмотреть старение масла при переменной интенсивности его очистки. В очистителях с разными принципами действия этот процесс протекает по-разному: у фильтров эффективность очистки по мере накопления отложений на ФЭ растет, а у центрифуг - падает.
К недостаткам существующих кинетических уравнений старения смазочного масла относится игнорирование составляющей баланса, вызываемой угаром масла или принятия ее пропорциональной скорости угара и концентрации в масле НРП [51]. Иногда вообще не учитывают удаление продуктов старения, в том числе, при угаре масла и некоторыми средствами его очистки [128]. Во всех случаях это ведет к большим погрешностям определения текущего состояния масла по основным направлениям его старения.
Анализ кинетики основных направлений старения ММ показывает, что ее можно описать одним дифференциальным уравнением материального баланса продуктов окисления и срабатывания присадок. Решение уравнения не вызывает затруднений.
Решение на основе теории марковских процессов стохастических задач очистки ГСМ фильтрованием
Целью теоретического исследования фильтрования является идентификация поровой структуры и моделирование задерживающей способности современных ФМ, Предусматривается решение задач фильтрования сложных пол и дисперсных гетерогенных систем, каковым является работающее в дизеле ММ, загрязненное продуктами его старения, неполного сгорания топлива, износа двигателя и поступающими извне механическими примесями.
Сложность разделения многофазных ДС, используемых в ДВС, обусловлена действием диспергирующих и стабилизирующих присадок, образованием на частицах загрязнений сольватной оболочки из поверхностно-активных веществ, состоящих из смол, оксикислот и асфальтенов. Из-за нагрева масла в нем развиты диффузионные и электрокинетические явления, обусловленные мелко дисперсностью НРП и присутствием в масле моюще-диспергирующих присадок и продуктов старения с высокой полярной активностью. Перечисленные факторы усложняют осаждение, так как влияют на механизмы отсева и дисперсный состав нерастворимых примесей в масле. Развитые в ММ диффузионные явления и флуктуация скорости осаждения частиц ДФ указывают на необходимость стохастического подхода к оценке эффективности фильтрования.
Предусматривалась разработка таких моделей, которые можно было бы использовать не только для оценки эффективности.фильтрования масла, но приспособить их для конструирования ФМ, ФЭ и фильтров, полностью удовлетворяющих требованиям комплекса ДЭТМО и учитывающих специфику загрязнения масла НРП. Предполагалось построение моделей фильтрования, которые в дальнейшем могли быть использованы для проектирования КМОК и оптимизации их состава, оценки эффективности СТОМ и решения задач высших ступеней иерархии функционирования комплекса ДЭТМО.
Важно было разработать не только точно описывающие процессы очистки модели фильтрования, но и на их основе вывести зависимости для упрощенных расчетов МО. В отличие от существующих подходов предполагается учитывать вероятностную природу процесса фильтрования, в том числе обусловливаемую накоплением отложений в поровой структуре ФМ.
Твердая фаза при фильтровании ММ поровыми структурами осаждается в основном под действием гидродинамических факторов и внешних сил. Вследствие особенностей ДФ масла, как уже отмечалось, целесообразен учет диффузионных и электрокинетических явлений, влияющих на отсев нерастворимых частиц. Кроме того, при определении эффективности адгезионного захвата следует принимать во внимание молекулярные и поверхностные силы.
Осаждение частиц исследовали путем составления векторного уравнения равновесия основных сил, приложенных к твердой частице, находящейся в потоке вязкой несжигаемой жидкости. Гидродинамическую обстановку при движении коллоидной среды через поровую структуру описывали с использованием тензорного анализа [12,151]. Стесненное движение НРП в поровой структуре рассматривали с учетом пристенных эффектов, а также зависимости взаимодействия частиц от концентрации и состава ДФ [67, 128].
Основными задерживающими механизмами отфильтровывайия ДФ из ММ считаются механическое зацепление (ситовый отсев) и адгезионный захват (эффект касания). В первом случае частицы задерживаются за счет того, что ее габариты не превышают размеры пор ФМ, во втором - из-за действия седиментации, молекулярных и поверхностных сил.
На ситовый отсев вследствие его вероятностной природы значительное влияние оказывают распределение пор по размерам и дисперсный состав загрязнителя. Для оценки эффективности данного механизма отсева используют статистические методы [70, 118]. При этом вероятность попадания частицы в пору конкретного размера принимают пропорциональной потоку. Диаметр поры и размер частиц полагают непрерывно распределенной случайной величиной.
Разработка стохастической модели очистки моторного масла в дизелях центрифугированием
При расчете эффективности очистки ММ в ДВС центрифугированием важно учесть стохастические явления, которые наблюдаются при воздействии на ДФ центробежного поля в период прохождения суспензии через ротор ЦО. Особенностью рассматриваемого подхода является привлечение для математического описания разделительных процессов представлений и аппарата случайных марковских процессов, который был реализован в п. 4.1 при оценке эффективности фильтрования. Учитывая, что путь, проходимый частицей в радиальном направлении в центробежном поле, несоизмерим с размерами ее, приняли взаимодействие частиц, стесненность их движения и пристенные вязкостные эффекты при осаждении учитывать не сложными соотношениями [60, 67, 128], как это было реализовано при моделировании фильтрования, а эмпирическими зависимостями,
Предлагается сопротивление движению частицы рассчитывать по формулам Стокса с коррекцией на стесненность движения, пристенные эффекты и форму реальных частиц. Рассмотрено квазистационарное движение частиц в центробежном поле. Случайная составляющая радиальной скорости частицы может быть вызвана турбулентными пульсациями, местными завихрениями потока при его входе в ротор и выходе из него, ограниченностью пространства. Флуктуации скорости ДФ обусловлены также объединением частиц при столкновении и разрушением вторичных образований вследствие действия гидродинамических факторов.
Новизна подхода состоит также в том, что при расчете движения частицы в центробежном поле учтено совокупное влияние всех выше перечисленных факторов на ее осаждение. Действие случайных факторов идентифицировано исходя из конкретного исполнения центрифуг с напорным сливом, разработанных для двухконтурных комбинированных СТОМ форсированных тронковых дизелей. Кроме того, учтено влияние заполнения ротора ЦО отложениями, которое бесспорно сказывается на эффективности очистки.
Схема осаждения частиц в роторе центрифуг с напорным сливом (рис. 5.1), которые находят широкое распространение на судах, показывает, что отвод жидкости Qn на гидрореактивный привод ротора осуществляется из его нижней части. Осевая скорость масла в роторе ЦО определяется, в основном, потоком очищаемой жидкости Qa. Под действием центробежной силы частица при движении в потоке смещается к периферии ротора и, прилипая к его стенке, задерживается в нем. Осветленная жидкость поступает к потребителю из верхней части ротора через его внутренний патрубок.
