OPTIMIZATION OF WASTE MOTOR OIL IN SHIP DIESEL WITH HIGH BOOST BY WEAR CRITERION
Authors:
1.
Maritime State University named after G. I. Nevelskoi
(Postgraduate Student of the Department of Ship Internal Combustion Engines)
2.
Maritime State University named after G. I. Nevelskoi
3.
Maritime State University named after G. I. Nevelskoy
(Postgraduate Student of the Department of Ship Internal Combustion Engines)
Type:
Article
Pages:
from 78
to 86
Status:
Published
Received:
20.08.2018
Accepted:
25.08.2018
Published:
25.08.2018
Subject area:
UDK 621.43.013:629.3
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
resource saving, fuel and energy resources, fuel and oil saving, marine diesel, fuel and lubricants, engine oil, motor resource, oil use, engine oil cleaning, oil consumption, oil fume, diesel wear
Abstract (English):
The results of modeling the impact of oil burning on the condition of the ship forced trunk piston diesel engine when using lubricants with different operating properties. The dependence of wear rate on oil fume, the quality of used lubricants and marine diesel forcing is obtained by modeling wear using the theory of planning experiments. The area of minimal wear has been determined. There has been detected the most efficient waste oil providing favorable conditions for resource-saving operation of the internal combustion engine. It is inferred that reduction of engine oil fume changes the main parameters of its aging. At the same time, the intensity of oil aging in main directions and of engine wear reduce from 0.75 to 2.25 g/(kW∙h), whereas the fume increases. Its further increase is accompanied by an increase in the rate of oil aging and engine wear. The detected "fracture" depending on И( g y) after passing the border g yopt = 2.25-2.5 g/(kW∙h) is stipulated by different ratio of oil exchange in the lubrication system and the ingress of gases into the crankcase. There has been determined the degree of oil burning, at which sludging and lacquer formation of the internal combustion engine is least intense. The smallest carbon deposits on pistons and in the crankcase of the engine can be observed when the diesel engine is operating in the zone of optimal carbonation. Experimentally, the dependence of tribotechnical properties, in particular, wear of insoluble products of oil aging has been detected at different degrees of oil burning. It is revealed that these characteristics also depend on the quality of the used fuels and lubricants and the conditions of formation and turnover of the oil film on the mirror of the cylinder, the thermal effect on it of the engine workflow. The result of simulation is the prediction of resource-saving operation of marine trunk diesel engines by maintaining oil fume at the optimal level.
The results of modeling the impact of oil burning on the condition of the ship forced trunk piston diesel engine when using lubricants with different operating properties. The dependence of wear rate on oil fume, the quality of used lubricants and marine diesel forcing is obtained by modeling wear using the theory of planning experiments. The area of minimal wear has been determined. There has been detected the most efficient waste oil providing favorable conditions for resource-saving operation of the internal combustion engine. It is inferred that reduction of engine oil fume changes the main parameters of its aging. At the same time, the intensity of oil aging in main directions and of engine wear reduce from 0.75 to 2.25 g/(kW∙h), whereas the fume increases. Its further increase is accompanied by an increase in the rate of oil aging and engine wear. The detected "fracture" depending on И( g y) after passing the border g yopt = 2.25-2.5 g/(kW∙h) is stipulated by different ratio of oil exchange in the lubrication system and the ingress of gases into the crankcase. There has been determined the degree of oil burning, at which sludging and lacquer formation of the internal combustion engine is least intense. The smallest carbon deposits on pistons and in the crankcase of the engine can be observed when the diesel engine is operating in the zone of optimal carbonation. Experimentally, the dependence of tribotechnical properties, in particular, wear of insoluble products of oil aging has been detected at different degrees of oil burning. It is revealed that these characteristics also depend on the quality of the used fuels and lubricants and the conditions of formation and turnover of the oil film on the mirror of the cylinder, the thermal effect on it of the engine workflow. The result of simulation is the prediction of resource-saving operation of marine trunk diesel engines by maintaining oil fume at the optimal level.
Keywords:
resource saving, fuel and energy resources, fuel and oil saving, marine diesel, fuel and lubricants, engine oil, motor resource, oil use, engine oil cleaning, oil consumption, oil fume, diesel wear
resource saving, fuel and energy resources, fuel and oil saving, marine diesel, fuel and lubricants, engine oil, motor resource, oil use, engine oil cleaning, oil consumption, oil fume, diesel wear
К приоритетным темам исследований по экономии моторного масла (ММ) в форсированных двигателях относятся уменьшение его расхода на угар и увеличение срока использования. Целесообразное расходование ММ в первую очередь предполагает обоснованное назначение его угара, учитывающего конструктивные особенности дизеля и условия его эксплуатации. Выбирая масло, необходимо принимать во внимание, что значительное влияние на его расход при работе двигателя имеет углеводородная основа ММ и разновидности присадок, входящих в его состав. Рациональный выбор сорта масла при оптимальном его угаре в значительной степени способствует повышению надёжности, долговечности и экономичности двигателей [1]. На примере малоразмерного дизеля [2] показано влияние угара масла на его старение и состояние двигателя. Искусственным увеличением соскабливающего действия маслосъёмных колец путём повышения их давления на масляную плёнку был снижен угар до величины появления задиров на втулке. Минимальный угар зафиксирован для дизеля без наддува. Дальнейшее его увеличение от уровня 0,8 г/(кВт×ч) способствует интенсификации маслообмена и улучшению состояния масла. При угаре 2 г/(кВт×ч) старение ММ происходит с минимальной скоростью [2]. Увеличение угара после 3 г/(кВт×ч) способствует росту скорости старения по всем направлениям, что связано с повышенными зазорами в кольцевом уплотнении поршней [3]. Выявленный в дизеле 2Ч10,5/13 оптимальный угар в диапазоне 2-2,5 г/(кВт×ч) [2] показал возможности и пути ресурсосберегающего маслоиспользования в двигателе низкой форсировки при работе на дизельном топливе и ММ группы В2 и Г2. Представляет интерес исследование влияния угара масла группы Д2 на интенсивность его старения в дизеле с высоким наддувом при использовании низкосортного топлива - флотского и топочного мазутов. Важно выявить роль этого показателя в ресурсосберегающей эксплуатации форсированного дизеля, что непосредственно связано с изнашиванием деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). В статье [2] приводятся результаты экспериментального моделирования изнашивания дизеля с высоким наддувом при варьировании маслосъёмного действия поршневых колец, сопровождающегося изменением величины угара. Эксперимент проводился при участии сотрудников учебно-исследовательской испытательной лаборатории химмотологии Морского государственного университета имени адмирала Г. И. Невельского. Маслосъёмное действие колец регулировались согласно рекомендациям [4-6]. Характеристики систем смазки дизелей Широкое применение в Дальневосточном бассейне нашли форсированные дизели WARTSILA-VASA 4L20 (4ЧН20/28) [7, 8]. Мощность двигателя равна 450 кВт при частоте вращения вала 750 мин-1, среднее эффективное давление рme = 2 МПа, средняя скорость поршня - 7 м/с, максимальное давление сгорания - 15 МПа, удельный эффективный расход топлива - 200 г/(кВт×ч). Работать двигатель может на топливе с вязкостью до 750 сСт при 50 °С. Как правило, его эксплуатация происходит на российских топочных мазутах 40В и 100 (ГОСТ 10585-99). На номинальной мощности удельный расход масла довольно низок и на новой ЦПГ может составлять 0,75 г/(кВт×ч). В двигателе с изношенной ЦПГ, при использовании штатных маслосъёмных колец, угар ММ доходит до 3,25 г/(кВт×ч). В основном дизель рассчитан на высокий наддув и использование тяжёлых низкосортных видов топлива вязкостью до 750 сСт при температуре 50 °С, поэтому напряжённость его рабочего процесса и трибосопряжений довольно высока. Исходя из этого, важно определить угар масла, обеспечивающий минимальное изнашивание основных деталей двигателя [4]. Смазочная система дизеля обеспечена результативной очисткой масла, содержащей полнопоточный фильтр с поверхностными фильтрующими элементами типа Н-15. Помимо этого ММ дополнительно байпасно центрифугируется [5, 8]. Дизель VASA 20, используемый при проведении эксперимента, эксплуатировался по нагрузочной характеристике. На каждом этапе проводимых испытаний нагрузка фиксировалась с точностью до ±5 %. Длительность этапов испытания, последовательность и порядок нагружения двигателя выбирались исходя из рекомендаций [1, 7]. Угар масла корректировали переменой маслосъёмного действия поршневых колец [5]. Контроль износа деталей ЦПГ осуществлялся согласно требованиям ОСТ 24.060.09-89. Для его проведения применялись точные методы измерения: взвешивание на аналитических весах при определении износа поршневых колец и вкладышей мотылёвых подшипников, метод искусственных баз для оценки предварительно нанесённых на цилиндровых втулках специальных лунок, измеряемых с помощью прибора УПОИ-6 [5, 8]. Для обработки данных, полученных при проведении судового эксперимента, применён некомпозиционный план второго порядка, представляющий определённые выборки строк из полного факторного эксперимента [7, 8]. В табл. 1 представлены уровни и интервалы изменения факторов, подобранные на основе априорной информации. Таблица 1 Уровни и интервалы варьирования факторов Фактор Кодовое обозначение Интервал варьирования Уровень факторов нижний -1 основной 0 верхний +1 Удельный угар масла, gy, г/(кВт×ч) х1 0,5 0,75 2 3,25 Качество топлива и масла, Ктм, отн. ед. х2 3,5 0,5 4 7,5 Форсировка дизеля на режиме испытаний, рme, МПа х3 0,75 0,5 1,25 2 Произведением показателя качества топлива Кт на зольность масла определён показатель Ктм, учитывающий противоизносные свойства используемых горюче-смазочных материалов. Так как износные свойства продуктов старения ММ обусловлены абразивными свойствами нерастворимых загрязнений, формируемыми процессом неполного сгорания топлива и окисления масел, то при эксплуатации двигателя необходим учёт их триботехнических характеристик. Применили унифицированные ММ (ГОСТ 12337-84), зольность которых была в диапазоне 0,5-3 %. Фактор Кт, учитывающий качество применяемых топлив, рассчитали по формуле [8]: где Ai - коэффициенты весомости; Зт, Зтб - зольность топлива, %; Sт, Sтб - содержание серы, %; Ф, Фб - фракционный состав топлива, отн. ед.; Г, Гб - групповой состав топлива, отн. ед.; индекс «б» соответствует базовому топливу. Фактор Кт является средневзвешенной величиной вышеперечисленных показателей, выявленных относительно базового топлива с коэффициентом весомости 0,25. Показатели базового топлива: Зтб = 0,1 %, Sтб = 2 %, Фб = 0,4, Гб = 0,5. Характеристики Ф и Г определяются пропорционально долям топлива, выкипающим при температуре выше 350 °С, и суммарному относительному содержанию в нём асфальтосмолистых веществ и ароматической группы углеводородов. Обобщённую скорость изнашивания деталей ЦПГ за период испытаний 250 ч приняли в качестве функции отклика. Эта характеристика является суммой скоростей изнашивания поршневых колец, цилиндровых втулок и вкладышей подшипников, принятых с одинаковым значением коэффициента весомости [1, 7]. Изнашивание указанных элементов рассматривается в безразмерном виде (%) относительно величин исследуемых показателей при испытаниях на основном уровне: M = 0, рme = 1,25 МПа, Ктм = 4, gy = 2,0 г/(кВт×ч). Матрица планирования (табл. 2) предполагала проведение трёх параллельных опытов в центре плана, по полученным результатам которых вычисляется дисперсия воспроизводимости. Коэффициенты модели рассчитывали по формулам, приведённым в [9]. Таблица 2 Матрица планирования и результаты эксперимента при исследовании влияния угара масла на изнашивание дизеля № х0 х1 х2 х3 х12 х13 х23 х11 х22 х33 у 1 1 1 1 0 1 0 0 1 1 0 203 191 144 2 1 1 -1 0 -1 0 0 1 1 0 157 154 9 3 1 -1 1 0 -1 0 0 1 1 0 197 199 4 4 1 -1 -1 0 1 0 0 1 1 0 37 48 121 5 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 94 97 9 6 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 170 177 49 7 1 1 0 -1 0 -1 0 1 0 1 135 143 64 8 1 -1 0 1 0 -1 0 1 0 1 181 174 49 9 1 -1 0 -1 0 1 0 1 0 1 53 47 36 10 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 104 97 49 11 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 224 230 36 12 1 0 1 -1 0 0 -1 0 1 1 79 84 25 13 1 0 -1 1 0 0 -1 0 1 1 74 71 9 14 1 0 -1 -1 0 0 1 0 1 1 60 56 16 15 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 97 97 0 bi 98,33 24,63 46,88 40,25 -28,5 -23,25 32,75 37,83 12,33 -1,42 Сумму квадратов отклонений расчётных значений от экспериментальных y в опытах 5, 10, 15 в центре плана и во всех остальных точках рассчитали для получения значений дисперсии соответственно воспроизводимости и адекватности. Коэффициенты уравнения регрессии для трёх факторов [9]: Обработав экспериментальные данные, получаем: Дисперсию S2{у} воспроизводимости эксперимента вычислили по результатам опытов в центре плана (опыты 5, 10, 15). Дисперсии, характеризующие ошибки в определении коэффициентов уравнения регрессии для у, рассчитали по формулам [9]. При числе факторов k = 3 значения дисперсий: Необходимые для коэффициентов регрессии доверительные интервалы нашли через табличное значение критерия Стьюдента [9]. При f = n0 - 1 = 2 и 5 %-ом уровне значимости (tT = 4,3) доверительные интервалы равны: Δb0 = ±4,3S{b0} = ±4,3 × 3,0 = ±12,9; Δbi = ±4,3S{bi} = ±4,3 × 1,8 = ±7,7; Δbil = ±4,3S{bil} = ±4,3 × 2,6 = ±11,2; Δbi = ±4,3S{bii} = ±4,3 × 2,7 = ±11,6. Вычисленный коэффициент b33 следует признать статистически незначимым и исключить из уравнения регрессии, т. к. он оказался меньше доверительного интервала. Поэтому после исключения из уравнения незначимого коэффициента и перерасчёта остальных коэффициентов, используя метод наименьших квадратов [9], получаем следующее уравнение: y = 97,46 + 24,63x1 + 46,88x2 + 40,25x3 - 28,5x1x2 - 23,25x1x3 + 32,75x2x3 + 37,94x12 + 12,44x22. (1) Моделирование процесса угара Используя критерий Фишера, проверяем адекватность полученной модели. Для вычисления дисперсии S2{у} адекватности нашли сумму Sr квадратов отклонений расчётных значений от экспериментальных у во всех точках плана (см. табл. 2). Расчётное значение нашли по выражению (1). При числе коэффициентов k' аппроксимирующего полинома равном 9, дисперсия адекватности соответствует [7]: Представленная модель адекватна при 5 %-ом уровне значимости, т. к. Уравнение (1) можно использовать для оценки влияния угара масла на изнашивание дизеля разной форсировки при использовании товарных топлив. Переход от кодированных значений показателей к натуральным осуществляем по формулам: gу = 1,25х1 + 2; Ктм = 3,5х2 + 4; рme = 0,75х3 + 1,25. При предоставлении факторов в натуральном выражении модель процесса изнашивания имеет следующий вид: (2) Исследование зависимости (2) выявило, что при учёте суммарного действия линейного и квадратичного эффектов, наиболее существенное воздействие на функцию отклика И оказывает фактор gу. В модели изнашивания при представлении факторов в кодированном виде самое большое значение имеет коэффициент b3 (см. табл. 2), что указывает на максимальное воздействие на И фактора рme. Большое значение имеют парные взаимодействия между факторами gу и рте. Менее всего они проявляются при сочетании gу с Ктм. Исследование зависимости (2) на экстремум выявило, что есть оптимальный угар gyopt, при котором И достигает минимального значения. Взяв первую производную dИ / dgy и прировняв её к нулю, получим выражение для оптимального, с позиций минимального изнашивания дизеля, угара масла gуopt = 0,42 + 0,13Ктм + 0,51pme. (3) Подставив gyopt в уравнение (2), получим зависимость для расчёта Иmin: (4) Судовой эксперимент подтвердил хорошую корреляцию между натурным экспериментом в дизеле 4ЧН20/28 и результатами моделирования (рис. 1) функции И(gy, Ктм). Аппроксимация экспериментальных данных полиномом 2-ой степени показала полную сходимость расчётных и экспериментальных данных зависимостей И(gy). Расчётное выражение во всех точках эксперимента находится в поле рассеивания экспериментальных данных, границы (среднеквадратичных отклонений) которых определены с доверительной вероятностью 95 %. Зависимость И(gy, Ктм) приведена на рис. 2, которая иллюстрирует рост И при увеличении gy > 2 г/(кВт×ч). Скорость изнашивания дизеля возрастает при увеличении Ктм. В этом случае повышение И при увеличении Ктм вызвано ростом абразивности нерастворимых продуктов (НРП). Рис. 1. Зависимость износа дизеля от угара масла на основном эксплуатационном режиме работы дизеля Рис. 2. Поверхность отклика функции И (gу, Ктм) на 4ЧН20/28 (pme = 1,25 МПа) Кроме того, наблюдается удовлетворительное соответствие между состоянием ММ и показателем И. В диапазоне gy = 1,6-1,8 г/(кВт×ч), при одинаковой наработке дизеля, щёлочность масла имела наибольшее значение, а концентрация НРП была минимальной. В этом значении угара масла состояние дизеля по износу и нагарообразованию оптимальное. Проведённое экспериментальное моделирование показало, что угар масла формирует маслообмен в системе смазки дизеля и оказывает существенное влияние на старение ММ. Следствием этого процесса является зависимость скорости изнашивания дизеля от состояния масла. Повышение угара от 0,75 до 2,25 г/(кВт×ч) способствует снижению интенсивности старения масла, и все его показатели стабилизируются на более выгодном, с позиции воздействия на И, уровне. При этом с увеличением форсировки дизеля и ухудшением качества (противоизносных свойств) горюче-смазочных материалов этот момент наступает при более высоких значениях gy. При этом наблюдается повышенное значение Иmin. Выводы По мере увеличения угара выше gyopt ухудшение состояния масла вызывается более интенсивным его старением из-за усиливающегося прорыва газов в картер. Масло, находясь в распылённом виде в картере, при плохом техническом состоянии ЦПГ, когда gy > gyopt, от воздействия прорывающихся из цилиндра газов интенсивно окисляется. При этом ускорение старения масла проходит более интенсивно при нахождении факторов Ктм и pme на нижнем уровне. Следует также отметить, что абразивные свойства НРП в масле существенным образом зависят от его угара, форсировки дизеля, качества топлива и масла [10-12]. Попытка обработать результаты износного эксперимента для оценки интенсивности старения масла в зависимости от его угара и других рассмотренных в опытах показателей, не увенчалась успехом. Это вызвано высокой дисперсией воспроизводимости показателей по интенсивности срабатывания присадок, окисления масла, его смолообразования, поступления в систему смазки нерастворимых продуктов. Эту задачу можно решить при увеличении числа отбора проб масла для анализа его старения. Кроме того, для решения этой задачи необходима раздельная оценка влияния качества топлива и масла на этот процесс. В этом заключается перспектива дальнейших исследований по оценке влияния угара масла и показу основных направлений его старения с моделированием количественных показателей.
1. Kicha G. P., Perminov B. N., Nadezhkin A. V. Resursosberegayuschee masloispol'zovanie v sudovyh dizelyah: monogr. Vladivostok: Izd-vo Mor. gos. un-ta, 2011. 372 s.
2. Tarasov M. I., Kicha G. P. Issledovanie vliyaniya ugara masla na ego starenie i sostoyanie malorazmernogo dizelya // Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka. 2017. № 3-4. S. 143-147.
3. Kicha G. P. Vliyanie ochistki masel na ih rashod v dizel'nyh dvigatelyah // Himiya i tehnologiya topliv i masel. 1986. № 8. S. 22-24.
4. Kicha G. P., Tarasov M. I. Konstruktivnye i ekspluatacionnye metody snizheniya ugara motornogo masla v sudovyh dizelyah // Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka. 2017. № 3-4. S. 138-143.
5. Nadezhkin A. V., Kicha G. P., Semenyuk L. A. Optimizaciya rezhimov kombinirovannoy ochistki motornogo masla v sudovyh dizelyah metodami variacionnogo ischisleniya // Morskie intellektual'nye tehnologii. 2017. T. 2. № 3. S. 93-101.
6. Gauk G. A. Optimizaciya ugara motornogo masla v sudovom sredneoobrotnom dizele po kriteriyu iznashivaniya // Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka. 2009. № 1. S. 239-243.
7. Kicha G. P., Semenyuk L. A., Taraschan N. N. Optimizaciya parametrov kombinirovannogo maslyanogo fil'tra, funkcioniruyuschego v sostave kompleksa «dizel'-toplivo-maslo» // Transportnoe delo Rossii. 2017. № 4. S. 96-102.
8. Kicha G. P. Ekspluatacionnaya effektivnost' novyh masloochistitel'nyh kompleksov v forsirovannyh dizelyah // Dvigatelestroenie. 1987. № 6. S. 25-29.
9. Spiridonov A. A. Planirovanie eksperimenta pri issledovanii tehnologicheskih processov. M.: Mashinostroenie, 1981. 184 s.
10. Sobolenko A. N., Simashov R. R., Glazyuk D. K., Manicyn V. V. Opredelenie rashoda topliva i motornogo masla sudovymi dizelyami s uchetom izmeneniya vneshnih usloviy ekspluatacii // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2017. № 3. S. 62-73.
11. Kicha G. P., Gauk G. A. Ocenka vliyaniya ugara motornogo masla v sudovom forsirovannom tronkovom dizele na intensivnost' stareniya smazochnogo materiala i sostoyanie dvigatelya // Vestn. Mor. gos. un-ta. Ser.: Sudostroenie i sudoremont. 2010. № 38. S. 61-72.
12. Kicha G. P., Lipin G. M., Polorotov S. P. Tribotehnicheskie harakteristiki nerastvorimyh produktov zagryazneniya motornyh masel i ih vliyanie na iznos dizelya // Trenie i iznos. 1986. T. 7. № 6. S. 1068-1078.
