CC BY
22УДК 621.6.03:621.431
Л.А. Семенюк, М.И. Тарасов
Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского, Владивосток, 690059 e-mail: nadezkin@msun.ru
ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ НОВОЙ СИСТЕМЫ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ МОТОРНОГО МАСЛА НА ПРИМЕРЕ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ 6ЧН25/34
Приводится описание перспективной системы тонкой очистки моторного масла, наиболее полно реализующей достоинства полнопоточного фильтрования и центрифугирования в двухконтурных системах смазки тронковых ДВС. На примере эксплуатации судового дизеля 6ЧН25/34 сравнивается эффективность различных очистительных комплексов, установленных в смазочной системе, по их влиянию на старение масла и состояние двигателя.
Ключевые слова: срок службы масла, износ двигателя, ресурсосберегающее маслоиспользование, моторное масло.
L.A. Semenyuk, M.I. Tarasov
Maritime State University named after G.I. Nevelskoy Vladivostok, 690059 e-mail: nadezkin@msun.ru
MAIN ADVANTAGES OF NEW ENGINE OIL FINE PURIFICATION SYSTEM APPLICATION ON THE EXAMPLE OF SHIP DIESEL 6CHN25/34
A promising engine oil fine purification system, which most fully realizes the advantages of full-flow filtration and centrifugation in double-circuit lubrication systems of trunk internal combustion engines, is described. The efficiency of various purifying complexes installed in the lubrication system according to their influence on the oil deterioration and engine condition is compared on the example of diesel 6ЧН25/34.
Key words: oil life, engine wear, resource-saving oil use, engine oil.
В некоторых типах тронковых дизелей используется двухконтурная система смазки (СС). Один из контуров предназначен для откачки моторного масла (ММ) из картера дизеля в напорный бак. Из него масло попадает в основной контур, проходит через фильтр, охладитель и поступает во внутреннюю распределительную магистраль и далее к его потребителям [1]. Напорный бак располагается обычно выше масляного насоса, что исключает срыв подачи масла. В баке масло отстаивается. Из него удаляются воздух и газы.
Откачивающая магистраль функционирует при низком противодавлении и, кроме насоса, никаких агрегатов не включает. Производительность вспомогательного насоса, по сравнению с основным, обычно завышена, что необходимо для поддержания картера сухим и избежания утечек ММ из него. В условиях качки судна вспомогательный насос может «захватывать» воздух, так что в напорный бак довольно часто поступает масляно-воздушная смесь.
Целью проводимых исследований была проверка эффективности комбинированной системы очистки ММ в дизелях с двухконтурной СС. При этом предлагается установить в откачивающей магистрали центрифугу с реактивным гидроприводом и напорным сливом, с тем чтобы снизить грязевые нагрузки и облегчить работу основного полнопоточного фильтра тонкой очистки масла (ФТОМП), который в большинстве случаев включается в основную магистраль.
Общеизвестно, что полнопоточный центробежный очиститель в 12-20 раз эффективнее ФТОМП по интенсивности очистки масла от нерастворимых, особенно зольных, продуктов [1]. Он может значительно снижать грязевую нагрузку на фильтр, особенно при последовательной схеме подключения к нему и работе в полнопоточном режиме очистки [2]. Центрифуга, с позиций эффективности очистки, менее чувствительна к газовым включениям в масле. Работа ФТОМП при фильтрации воздушно-масляной эмульсии нарушается, так как
поры нетканого фильтровального материала (ФМ) блокируются отложениями. При этом сопротивление фильтрующих элементов (ФЭ) растет и фильтр функционирует с открытым перепускным клапаном.
В предлагаемой комбинированной системе воплощены главные преимущества очистки ММ фильтрованием и центрифугированием, способствующие продолжительной изоляции пар трения двигателя от контактов с крупными (наиболее опасные частицы механических примесей) и удерживающие на низком уровне загрязнение масла мелкодисперсными нерастворимыми продуктами, которые ускоряют старение масла [2, 3]. Таким образом, рассмотренная система в одно время обеспечивает минимальный расход ФЭ, большой срок использования ММ со стабилизацией его угара на низком (начальном) уровне и достаточно надежную защиту двигателя от изнашивания абразивными частицами. Как уже отмечалось ранее [1, 2], этого можно достичь посредством глубокой очистки моторного масла от тонкодисперсных зольных продуктов старения посредством центрифугирования и постоянной в широком диапазоне температурных режимов работы СС и различных скоростей дизеля, а также полнопоточным тонким фильтрованием масла, подаваемого к трибосопряжениям.
В форсированных дизелях с двухконтурной СС отличительной особенностью комбинированной системы тонкой очистки масла (КСТОМ) (рис. 1) является установка в главный трубопровод, по которому насос (с обратной связью) 5 подает масло поступающее в свою очередь из напорного бака 8, а затем идущие в трибосопряжение 10 с установленным полнопоточным фильтром (со сменными ФЭ) 2. Важнейшей особенностью является подключения фильтра для тонкой очистки масла до масляного охладителя 1 и установка дроссельным распределителя 4 для насоса 5. Наличие изодрома важно для удержания постоянного, не зависящего от перепада давления на фильтре, в распределительном трубопроводе двигателя.
Рис. 1. Перспективная СТОМ судовых форсированных дизелей: 1 - холодильник;2 - ФТОМП; 3 - предохранительный клапан; 4 - дроссельный распределитель; 5 - нагнетательный насос; 6 - напорный клапан; 7 - переливной клапан; 8 - бак; 9 - центрифуга с напорным сливом;10 - распределительная магистраль; 11 - картер; 12 - заборник; 13 - откачивающий насос
Установка дросселя 4 (управляемый переливной клапан) на насосе очень сильно помогает нормальному функционированию фильтра при подготовительных операциях к запуску (прогреве), а также самому пуску двигателя, когда клапан 3 закрыт, так как позволяет подавать заметно меньший объем охлажденной рабочей жидкости (моторное масло). Не зависимость от винтовой характеристики дизеля и удерживание постоянного напора масла в главной магистрали 10, достигается за счет установки подающего насоса 5 с достаточным запасом ММ.
Предусмотрена возможная качка судна, при которой не произойдет оголения приемного патрубка, и забор ММ из напорной цистерны 8 будет подаваться равномерно в дизель, без скачков давления в магистрали. Отбирающий ММ трубопровод можно напрямую замкнуть с приемным патрубком нагнетающего насоса, при осуществлении подачи сразу после центрифугирования на фильтр, в некоторых ситуациях.
На откачивающем трубопроводе наиболее рационально установить центрифугу 9. Ввиду своей малочувствительности к попаданию воздуха в СС данный маслоочиститель (МО) будет способствовать более стабильной работе откачивающего насоса 13. Напорный клапан 6, которым снабжена откачивающая система центрифуги, поддерживает давление масла перед ротором масляной центрифуги с наружным гидрореактивным приводом и напорным сливом (МЦН-НС) не менее 0,7 Мпа. При этом он не зависит от режима работы дизеля и помогает центробежному очистителю (ЦО) развить более высокую частоту вращения не менее 80 с"1. Исключением является расход потока масла на привод, подаваемого насосом 13. Трехходовой кран на откачивающем трубопроводе установлен для возможности отключения ЦО с целью чистки его ротора, при этом двигатель будет продолжать работать. Достижение максимальной скорости удаления из масла нерастворимых загрязнений из центрифуги возможно при установке в нее оптимальной подачи масла, посредством переливного клапана 7. Оригинальность включения данного МО в СС примечательна тем, что поступающее к фильтру масло подвергается как бы предварительной очистке посредством центрифугирования [4]. Одновременно массо-дисперсный состав нерастворимых загрязнений фугата подвержен влиянию величины подачи масла в МЦН-НС.
Количественные и качественные характеристики загрязнения существенным образом влияют на блокировку пор ФМ частицами дисперсной фазы и накопление их в виде отложений на поверхности материала. Масло, прошедшее предварительное центрифугирование, увеличивает срок службы ФЭ [5].
Эффективность штатной и предлагаемой системы очистки (ШСО) масла рассмотрим на примере судового дизеля 6ЧН25/34. Полнопоточный фильтр ФМП-4 с ФЭ из ФМ ДРКБ-4 с тонкостью отсева 45 мкм был установлен в СС исследуемого двигателя в качестве штатного.
Фильтр ФМП-4 с ФЭ этого же типа, изготовленный из материала БМ-120 с аналогичной тонкостью отсева, был размещен в опытной системе очистки. Центробежный очиститель МЦН-5НС (все устанавливаемые центрифуги крепились на напорном баке) с пропускной способностью 80 дм3/мин, был расположен на откачивающем трубопроводе судового двигателя 6ЧН25/34. При проведении эксперимента моторным маслом служило М-10-Г2(цс). Прокачка масла через дизель придерживалась около 75 дм3/мин. Давление масла перед ЦО поддерживалось на уровне 0,7 МПа. Рабочая температура масла соответствовала 70°С.
При проведении сравнительного анализа показателей старения ММ М-10-Г2(цс) в двигателе 6ЧН25/34 (табл. и рис. 2) по интенсивности очистки наблюдаются явные преимущества КСТОМ над штатной системой очистки.
Моторная эффективность средств очистки ММ в дизеле 6ЧН25/34
Показатель ФМП-4 ФМП-4+ МЦН-5НС
Максимальная концентрация НРП, %: общих зольных 1,7 ± 0,4 0,44 ± 0,05 0,9 ± 0,2 0,18 ± 0,03
Интенсивность очистки масла от НРП, г/ч: общих зольных 80 ± 20 110 ± 30 320 ± 40 580 ± 50
Срок службы ФЭ, тыс.ч 0,8 ± 0,2 1,4 ± 0,3
Надежность защиты частиц (!>30 мкм, % 72 100
Окончание табл.
Показатель ФМП-4 ФМП-4+ МЦН-5НС
Скорость изнашивания деталей ДВС: комплект поршневых колец, г/1000 ч цилиндровая втулка, мкм/1000 ч вкладыши мотылевых подшипников, мг/1000 ч мотылевые шейки КВ, мкм/1000 ч 4,2 ± 0,5 22,3 ± 1,7 16,5 ± 1,8 1,8 ± 0,2 9,4 ± 0,8 14,3 ± 1,6
Нагаро- и лакообразование на поршнях, балл 5,1 ± 0,8 2,7 ± 0,3
Отложения в картере, балл 2,6 ± 0,3 0
Рис. 2. Старение масла М-10-Г2(цс) в дизеле 6ЧН25/34 с разными средствами очистки
При комбинированной очистке масла в дизеле 6ЧН25/34 максимальная концентрация общих и зольных нерастворимых продуктов (НРП) (ГОСТ 20684-75) составляла 1,1 и 0,2%. Во время эксплуатации двигателя, снабженного штатными МО, уровень накопления примесей этого же вида достигал соответственно до 1,9 и 0,37%, т. е. был в 1,7-1,8 раза выше.
Применение КСТОМ, по сравнению с фильтром грубой очистки (ФГО), повышает эффективность защиты подшипников от опасных частиц загрязнений, способных вызвать задиры, почти в 3 раза [4, 6]. При очистке ММ по штатной схеме степень окисления СО и смолообразование См приближаются (см. рис. 2) к критическому уровню, когда интенсифицируется нагаро- и ла-кообразование в дизеле [7].
Ввиду обладания маслом М-10Г2(цс) высоких моюще-диспергирующих свойств закоксовы-вания поршневых колец при проведении эксперимента не наблюдалось. В отличие от использования комбинированного маслоочистительного комплекса (КМОК) при применении ШСО в 1,6 раза интенсивнее срабатывалась щелочность ММ.
При сопоставлении моторных свойств масла М10-Г2(цс), проходящего через разные системы очистки [8], очевиден высокий уровень функциональных свойств КСТОМ.
Также при работе комбинации ФМП-4 и МЦН-5НС скорость изнашивания деталей цилинд-ро-поршневой группы (ЦПГ) зафиксирована в 1,3-1,9 раза ниже, нежели при использовании штатных агрегатов для очистки масла.
На мотылевых шейках коленчатого вала (КВ) проявился наибольший эффект от комбинированной очистки масла - их изнашивание снизилось в 1,9 раза. Увы, менее всего повышение эффективности очистки отразилось в процессе снижения изнашивания цилиндровых втулок.
Существенное влияние МО как на загрязнение юбки поршней смолами, так и на общее их состояние выявлено при проведении сопоставления систем очистки по влиянию на нагаро- и ла-кообразование в дизеле.
При очистке ММ посредством КСТОМ заметно существенное снижение загрязнения картера низкотемпературными отложениями, также показатели нагаро- и лакообразования в двигателе были ниже в 1,7 раза (см. табл.).
По показателям состояния дизеля и по критериям старения масла М-10Г2(цс) выявлено явное преимущество применения КСТОМ. Моторным топливом при эксплуатации двигателя 6ЧН25/34 служило ДТ (ГОСТ 1667-68).
При проведении сравнительно анализа эффективности двух задействованных систем отмечается рост интенсивности комбинированной очистки масла в 4-12 по общим и в 5-14 раз -зольным НРП, относительно варианта с ФТОМП [2, 5, 6]. На концентрацию нерастворимых продуктов в масле это оказало максимальное воздействие. Уровень загрязнения ММ снизился в 1,9-2,4 раза благодаря применению КСТОМ.
Как следствие дополнительного центрифугирования масла - период службы ФЭ увеличился приблизительно в 1,75 раза.
Существенных изменений в скорости изнашивания шеек КВ не наблюдалось при сопоставлении эффективности защиты деталей кривошипно-шатунного механизма (КШМ) от крупных частиц как при использовании ФМП-4, так и при комбинированной очистке масла, несмотря на более высокую загрязненность масла при его очистке только фильтром. Увеличение скорости изнашивания деталей ЦПГ в 2,4 раза, по сравнению с вариантом, где использовался КМОК, является следствием содержания высокого уровня зольных НРП в масле, подвергнутом очистке только штатным фильтром.
Показатели загрязнения и старения масла, а как следствие нагарообразование на поршнях и отложениях в картере оказалось значительно выше у ФМП-4, чем у КМОК[7].
По результатам моторных испытаний видно, что комбинированная центрифугированием и фильтрованием очистка ММ способствует стабилизации моюще-диспергирующих свойств масла на более высоком уровне, увеличивает скорость перехода промежуточных продуктов окисления в карбоиды и карбены, далее легко удаляемые центрифугированием. В отношении зольных масел с высокими моюще-диспергирующими свойствами и топлив с содержанием серы, превышающем 1%, наиболее эффективно применение очистки масла центрифугированием и фильтрованием. От частиц загрязнения, вызывающих интенсивное изнашивание и задир, надежную защиту парам трения ДВС обеспечивает полнопоточное тонкое фильтрование масла. При этом проворачивание вкладышей подшипников полностью прекращается [7]. Глубокая очи-
стка масла от продуктов достигается проведением дополнительного центрифугирования, катализирующего срабатывание его присадок, старение и окисление, что положительно сказывается на увеличении срока его службы.
Выводы
1. Установка в форсированных тронковых дизелях с двухконтурной СС центрифуг с напорным сливом МЦН-НС и полнопоточных масляных фильтров типа ФМП, по сравнению с распространенными МО, стабилизирует угар на уровне 1,2-2,5 г/(кВт-ч) в течение длительного времени, в 1,2-2,3 раза замедляет старение ММ, увеличивает срок его службы в 2-6 раз.
2. Снижение в 1,3-1,9 раза изнашивания основных КШМ и ЦПГ взаимосвязано с улучшением смазки указанных трибосопряжений и уменьшением нагаро- и лакообразования в среднем на 45%. Как следствие эффективной очистки ММ - наработка на отказ деталей двигателей увеличивается в 1,2-2,5 раза.
Литература
1. Кича Г.П. Очистка масла в двигателях внутреннего сгорания // Химия и технология то-плив и масел. - 1985. - № 2. - С. 28-30.
2. Кича Г.П. Эффективная очистки моторного масла - основа экономичной ресурсосохра-няющей эксплуатации судовых ДВС // Двигателестроение. - 1985. - № 7. - С. 6-10.
3. Кича Г.П. Комбинированный маслоочистительный комплекс для судовых форсированных дизелей // Судостроение. - 1985. - № 4. - С. 25-28.
4. Моделирование изнашивания судовых тронковых дизелей при использовании унифицированных моторных масел / Г.П. Кича, Б.Н. Перминов, А.В. Надежкин, С.А. Завадский // Трение и износ. -2004. -Т. 25, № 6. - С. 635-641.
5. Ресурсосберегающее маслоиспользование в судовых дизелях: Монография / Г.П. Кича, Б.Н. Перминов, А.В. Надежкин. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2011. - 372 с.
6. Оптимизация режимов комбинированной очистки моторного масла в судовых дизелях методами вариационного исчисления / А.В. Надежкин, Г.П. Кича, Л.А. Семенюк // Морские интеллектуальные технологии. - 2017. - № 3. - С. 93-101.
7. Триботехнические характеристики нерастворимых продуктов загрязнения моторных масел и их влияние на износ дизеля / Г.П. Кича, Г.М. Липин, С.П. Полоротов // Трение и износ. -1986. - Т. 7, № 6. - С. 1068-1078.
