CC BY
167
УДК 621.431.74-729.3
П.П. Кича, Дальрыбвтуз; Н.Н. Таращан, А.В. Голенищев,
МГУ им. адм. Г.И. Невельского, Владивосток
КОМБИНИРОВАННОЕ ФИЛЬТРОВАНИЕ - ЭФФЕКТИВНЫЙ МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ТОНКОЙ ОЧИСТКИ МОТОРНОГО МАСЛА В СУДОВЫХ ДИЗЕЛЯХ
Излагаются результаты исследований по повышению
эффективности тонкой очистки моторного масла в ДВС комбинированным фильтрованием. Приводятся схемы включения
комбинированных фильтрующих элементов и фильтров в смазочную систему дизеля. Показаны преимущества и перспективы
использования в судовых дизелях для очистки моторного масла комбинированного фильтрования.
Улучшение качества очистки масла при полнопоточном фильтровании за счет уменьшения тонкости и увеличения полноты отсева вступает в противоречие с гидравлическим сопротивлением фильтра, что снижает надежность защиты пар трения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) от попадания крупных абразивных частиц. В этом случае при пуске и работе на холодном масле
предохранительный клапан фильтра тонкой очистки масла полнопоточного (ФТОМП) открывается чаще и на более продолжительное время, в результате чего долговечность подшипниковых узлов двигателя уменьшается. Кроме того, снижение показателя тонкости отсева сокращает срок службы фильтрующих элементов и увеличивает эксплуатационные расходы на маслоочистку.
Цель проводимых нами исследований, основные результаты которых излагаются в данной статье, предусматривает разработку новых принципов очистки масла в ДВС комбинированным фильтрованием с обеспечением полной защиты пар трения от попадания крупных частиц механических примесей и поддержанием на низком безопасном уровне загрязнения масла нерастворимыми продуктами. Предложенные методы очистки масла состоят в использовании в системе смазки двух и более фильтрующих перегородок с придачей каждой из них специфических свойств, характеристик, режимов работы и разграничением их функций.
Разработка требований к качеству очистки масла в ДВС, исследование загрязнения масла нерастворимыми продуктами, раскрытие механизма фильтрования с учетом основных факторов, действующих на данный процесс, послужили базой для создания систем комбинированной тонкой очистки моторного масла фильтрованием.
Очистка предусматривает использование комбинированных систем, фильтров и элементов. В системах комбинированию подлежат
агрегаты очистки, в фильтрах - элементы, в элементах - фильтрующие перегородки.
Возможно двойное комбинирование. Разные фильтрующие элементы (ФЭ) могут устанавливаться в отдельных очистителях, совмещаться в одном агрегате и быть составными (комбинированными).
Шторы, элементы, фильтры при комбинированной очистке масла находятся в сложной гидравлической связи между собой и с системой смазки. Принципиально важен способ подключения их к системе смазки: полнопоточно, т.е. с фильтрованием всего потока масла, поступающего в распределитель и далее - в пары трения; частичнопоточно - с очисткой части масла и сбросом в картер или присоединением к основному потоку. Возможна частично- и полнопоточная (комбинированная) схема очистки.
На рис. 1 показаны способы подключения фильтров (ФЭ и их штор) к системе смазки двигателя. Для ограничения потока масла через частичнопоточные фильтры, элементы (шторы) предусмотрен дроссель. Регулировочный клапан (рис. 1, в) автоматически вводит в процесс фильтрования вспомогательный элемент при тяжелых (критических) режимах работы основного.
Разработка фильтрующих элементов для комбинированной тонкой очистки масла в дизелях базировалась на изобретениях [1-5]. Для дизелей мощностью 20-4000 кВт предложены пять типоразмеров элементов емкостью 0,6-10,2 дм3.
При создании типоразмерного ряда масляных сменных фильтрующих элементов использовался ГОСТ 22858-97. Для комбинированной очистки масла рекомендуются элементы полнопоточные (ЭП), частичнопоточные (ЭЧ) и комбинированные (ЭПК, ЭК). ЭПК (элемент полнопоточный, комбинированный) [1, 2] работает в системе смазки по схеме г (рис. 1). Частично- и полнопоточная очистка масла ЭК [3] осуществляется по схеме д (рис. 1).
Основные размеры и характеристики элементов приведены в работе [5]. Там же указаны формы укладки фильтрующих перегородок и материалы. В элементах поверхностные фильтровальные материалы сформированы в виде многолучевой звезды (код такой формы укладки 1). Для улучшения гидравлической характеристики элементов многолучевая звезда изготовлялась с гребенчатыми вставками или подложкой. Эти фильтрующие перегородки обозначены соответственно 1В и 1П. Штора в виде многолучевой звезды с поперечными складками оптимизирована [4, 5]. Ее применение закодировано цифрой 4.
В табл. 1 приведены характеристики фильтровальных материалов, рекомендованных к использованию при комбинированной очистке масла. В основном это листовые материалы толщиной 0,42-0,98 мм с тонкостью отсева 5-60 мкм. Для их изготовления применяются натуральные и синтетические волокна, скрепляемые латексом, поливинилацетатной эмульсией и другими клеящими составами.
Бумаги для фильтрования масла (БФМ) формуются мокрым способом, остальные материалы - сухим.
В материалах типа ФМ (ОФМ) [5] используются как грубые, толщиной 60-120 мкм при длине 15-35 мм, так и тонкие, 9-25 мкм, волокна. Поровая структура таких материалов неоднородна.
На рис. 2 приведены фильтровальные характеристики современных материалов для комбинированной очистки моторного масла в ДВС. Анализ и оптимизация зависимости фракционного коэффициента отсева да от размера б частиц показали, что для полнопоточных элементов она должна быть крутой, для частичнопоточных - пологой. При совместном использовании элементов 2 или 4 с 3 достигаются высокие показатели качества очистки масла от тонкодисперсной фазы нерастворимых загрязнений и грязеемкости при хорошей гидравлической характеристике ЭП, что надежно защищает узлы трения ДВС от крупных частиц в течение длительного времени. В комбинированных фильтрах для ЭП желательно применять материал с регулярной поровой структурой, в котором используются однородные одинаковой толщины волокна, ориентированные в плоскости листа [5].
Сочетание элементов 1 и 3 наиболее эффективно при значительном поступлении в масло механических примесей размерами выше
5 мкм. Расположенные в правой части рис. 2 гистограммы показывают, как соотносятся интенсивности очистки от нерастворимых в бензине (НРБ) продуктов и грязеемкости ЭП, ЭЧ одинаковых габаритных размеров при работе в системах смазки форсированные дизелей, использующих масла группы Г2.
Эффективность ЭПК подробно изложена в работе [5]. При их применении происходит саморегулирование потоков масла через шторы с разной поровой структурой, что в конечном итоге улучшает очистку масла от НРБ и гидравлику ЭПК. Однако более полно возможности мелкопористого материала могут быть реализованы только в элементах, которые к системе смазки подключаются безопасно.
24
10
11
Рис. 1. Схемы включения очистителей в систему смазки двигателя при комбинированном фильтровании масла: а - комбинированная система очистки масла с ЭП и ЭЧ; б, в - системы очистки с комбинированными фильтрами; г, д - системы с ЭПК и ЭК; 1 - масляный насос; 2 - ЭП; 3 - ЭЧ; 4 - главная магистраль; 5 - картер двигателя;
6 - маслоприемник; 7 - перепускной клапан; 8 - дроссель; 9 - комбинированный фильтрующий элемент;
10 - вспомогательный фильтрующий элемент; 11 - регулирующий клапан
б
а
в
24
Таблица 1
Фильтровальные материалы для комбинированной очистки моторного масла в ДВС
Фильтрующий материал, область применения Тип материала Толщина , мм Тонкость очистки, мкм Максимальн ый размер пор, мкм Пористо сть, % Удельная пропускная способность, м/ч Коэффицие нт отсева**,
Для полнопоточного Поверхност
комбинированного фильтрования ный
масла: 0,92 25 83 86 22 33
КФМ-25* 0,69 40 90 87 51 9
КФМ-40 0,50 35 113 69 57 13
НКФМ-35 0,42 45 140 81 100 4
ДРКБ-45 0,70 40 128 83 108 6
БМ-40 0,50 45 140 80 134 5
БМ-45 0,55 30 128 75 65 12
МФ-30 0,98 35 126 77 52 11
МФ-35
Для частичнопоточного Объемный
фильтрования масла в
комбинированных системах
очистки: 1,80 10 31 89 14 79
КФМ-10 0,70 20 58 76 18 46
НКФМ-20*** 0,42 10 40 87 12 75
БМ-10 0,47 15 52 85 17 52
БМ-15 4 35 118 83 13 71
ФМ-35 4 60 152 86 28 34
ФМ-60 - 5 - 87 - 98
ОФМ-5
* В условном обозначении фильтровального материала число указывает величину тонкости отсева, определенную по
ГОСТ 14146-69.
** Приводится для кварцевого загрязнителя с удельной поверхностью 1,05 м2/г (ГОСТ 8002-74).
24
Рис. 2. Зависимость коэффициента отсева от размеров частиц загрязнений масла и характеристики эффективности различных фильтровальных материалов: 1, 2, 4 - фильтрующие ЭЧ; 3 - ЭП
Типоразмеры и основные параметры ФМК (фильтров масляных комбинированных), разработанных для дизелей мощностью свыше 100 кВт, приведены в работах [5, 6]. В системе смазки фильтры подключаются по схеме б (см. рис. 1). В ФМК-2/1 - 2ФМК-12/8 используются фильтрующие элементы типа ЭП-6,4 и ЭЧ-6,4 в количестве 2-12. Полный поток обрабатывают один-восемь элементов. Прокачка масла через них может составлять 7,5-60 м3/ч.
Регулирование (ограничение) потока масла через ЭЧ
осуществляется для условий достижения ими максимальной грязеемкости. Начальная пропускная способность ЭЧ-6,4 устанавливается 0,1-1 м3/ч. Нижний предел соответствует применению объемного материала ОФМ-5, верхний - поверхностного НКФМ-20. Соотношение между числом ЭЧ и ЭП в комбинированных
маслоочистителях составляет 1:2, 1:1 и 2:1, что позволяет
удовлетворить потребности систем смазки ДВС с любыми характеристиками масла и параметрами его старения.
При удельной скорости загрязнения масла НРБ продуктами ниже
0,02 и выше 0,05 г/(кВтч) используются комбинированные фильтры соответственно с заниженным и завышенным числом ЭЧ. В диапазоне скоростей 0,03-0,04 г/(кВтч) числа ЭЧ и ЭП в ФМК одинаковы.
Окончательно типоразмер фильтра выбирается исходя из характеристик дизеля, системы смазки и применяемых масел по результатам расчета поверхности полнопоточной фильтрации.
Моторная проверка эффективности комбинированного фильтрования масла осуществлялась в судовых форсированных среднеоборотных двигателях 5ВАН22 и 8ВАН22 (5ЧН22/32 и 8ЧН22/32; Ре = 220 и
350 кВт; п = 8,3 с-1; рте = 0,87 МПа), 5А25 (5ЧН25/30; Ре = 430 кВт; п = 12,5 с-1; рте = 0,94 МПа) фирмы «Зульцер». Эксперимент проводился также в дизелях 5Т23НН и 8Т23НН (5ЧН22,5/30 и 8ЧН22,5/30; Ре = 460 и 735 кВт; п = 12,5 с-1; рте = 1,23 МПа) с повышенным наддувом фирмы «Бурмейстер и Вайн».
Двигатели работали на дизельном Л-0,5 (ГОСТ 305-73) и моторном ДТ (ГОСТ 1667-68) топливах. Содержание серы в них соответствовало
0,32-0,47 и 0,96-1,12 %. В системе смазки использовались
отечественные М-10В2 (МРТУ 38 101-278-72), М-10Г2(цс) (ТУ 38 101548-75) и зарубежное Мобилгард-312 моторные масла. Начальная щелочность их находилась в пределах 5,2-12,1 мг КОН/г масла. Ей соответствовала сульфатная зольность 0,62-1,6 %.
Подбор ДВС для испытаний осуществлялся таким образом, чтобы можно было сопоставить эффективность комбинированных фильтров с показателями лучших современных маслоочистителей, являющихся штатными в системах смазки рассматриваемых двигателей. Сравнение осуществлялось с полнопоточным самоочищающимся фильтром (СОФ) S-6 Скаматик (размер щелей 30 мкм), ФТО ^С типа НDU 38/100 (тонкость отсева 2 мкм), работающим совместно с фильтром грубой очистки (ФГО) пластинчато-щелевого типа (толщина промежуточных пластин - 0,1 мм).
Представляет интерес сравнение ФМП и ФМК в условиях использования масла со средними и высокими диспергирующими свойствами при повышенной скорости его загрязнения нерастворимыми продуктами. В маслоочистителях ФМП-2 и ФМП-4 применялись фильтрующие элементы «Нарва-6-4». ЭК заряжались элементами ЭП-6,4-4 и ЭЧ-6,4-1 [5] из материала БМ-40 и БМ-15, выпускаемые ООО «Приско-Экофил».
Судовой эксперимент проводился по методике, изложенной в работе [6], основные результаты которого приведены в табл. 2. Параметры качества масла и коэффициент очистки указаны к моменту отработки маслом 2 тыс. ч. Показатели по износу и нагаро- и лакообразованию определены за 4 тыс.ч работы дизелей.
Анализ состояния масла при включении в систему смазки ФТОМП, штатных и комбинированных фильтров показал более глубокую его очистку агрегатами ФМК. Концентрация НРБ продуктов (ГОСТ 2068495) как общих, так и зольных во всех случаях, кроме варианта с НDU 38/100, при использовании комбинированных фильтров была в 1,23-
1,78 раза ниже, чем при применении штатных и ФТОМП. Максимальный уровень накопления нерастворимых примесей в масле дизеля 8Т23НН при штатной и опытной системах очистки примерно одинаков.
24
Моторная эффективность очистки масла комбинированным фильтрованием
Показатели Типы дизелей и маслоочистителей
5ВАН22 8ВАН22 5А25 5Т23НН 8Т23НН
ФМП-2 ФМК-3/1 ФМП-4 ФМК-4/2 ФМП-4 ФМК-6/3 Скамат ик Э-6 ФМК-4/2 ФТО і-юи 38/100 ФМК-6/3
Концентрация в масле НРБ продуктов, %: общих зольных 1,2 0,23 0,8 0,14 1,6 0,36 1,3 0,21 1,5 0,24 1,1 0,17 1,2 0,32 0,9 0,18 1,2 0,22 1,3 0,24
Интенсивность очистки масла от НРБ, г/ч: общих зольных 29 53 175 203 33 65 117 280 40 101 212 374 12 29 149 316 204 377 123 234
Периодичность обслуживания маслоочистителей, ч 686 519 928 862 753 884 500 1133 3000 1543
Трудоемкость обслуживания системы очистки, чел. ч/1000 ч 0,4-0,5 0,8-1 0,6-0,8 0,7-0,9 0,8-1 0,9-1,2 2-3 0,4-0,6 3-4 0,5-0,8
Скорость изнашивания поршневых колец, г/1000 ч 4,1 2,8 4,3 2,5 6,2 3,5 4,9 2,9 3,1 3,6
Скорость изнашивания цилиндровых втулок, мкм/1000 ч 6,4 4,6 7,2 4,6 8,6 5,7 7,9 4,5 8,2 8,5
Скорость изнашивания вкладышей подшипников, мкм/1000 ч 7,8 6,1 8,9 5,8 12,9 6,6 8,3 7,7 11,5 7,8
Нагаро- и лакообразование на поршнях, баллы 6,9 4,5 4,2 4,0 5,3 4,8 5,1 4,3 3,2 3,6
Применяемые топлива и масла Л-0,5; М-10 В2 Л-0,5; М-10 В2 ДТ; М-10 Г2(цс) ДТ; М-10 Г2(цс) Л-0,5; Мобил- гард- 312 Л-0,5; Мобил- гард- 312 Л-0,5; М-10 Г2(цс) Л-0,5; М-10 Г2(цс) ДТ; Мобил- гард- 312 ДТ; Мобил- гард- 312
Наибольший эффект в снижении общего загрязнения при комбинированном фильтровании масла получен в дизеле 5ВАН22 при работе на масле M-10В2 со средними моюще-диспергирующими свойствами за счет усиления роли частичнопоточного режима очистки путем использования фильтра ФMК-3/1 с двумя ЭЧ. По зольным нерастворимым продуктам аналогичный результат достигнут при применении масла
M-1О Г2 (цс) и топлива ДГ.
Интенсивность очистки масла ФMК во всех дизелях, за исключением 8T23НН, где штатным является фильтр сверхтонкой очистки, самая высокая. У комбинированных маслоочистителей этот показатель выше в 3,6-6 по сравнению с ФTOMП и в 10,9-12,5 раза по сравнению с S-6 Скаматик. СОФ плохо задерживает мелкодиспергированные частицы нерастворимых примесей. Интенсивность очистки масла от НРБ продуктов фильтром S-6 Скаматик самая низкая. По этому показателю ФMК-6/3 уступает НDU 3в/100. Наибольшее снижение концентрации зольных нерастворимых примесей в масле наблюдалось после перехода с самоочищающегося на комбинированный фильтр.
Сравнение коэффициентов очистки подтверждает следующую расстановку фильтров по интенсивности удаления из масла нерастворимых продуктов: НDU - ФMК - ФMП - Скаматик. Значения их сильно зависят от моюще-диспергирующих и стабилизирующих свойств масла. За 2 тыс. ч фильтрования масла M-10В2 коэффициент очистки ФMК-3/1 повышается до 60 %. При очистке комбинированным фильтром масел с лучшими детергентами этот показатель для об,
щих и зольных НРБ находится на уровне 12,3-24,6 и 21,1-45,5 %. Использование штатных очистителей и ФMП дает результат 1,5-33,2 %.
Срок службы фильтрующих элементов в полнопоточных и комбинированных маслоочистителях примерно одинаков и в среднем составлял 519-1543 ч. Фильтрация масла в ФMК ЭЧ с более высокими скоростями не привела к значительному снижению срока их службы вследствие перераспределения части «грязевой» нагрузки на ЭЧ. Последние менялись одновременно с ЭП-6,4-4.
Tрyдоемкость обслуживания ФПК несколько выше, чем ФMП. Испытания показали, что обслуживание фильтров со сменными фильтрующими элементами в дизелях мощностью до 1000 кВт по сравнению с самоочищающимися менее трудоемко - в 3,3-7,5 раза. Затраты на обслуживание систем очистки, включающих ФГО пластинчато-щелевого типа со скребками и ЭЧ большой емкости, такие же, как и для СОФ.
Сравнение скоростей изнашивания деталей ДВС с разными системами маслоочистки показало преимущество ЭК. Наибольшее снижение износа деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) от использования ФMК зафиксировано в дизеле 5T23НН, наименьшее - в
5ВАН22. В среднем, за исключением данных по объекту 8Т23НН, оно составляло 30,5-42 %. Уменьшение интенсивности изнашивания деталей кривошипно-шатунного механизма (КШМ) выражалось в меньшей степени - в 1,1-1,65 раза.
Анализ результатов эксперимента показал, что снижение уровня загрязнения масла общими и зольными НРБ продуктами в значительной мере сказывается на износе поршневых колец и цилиндровых втулок. Проникновение в пары трения ДВС большого числа крупных частиц механических примесей оказывает влияние в первую очередь на долговечность коленчатого вала и его подшипников. Доказательством служит сопоставление качества очистки масла и износов в дизелях типа ЧН22,5/30.
Фильтр Э-6 Скаматик полностью защищает пары трения двигателя 5Т23НН от попадания частиц диаметром более 30 мкм, НDU 380/100 качественно очищает масло от мелкодиспергированных нерастворимых примесей. Эффект от использования комбинированного фильтра, сочетающего оба достоинства, существенно проявляется в снижении износа деталей ЦПГ и КШМ в сравнении соответственно с СОФ и фильтром СиС.
В дальнейшем комбинированное фильтрование масла в ДВС будет совершенствоваться в основном за счет улучшения характеристик фильтрующих элементов. Многие направления повышения эффективности комбинированной очистки могут реализовываться не только путем совершенствования элементов, но и конструкции фильтров и систем очистки. Будущее за комплексным повышением эффективности очистки масла в ДВС комбинированным фильтрованием.
Анализ результатов моторных испытаний комбинированных фильтров показал рациональность более глубокой очистки масла от мелкодисперсной абразивной фазы зольных нерастворимых загрязнений. Это особенно важно при использовании в форсированных ДВС моторного и тяжелого топлив, масел М-10Г2(цс) и Мобилгард-312. Наиболее полно очищают масло от этих продуктов ЭЧ. Износ деталей двигателей при комбинированной очистке масла М-10В2 по сравнению с ФТОМП снижается менее заметно. Однако при этом, как видно по двигателю 5ВАН22, более чем в полтора раза уменьшается нагаро- и лакообразование на поршнях.
Перспективные пути улучшения показателей эффективности ЭК показаны на рис. 3. Они состоят в оптимизации характеристик материалов, элементов и саморегулирования процесса фильтрования с учетом начальных свойств и кинетики старения моторного масла. При этом принимаются во внимание режимы и условия использования масла, параметры системы смазки и двигателя. Конструктивное совершенствование элементов предусматривает унификацию их с тем, чтобы они были универсальны и удовлетворительно функционировали
в ДВС разного назначения как при использовании минеральных, так и синтетических масел.
24
Рис. 3. Пути улучшения основных характеристик ЭК тонкой очистки масла в ДВС
Из рассмотренного материала можно сделать следующие выводы:
1. Предложены методология и комплекс разработок для совершенствования тонкой очистки масла в дизелях комбинированным фильтрованием. На этой основе созданы типоразмерные ряды комбинированных фильтров и фильтрующих элементов высокой эффективности, намечены пути их развития. В разработанных конструкциях за счет применения новых материалов, изменения геометрии штор и рационального распределения потоков фильтруемого масла оптимизированы фильтровальные, гидравлические и ресурсные характеристики.
2. Комбинированное фильтрование масла по частично- и полнопоточной схеме надежно защищает пары трения ДВС от попадания опасных частиц примесей и поддерживает загрязнение масла нерастворимыми продуктами на низком уровне. В результате при работе на высокозольных топливах и маслах по сравнению с очисткой ФТОМП скорость изнашивания форсированных дизелей снижается в
1.2-1,8 раза.
3. Разработаны фильтры, способные очищать с тонкостью до 30-45 мкм 7,5-60 м3/ч масла. Трудоемкость их обслуживания равна 0,4-1,2 чел.ч/1000 ч. При комбинированном фильтровании масел с высокими моюще-диспергирующими свойствами срок службы фильтрующих элементов составляет 0,5-1,5 тыс. ч, удельная (на единицу объема элемента) интенсивность очистки по НРБ продуктов -
3.3-11,1 г/(дм3ч). Применение ФМК в серийных судовых ДВС позволит увеличить срок службы моторного масла в 1,5-4 раза.
4. Очистка масла комбинированным фильтрованием особенно перспективна в дизелях с повышенным наддувом, работающих на моторных и тяжелых топливах, маслах групп Г2 и Д2 при низких (0,2-0,3 МПа) давлениях в системе смазки. Использование ее рационально также в ДВС, эксплуатируемых с большой долей перегрузок и неустановившихся режимов, когда поступление в масло продуктов неполного сгорания топлива велико.
■, Библиографический список
1. А.с. 633556. Фильтрующий элемент / Г.П. Кича, Н.М. Свистунов, В. А. Ященков // Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки. 1978. № 43. С. 14.
2. А.с. 647002. Комбинированный фильтрующий элемент / Г.П. Кича, Н.М. Свистунов, В.А. Ященков // Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки. 1979. № 6. С. 16-17.
3. А.с. 762924. Комбинированный фильтрующий элемент / Г.П. Кича, Н.М. Свистунов // Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки. 1980. № 34. С. 40.
4. А.с. 808100. Фильтрующий элемент / Г.П. Кича, Н.М. Свистунов // Открытия, изобретения, промышленные образцы, товарные знаки. 1981. № 8. С. 12.
24
5. Кича Г.П. Комбинированная очистка моторного масла в судовых тронковых дизелях: новые принципы и схемы очистки, результаты испытаний / Г.П. Кича, Н.Н. Таращан, А.В. Голенищев.
