CC BY
1264
УДК 621.89:621.431-729.3
В.Н. Даничкин
Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского 690059, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а
АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ЛУБРИКАТОРНОЙ СМАЗКИ КРЕЙЦКОПФНЫХ МАЛООБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Проанализированы различные схемы подачи цилиндровой смазки судовых малооборотных крейцкопфных дизелей. Сравнивались удельные расходы цилиндрового масла в различных схемах цилиндровой смазки от механических лубрикаторов до импульсных систем с электронным управлением. Приведена связь между удельным расходом цилиндрового масла, содержанием серы в топливе, фактическим состоянием цилиндровой втулки. Поставлены задачи по совершенствованию подачи цилиндрового масла на современном этапе.
Ключевые слова: лубрикатор, цилиндровое масло.
V.N. Danichkin
THE ANALYSIS OF MODERN SYSTEMS LUBRICATORS FOR GREASING OF CROSSHEAD LOW SPEED DIESEL ENGINES
Various schemes of giving of cylinder greasing ship low speed of crosshead diesel engines are analyses. In various schemes of cylinder greasing from mechanical lubrication to pulse systems specific expenses of cylinder oil were compared to electronic controls. Communication between the specific expenses of cylinder oil, the sulfur maintenance in fuel, an actual state of the cylinder plug is resulted. Tasks in view on perfection of giving of cylinder oil at the present stage.
Keywords: lubricators, cylinder oil.
Долгое время традиционным способом подачи цилиндрового масла на зеркало цилиндровой втулки были устройства, которые получили название механических лубрикаторов. Ведущие дизелестроительные компании пользовались услугами различных фирм поставщиков: MAN B&W - Hans Jensen, Sulzer - Bosh. Однако их конструкции принципиально отличались незначительно [1].
Лубрикаторы Hans Jensen применялись на двигателях MAN B&W до 2000 г. Давление масла в лубрикаторах Hans Jensen создавалось при помощи плунжеров (золотников) и на поверхность цилиндровой втулки подавалось через штуцеры (невозвратные клапаны) на маслораспределительные канавки специальной формы, способствующей более равномерному распределению масла по поверхности трения. Количество плунжерных пар в лубрикаторе равно количеству невозвратных клапанов в цилиндровой втулке. Для одного цилиндра количество штуцеров может быть от 4 до 8 и более в зависимости от диаметра цилиндровой втулки и особенностей конструкции системы подвода масла к цилиндрам. Конструкции штуцеров разнообразны. Расход цилиндрового масла в лубрикаторах Hans Jensen составлял 0,7-1,2 г/(кВт-ч) (рис. 1).
Лубрикаторы Bosh применялись в основном на двигателях Sulzer. Давление масла в лубрикаторах Bosh создавалось при помощи плунжеров (золотников), далее масло поступало через распределительные золотники к каплеуказателям, по которым оценивалась цикловая подача масла, и к штуцерам в цилиндровой втулке. Расход цилиндрового масла в лубрикаторах Bosh составлял 0,72-1,1 г/(кВт-ч) для двигателей RD и 0,67-0,94 г/(кВт-ч) - для двигателей RND.
1,3 —
1,1 —
0,9
0,7
0,0 0,0
24
1500 2500 3500 4500 5500 Наработка, ч
г
Рис. 1. Расход цилиндрового масла в двигателях MAN B&W c лубрикаторами Hans Jensen Fig. 1. The expense of cylinder oil in engines MAN B&W c lubricators Hans Jensen
Однако бурное развитие мирового судового дизелестроения за последние 20 лет внесло серьезные коррективы в организацию процессов цилиндровой смазки [2, 3].
Первыми, кто изменил свой подход к этому вопросу, стала компания Hans Jensen -один из мировых лидеров в разработке систем лубрикаторной смазки. Они, прежде всего, изменили способ подачи масла на зеркало цилиндра. Вместо традиционных штуцеров появились специальные устройства, получившие название «Swirl Injection Prinsiple» (SIP) (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная схема лубрикаторной системы HJ SIP Fig. 2. The Circuit diagram lubricators systems HJ SIP В системе цилиндровой смазки SIP применены специальные форсунки, распыливающие цилиндровое масло по всей окружности втулки цилиндра в верхней ее части. За счет хорошего распыливания и равномерного распределения цилиндрового масла по поверхности втулки цилиндра во время каждого цикла можно добиться
удовлетворительного состояния трущихся поверхностей, используя меньшее количество масла, в сравнении с обычной системой смазки. Каждая форсунка SIP имеет сопло, благодаря которому при определенном давлении в трубопроводе осуществляется распыл цилиндрового масла. Его излишки и утечки не попадают в цилиндр, а посредством возвратного трубопровода стекают в цистерну смазки. Давление открытия игольчатого клапана форсунки регулируется с помощью затяжки пружины.
Система SIP позволяет сократить расход цилиндровой смазки более чем на 60 % при отличном состоянии поверхности цилиндровой втулки и поршневых колец (рис. 3).
m
о
£0
0 п.
4
1
5
5
СІ
о
X
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
1 »Lt
Форсунка невозвратного клапана не имеет
Цилиндровая
втулка
цилиндро
с. 4. Схема установки инжекторов
вую втулку
16000 18000 20000 22000 2Ш04- me of aogtpNatic^^tjnjectqgooo
Время работы двигателя, ^ the cy|jnder p,ug
2
в
Рис. 3. График зависимости расхода цилиндрового масла от времени работы при модернизации масляной системы на двигателе 12RTA84C-UG Fig. 3. The schedule of dependence of the expense of cylinder oil from an operating time at modernization of oil system on the engine 12RTA84C-UG
Система SIP дает возможность сократить расходы на модернизацию системы цилиндровой смазки, заменив в ней только масляную форсунку, оставив остальные элементы системы.
Мировое дизелестроение по достоинству оценило разработку фирмы Hans Jensen. Многие двигатели морских судов были оборудованы или модернизированы путем установки системы цилиндровой смазки SIP.
Одновременно ведущие дизелестроительные корпорации работали над созданием собственных высокоэффективных систем лубрикаторной смазки цилиндропоршневых групп крейцкопфных малооборотных двигателей.
Первой в этом вопросе преуспела фирма MAN Diesel, которая разработала, успешно испытала и стала использовать на всех своих дизелях систему «Альфа-лубрикатор».
Фирма MAN Diesel с 2000 г. применяет альфа-лубрикаторы на двигателях серии МС.
В альфа-лубрикаторы масло поступает из системы гидропривода (около 200 бар) при помощи поршня к плунжерам, которые под большим давлением нагнетают масло к соответствующим форсункам, установленным в цилиндровых втулках взамен традиционных штуцеров (невозвратных клапанов). Форсунки распыливают масло на поверхности поршневых колец и втулок в момент, когда пакет поршневых колец прохо-
дит мимо форсунок при движении поршня от НМТ к ВМТ. Таким образом, масло равномерно распределяется по поверхностям трения, что значительно улучшает условия формирования надежной пленки масла на этих поверхностях, позволяя существенно сократить расход цилиндрового масла при хорошем состоянии поверхностей трения (рис. 4).
Управление альфа-лубрикатором электрическое (рис. 5). Система управления регулирует дозировку масла к содержанию серы в топливе (рис. 6).
Рис. 5. Принципиальная схема системы «Alpha-lubricator» Fig. 5. A system Circuit diagram «Alpha-lubricator»
Рис. 6. График зависимости дозировки масла от содержания серы Fig. 6. The schedule of dependence of a dosage of oil from the sulfur maintenance
Применение альфа-лубрикаторов и непосредственного впрыска масла на поверхность цилиндровой втулки позволило снизить расход цилиндрового масла, а также снизить содержание вредных выбросов в атмосферу по сравнению с применением механических лубрикаторов. Ниже указаны рекомендуемые фирмой-изготовителем расходы цилиндрового масла двигателей серии L и К-МС/МС-С, г/(кВт-ч): механический лубрикатор - 0,7-1,0; альфа-лубрикатор - 0,5-0,8.
Высокая экономичность и эффективность данной системы были подтверждены практикой эксплуатации. Снижение расхода цилиндрового масла было впечатляющим - на 40-50 % меньше того, что было при использовании механических лубрикаторов [4]. Если учесть, что цилиндровое масло составляет основную долю затрат на содержание деталей цилиндропоршневых групп крейцкопфных малооборотных двигателей (рис. 7), то совершенно очевидно стремление судовладельцев иметь более экономичные и эффективные системы лубрикаторной смазки.
Рис. 7. Диаграммы распределения затрат на ТО и Р деталей ЦПГ и цилиндровое масло: а - распределение финансовых затрат на ТО и Р деталей ЦПГ и цилиндровое масло двигателя 12К90МС при дозировке масла 0,5 г/(кВт-ч), системой «Альфа-лубрикатор». Суммарные годовые затраты составили 28,994 $; б - распределение финансовых затрат на ТО и Р деталей ЦПГ и цилиндровое масло двигателя 12К90МС при дозировке масла 0,8 г/(кВт-ч), используя механические лубрикаторы. Суммарные годовые затраты составили 38,257 $
Fig. 7. Diagrams of distribution of expenses for THAT and Р details piston and cylinder group oil: a - distribution of financial expenses to THAT and P details piston and cylinder oil of the engine 12K90MC at a dosage of oil 0,5 г/(кВт-ч), system "Alpha-lubricator". Total annual charges have made 28,994 $; b - distribution of financial expenses to THAT and Р details piston and cylinder oil of the engine 12К90МС at a dosage of oil 0,8 г/(кВт*ч), using mechanical lubricator.
Total annual charges have made 38,257$
Следом за фирмой MAN Diesel мировому сообществу презентовала свою разработку и фирма WARTSILA NSD. Она разработала и внедрила на дизелях серии RTA оригинальную систему, получившую название импульсной лубрикаторной системы смазки цилиндров «Petrofit Pulse Lubricating System»(PPLS) или (PLS). Принцип работы импульсной лубрикаторной системы смазки цилиндров заключается во впрыске точного количества цилиндрового масла в определенный момент времени под давлением исключительно в пакет поршневых колец и на юбку поршня, откуда масло равномерно распределяется по втулке цилиндра (рис. 8).
Рис. 8. Принципиальная схема «Retrofit Pulse Lubricating System»
Fig. 8. The Circuit diagram «Retrofit Pulse Lubricating System»
Основные элементы PLS:
- импульсный смазочный модуль, состоящий из дозирующего насоса с электронноуправляемым временем подачи;
- форсунки, до восьми в одном ряду, расположенные по диаметру цилиндровой втулки;
- фильтрующая и измерительная системы;
- вспомогательный привод подачи цилиндрового масла;
- система управления;
- два датчика угла поворота коленчатого вала, один из которых резервный.
Импульсный смазочный модуль для каждого цилиндра состоит из дозирующего
насоса, 4-ходового соленоидного клапана, датчика давления, управляющей электроники, гидроаккумулятора диафрагменного типа, собранных в один узел. Смазочный модуль подает очень точное количество цилиндрового масла с высокой скоростью к лубрикаторам в полной синхронизации с системой управления двигателя (рис. 9). В зависимости от нагрузки на цилиндр система управления двигателя посылает соответствующий сигнал на контролирующую электронику смазочного модуля, информируя ее о требующемся количестве смазочного масла.
Эффективность и экономичность данной системы также оказались достаточно высокими, о чем свидетельствуют результаты, приведенные на рис. 10.
Сигнал
Рис. 9. Принципиальная схема смазочного модуля Fig. 9. The Circuit diagram of the lubricant module
800 —i
600
400
200
0 L
Механические Импульсные
системы системы
Рис. 10. Диаграмма, отражающая затраты на цилиндровое масло Fig. 10. The diagram reflecting expenses for cylinder oil
Однако столь бурное развитие лубрикаторных систем смазки цилиндров крейцкопфных малооборотных дизелей одновременно поставило серьезные вопросы, связанные с безопасной эффективной и экономичной эксплуатацией деталей цилиндропоршневых групп этих дизелей.
Во-первых, традиционные рекомендации по выбору дозировки подачи цилиндрового масла на зеркало цилиндровой втулки [5, 6, 7] стали неактуальными. Новые рекомендации выглядят не очень конкретно (0,7-1,7 г/(кВт-ч)) [8].
Во-вторых, как показывает опыт работы испытательной лаборатории «Химмотология» МГУ им. адм. Г.И. Невельского, а также регулярные отчеты компании DNV Petroleum Servic [9] при бункеровке морских судов тяжелым топливом в различных портах мира содержание серы в топливах колеблется в достаточно широком диапазоне: от 1 % в портах Дальневосточного бассейна России до 4,5 % в европейских портах и США.
Общеизвестно, что при недостаточной для нейтрализации паров серной кислоты щелочности цилиндрового масла [9, 10] начинается интенсивная коррозия цилиндровой втулки в районе верхнего пояса при нахождении поршня в ВМТ. Избыточное же щелочное число цилиндрового масла приводит также к негативным последствиям вследствие полировки зеркала цилиндровой втулки [9, 10]. Положение усугубляется тем, что теперь в акватории Мирового океана появились зоны «Sea Emission Control Area» (SECA) [11, 12], география которых стремительно расширяется. В этих зонах суда должны сейчас работать на топливах с содержанием серы S < 1,5 %. Однако уже в ближайшем будущем требования ужесточатся (рис. 11).
Рис. 11. Требования зон SECA к содержанию серы в топливе Fig. ll. Requirements of zones SECA to the sulfur maintenance in fuel
Требование работы дизеля на малосернистом топливе вызвало появление на рынке цилиндровых масел с более низким значением щелочного числа, чем у традиционных лубрикаторных масел. Если существующий ассортимент цилиндровых масел, предлагаемый ведущими нефтяными корпорациями, имел щелочное число 70 мг КОН/г, то вновь предлагаемые продукты имеют 40 мг КОН/г или 50 мг КОН/г.
В настоящее время пока только компания MAN Diesel отреагировала на такое изменение конъюнктуры рынка. На рис. 12 представлены их рекомендации по дозировке цилиндрового масла при работе на топливе с различным содержанием серы в топливе и разным значением щелочного числа цилиндровых масел.
Учитывая не очень конкретные рекомендации по дозированию, обусловленные изменением конструкции лубрикаторных систем смазки, а теперь еще и различными сортами цилиндровых масел и содержанием серы в топливе, становится очевидным, что степень неопределенности с выбором удельного эффективного расхода цилиндрового масла существенно возрастает. По нашему мнению, еще более запутывает ситуацию одно из сервисных писем компании MAN Diesel [13], в котором эксплуатационникам дается следующая рекомендация: «Использование масла со щелочным числом 70 мг КОН/г при работе на низкосернистых топливах приводит к повышенным отложениям на поршне, что в свою очередь приводит к повышенному износу цилиндровой втулки. Уменьшение количества подаваемой в цилиндр смазки со щелочным числом 70 мг КОН/г приведет к уменьшению отложений на поршне, но будет препятствовать созданию необходимой масляной пленки на цилиндровой втулке, что в конечном итоге приведет к ее ускоренному износу».
1.70
1,(0
1.40
1.40
1,10
£
*
«3 iл %
О
5
О
|
4
= 0(0
0,00
" I / J* X
/*у
;
/А / х
J*
.! г^'‘
1 , ■ 1
: -Г-'-Г
■ : к е ' ■
!ЛЛ . ! L ...... .
0 1 I 2 3 4 S Sulphur %
Рис. 12. Зависимость расхода цилиндрового масла от содержания серы в топливе Fig. 12. Dependence of the expense of cylinder oil on the sulfur maintenance in fuel
S, %
4.5 4,03,5-1
з,оН
2.5 2,0'
1.5
1,0-
0,5-
0,1
Global
SECA
4.5->3,5->0,5
1.5—>1,0—>0,1
CARBMGO 1,5—>1,5—>0,1 CARBMGO 2,0—>0,5—>0,1
T~
CO
о
о
CN
'I —г—T"' T "'I-Г—Г"“Й-i“
Ю CO h~ 00 CD О T- CN
t-v-t- t-t-t-t-CNCN CN
ООО О О О О О О О
CNCNCN CNCNCNCNCNCN CN
CD О ч- CN СО
О т- тО О О О
CN CN CN CN
Рис. 13. Требования к качеству бункерного топлива по содержанию в нем серы Fig. 13. Requirements to quality of bunker fuel under the maintenance in it of sulfur
В этой связи наиболее эффективным способом обеспечения безопасной, эффективной и экологичной эксплуатации деталей цилиндропоршневых групп крейцкопфных малооборотных дизелей является контроль за показателями отработанного цилиндрового масла [14, 15, 16, 17].
В работе [14] указывается на то, что минимальное значение остаточного щелочного числа в отработанном цилиндровом масле должно быть не менее 27 мг КОН/г. Совершенно очевидно в свете сказанного выше, данная рекомендация носит очень ограниченный характер и пригодна разве что для высокосернистых тяжелых топлив. Она совершенно не учитывает структуру топливного баланса бункерного топлива, расширения зон SECA и ужесточения требований к качеству бункерного топлива по содержанию в нем серы (см. рис. 13).
Таким образом, можно констатировать, что требуются серьезные научные исследования взаимосвязи между параметрами отработанного цилиндрового масла и
интенсивностью изнашивания деталей цилиндропоршневых групп крейцкопфных малооборотных дизелей. Контроль параметров отработанного цилиндрового масла может стать важнейшим фактором в обеспечении безопасной эксплуатации цилиндропоршневых групп крейцкопфных малооборотных дизелей на современном этапе. Кстати, что весьма немаловажно, понимание необходимости корректировки работы альфа-лубрикаторов по результатам анализа «drain oil» предусмотрена кампанией MAN Diesel в конструкции этих устройств, однако пока отсутствуют какие-либо рекомендации, алгоритмы по использованию этой обратной связи.
Список литературы
1. Овсянников М.Н. Судовые дизельные установки [Текст] / М.Н. Овсянников, ВА. Петухов. - Л.: Судостроение, 1986. - 426 с.
2. Конкс r.A. Мировое судовое дизелестроение [Текст] / ГА. Конкс, ВА. Лашко. -М.: Машиностроение, 2005. - 512 с.
3. Возницкий И.В. Современные малооборотные двухтактные двигатели [Текст] / И.В. Возницкий. - СПб.: КСИ, 2006. - 121 с.
4. MAN B&W Diesel A/S List of Service Letters No. SL02-398/HRJ. January, 2002.
5. Кузьменко Г.В. Особенности дозировки цилиндрового масла в судовых малооборотных дизелях [Текст] / Г.В. Кузьменко, A.A. Панасенко // Проблемы транспорта Дальнего Востока: материалы седьмой междунар. науч.-практ. конф. 03-05 октября 2007 г.
- Владивосток: Дальневост. отделение Российской академии транспорта, 2007. - С. 8285.
6. РД 31.24.02.15-85. Двигатели «Зульцер» судовые малооборотные. Регулировка подачи цилиндрового масла. - Л., 1985. - 27 с.
7. MAN B&W Diesel A/S List of Service Letters No. SL90-261/OG. February, 1990.
8. MAN B&W Diesel A/S List of Service Letters No. SL90-417/HRJ. January, 2003.
9. Возницкий И.В. Практика использования морских топлив на судах [Текст] / И.В. Возницкий. - СПб.: КСИ, 2005. - 124 с.
10. Большаков В.Ф. Применение топлив и масел в судовых дизелях [Текст] / В.Ф. Большаков, Л.Г. Гинзбург. - М.: Транспорт, 1976. - 214 с.
11. MARPOL 73/78 Annex VI International Maritime Organisation, MP/CONF. 3/34. 28 October, 1997.
12. Исследование социально экономических последствий присоединения Российской Федерации к Протоколу Приложения VI Международной конвенции по предотвращению загрязнения с судов 1973 г. с изменениями 1978 г., вводящему в действие Правила предотвращения загрязнения с судов: отчет о НИР / Б.Н. Воробьев, A3. Надежкин. -Владивосток: МГУ, 2007. -146 с. Инв. № 85.1/105-04-2007.
13. MAN B&W Diesel A/S List of Service Letters: «MBD technical paper LOW SULFUR FUEL OPERATION».
14. Возницкий И.В. Практические рекомендации по смазке судовых дизелей [Текст] / И.В. Возницкий. - СПб.: КСИ, 2005. - 139 с.
15. Надежкин A3. Обеспечение ресурсосберегающей эксплуатации судовых малооборотных дизелей по показателям их отработанного цилиндрового масла / A3. Надежкин, В.Н. Даничкин // Научные проблемы транспорта Дальнего Востока: пленарные докл. шестой междунар. науч.-практ. конф. 3-5 октября 2007 г. - Владивосток: МГУ, 2007.
16. Надежкин A3. Управление техническим состоянием цилиндропоршневой группы судовых крейцкопфных дизелей по результатам трибомониторинга / A3. Надежкин, В.Н. Даничкин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2008. - № 1. - С. 210-212.
17. Надежкин А.В. Оценка влияния различных факторов на интенсивность изнашивания деталей цилиндропоршневой группы судовых крейцкопфных дизелей по данным трибомониторинга / А.В. Надежкин, В.Н. Даничкин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2008. - № 2. - С. 189-193.
Сведения об авторе: Даничкин Виталий Николаевич, старший преподаватель, e-mail: [email protected].
