EFFECT OF WASTE ENGINE OIL ON AGEING INTENSITY IN A MARINE DIESEL ENGINE WITH HIGH BOOST
Authors:
1.
Maritime State University named after G. I. Nevelskoy
(Postgraduate Student of the Department of Ship Internal Combustion Engines)
2.
Maritime State University named after G. I. Nevelskoi
(Postgraduate Student of the Department of Ship Internal Combustion Engines)
Type:
Article
Pages:
from 71
to 77
Status:
Published
Received:
20.02.2019
Accepted:
25.02.2019
Published:
25.02.2019
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:
marine diesel, oil aging, oil waste, oil consumption, identification of pollution, experimental modelling
Abstract (English):
The key directions of the oil aging process are closely interrelated with its fumes and this is once again confirmed by the motor experiment. The degree of oxidation of the engine oil subjected to identification by increasing the concentration of insoluble impurities identifies the thermo-oxidative destruction of the present hydrocarbons. The results of modeling the process of wear of parts of the cylinder-piston group of marine diesel are considered. Through the application of the theory of experiment planning, the range of minimum wear is revealed, the dependence is focused on the values of the quality indicators of the used fuels and lubricants, the engine boost and the amount of engine oil burn. The change in the values in the main directions of oil aging as a result of reducing its fumes was noted. There has been revealed engine oil burnout in which the operation of the diesel engine is accompanied by less carbon and varnish formation on its pistons and the wear rate of the elements of the cylinder-piston group, the engine oil being in excellent condition in terms of the composition of aging products. Oil aging rate is determined at each stage of trial, according to sample analysis. There is given the matrix of experiment planning, as well as results of its processing. There are established the equations usable in trunk diesel operation that help to analyze general and specific rate of motor oil ageing, the initial values being values of oil waste, properties of fuels and lubricants and engine forcing. Motor oil of М-14-Г2 grade (circulating system) has been recommended to use for efficient and durable operation of ship diesels with average and low boost. For high powered engines operating on deep refining fuels it is possible to use the following oil grades: М-14-Д2 (cl 20) и М-14-Д2 (cl 30) with high neutralizing and motor qualities.
The key directions of the oil aging process are closely interrelated with its fumes and this is once again confirmed by the motor experiment. The degree of oxidation of the engine oil subjected to identification by increasing the concentration of insoluble impurities identifies the thermo-oxidative destruction of the present hydrocarbons. The results of modeling the process of wear of parts of the cylinder-piston group of marine diesel are considered. Through the application of the theory of experiment planning, the range of minimum wear is revealed, the dependence is focused on the values of the quality indicators of the used fuels and lubricants, the engine boost and the amount of engine oil burn. The change in the values in the main directions of oil aging as a result of reducing its fumes was noted. There has been revealed engine oil burnout in which the operation of the diesel engine is accompanied by less carbon and varnish formation on its pistons and the wear rate of the elements of the cylinder-piston group, the engine oil being in excellent condition in terms of the composition of aging products. Oil aging rate is determined at each stage of trial, according to sample analysis. There is given the matrix of experiment planning, as well as results of its processing. There are established the equations usable in trunk diesel operation that help to analyze general and specific rate of motor oil ageing, the initial values being values of oil waste, properties of fuels and lubricants and engine forcing. Motor oil of М-14-Г2 grade (circulating system) has been recommended to use for efficient and durable operation of ship diesels with average and low boost. For high powered engines operating on deep refining fuels it is possible to use the following oil grades: М-14-Д2 (cl 20) и М-14-Д2 (cl 30) with high neutralizing and motor qualities.
Keywords:
marine diesel, oil aging, oil waste, oil consumption, identification of pollution, experimental modelling
marine diesel, oil aging, oil waste, oil consumption, identification of pollution, experimental modelling
Введение В настоящее время, когда в сфере морского транспорта снова актуализируются проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов, поиск эффективных решений выходит на новый уровень. Одним из возможных путей решения создавшихся проблем становится процесс повышения экономичности по расходу моторного масла (ММ) во время эксплуатации судовых тронковых дизелей. Большой интерес представляет исследование зависимости воздействия угара масла на его старение в дизелях с высоким наддувом, эксплуатируемых на топливах, обладающих высокой вязкостью. Методы и результаты исследования Для моделирования представляющей интерес зависимости был применён дизель VASA 20 (6ЧН20/28) (мощность Ре = 1 000 кВт; частота вращения вала n = 1 000 мин-1; форсировка дизеля рme = 2,4 МПа). В соответствии с рекомендациями [1] были приняты режимы нагружения. Унифицированные масла из групп Г-Д (ГОСТ 12337-84) были приняты в качестве смазочного материала. Процесс очистки ММ проходил посредством применения полнопоточного фильтра, в котором в качестве фильтрующего элемента применялся Н-15, обладающий номинальной тонкостью отсева: 35-40 мкм. В системе смазки дизеля масса ММ составила 480 кг. По прошествии каждых 25 ч эксплуатации дизеля проводился набор проб масла для анализа и осуществлялся его долив для компенсации возникающего угара. Сохраняющийся угар ММ продолжительностью в 250 ч присутствовал на всём этапе проводимых испытаний [2]. Путём изменения величины рабочих зазоров и конструкций деталей цилиндропоршневой группы увеличивали эффективность действия маслосъёмных колец двигателя с целью регулирования угара. Применяя весовой метод, контролировали угар ММ. Используя метод центрифугирования согласно ГОСТ 20684-95 и ориентируясь на показатель концентрации нерастворимых примесей (НРП), мы произвели оценку состояния ММ - ci. В работающем масле проводили контроль его кислотно-щелочных свойств К и Щ согласно ГОСТ 11362-96. Рассматривая отношения интегральной интенсивности покрытия карбонилсодержащих соединений С=О к группе С=С (ароматических ядер) выявили степень окисления СО. Используя методы хроматографии и диализа, выявили содержание смол (См). Анализируя результаты проб ММ, изымаемых на протяжении каждого этапа испытаний, мы смогли определить скорость старения масла. В процессе построения кинетических кривых старения ММ нашёл своё применение метод наименьших квадратов. Возможность перехода к удельным показателям Аi была осуществлена посредством учёта параметров цилиндра периодичности контакта на втулке образованной масляной плёнки с рабочими газами. Некомпозиционный план второго порядка был использован при обработке данных, полученных в ходе эксперимента. В табл. 1 приведены значения интервалов и уровней варьирования факторов. Таблица 1 Уровни и интервалы варьирования факторов Фактор Кодовое обозначение Интервал варьирования Уровень факторов Нижний -1 Основной 0 Верхний +1 Форсировка дизеля рme на режиме испытаний, МПа х1 0,75 0,5 1,25 2 Качество масла М, ранг х2 1 -1 0 1 Качество топлива Кт, отн. ед. х3 0,8 0,2 1 1,8 Удельный угар масла gy, г/(кВт×ч) х4 1,5 1 2,5 4 С целью создания более полной картины современных эксплуатирумых в Дальневосточном бассейне форсированных судовых двигателей с повышенной и средней частотой вращения промежуток варьирования pme был принят 0,5-2,0 МПа. Двигатель эксплуатировался по своей нагрузочной характеристике. Так как математическое ожидание нагрузки (мощности) необходимо было выдержать по значениям pme - 0,5; 1,25 и 2,0 МПа, ориентируясь на рекомендации [1], подбирали режимы работы. В табл. 2 приведена матрица планирования эксперимента и результаты её обработки. Таблица 2 Матрица планирования эксперимента и результаты её обработки № х0 х1 х2 х3 х4 АЩ АК АНРП АСм АСО 1 1 1 1 0 0 117,6 156,5 131,0 74,7 183,3 2 1 1 -1 0 0 30,9 112,1 123,3 17,3 424,9 3 1 -1 1 0 0 95,2 49,4 35,8 159,5 321,5 4 1 -1 -1 0 0 39,1 60,6 133,2 79,7 186,9 5 1 0 0 1 1 62,8 147,0 256,6 513,8 263,8 6 1 0 0 1 -1 21,1 166,5 214,3 252,1 30,1 7 1 0 0 -1 1 67,3 160,2 283,2 171,1 99,5 8 1 0 0 -1 -1 14,4 59,4 93,8 421,2 57,6 9 1 0 0 0 0 47,3 75,3 103,8 167,0 103,4 10 1 1 0 0 1 151,4 273,3 219,9 198,6 471,9 11 1 1 0 0 -1 25,7 98,1 104,0 208,5 120,5 12 1 -1 0 0 1 110,4 129,2 267,6 315,4 315,0 Окончание табл. 2 № х0 х1 х2 х3 х4 АЩ АК АНРП АСм АСО 13 1 -1 0 0 -1 65,0 121,0 11,2 32,4 213,6 14 1 0 1 1 0 54,0 87,7 182,3 86,8 195,1 15 1 0 1 -1 0 55,4 88,4 95,8 125,4 31,1 16 1 0 -1 1 0 12,8 127,8 216,4 417,6 82,3 17 1 0 -1 -1 0 23,1 47,3 237,9 85,6 246,4 18 1 0 0 0 0 52,4 83,9 115,7 185,2 114,7 19 1 1 0 1 0 70,2 183,7 192,2 413,0 190,8 20 1 1 0 -1 0 24,7 228,0 76,1 106,1 246,7 21 1 -1 0 1 0 18,7 138,1 62,6 100,1 181,7 22 1 -1 0 -1 0 39,9 66,6 125,0 206,7 73,8 23 1 0 1 0 1 142,1 130,5 184,2 207,0 364,0 24 1 0 1 0 -1 70,3 56,0 215,1 10,9 15,9 25 1 0 -1 0 1 47,1 77,4 355,0 142,5 212,0 26 1 0 -1 0 -1 20,0 59,6 107,4 266,8 292,2 27 1 0 0 0 0 47,4 75,4 104,0 167,4 103,7 Используемому моторному маслу М-14-Д2 (цл 20) присвоен код ранга (0). Ранги (-1) и (1) были закреплены за моторными маслами М-14-Г2 (цс) и М-14-Д2 (цл 30) соответственно. Используя теорию [3], качественную характеристику употребляемого топлива принимаем как показатель Кт. В проводимом эксперименте расход ММ на угар обозначался как удельный показатель gу, г/(кВт·ч). Его воздействие на интенсивность старения масла весьма ощутимо. В центре плана эксперимента, согласно матрице планирования, было предусмотрено проведение трёх опытов, выполненных параллельно, для последующего расчёта дисперсии воспроизводимости. Ориентируясь на формулы, задействованные в работе [4], мы обозначили коэффициенты. В проведённых опытах № 9, 18, 27, а также во всех точках плана для возможности вычисления дисперсии адекватности и воспроизводимости вычисляли суммы квадратов отклонений расчётных значений ŷ. По окончании приведения исходных факторов к их натуральному виду мы создали модели старения масла в виде: АЩ = 137,30 - 136,69pme - 1,25М + 46,78Кт - 36,64gy + 10,20pmeМ + 27,80pmeКт + +17,85pmegy + 7,45Мgy + 25,71pme2 - 40,77Кт2 + 6,92gy2; АК = 184,75 - 191,72pme - 21,43М + 47,65Кт - 63,69gy + 18,53pmeМ - 48,25pmeКт + 37,11pmegy - - 25,38МКт + 9,45Мgy - 25,07Ктgy + 80,52pme2 - 25,12М2 + 48,13Кт2 + 12,44gy2; АНРП = 28,72 + 170,16pme + 11,08М - 110,17Кт - 43,90gy + 35,04pmeМ + 74,38pmeКт - 31,23pmegy + + 33,75МКт - 46,42Мgy - 30,65Ктgy - 57,21pme2 + 34,76М2 + 57,98Кт2 + 31,84gy2; АСм = 529,88 + 167,32pme - 46,46М - 673,80Кт - 147,10gy + 172,30pmeКт - 65,09pmegy - - 115,81МКт + 53,40Мgy + 106,63Ктgy - 70,76pme2 - 69,58М2 + 130,69Кт2 + 28,33gy2; АСО = 480,12 - 529,26pme - 152,07М + 136,74Кт - 170,76gy - 125,40pmeМ - 68,25pmeКт + + 55,56pmegy + 102,54МКт + 71,39Мgy + 39,96Ктgy + 198,81pme2 + 64,96М2 - 65,83Кт2 + 23,34gy2. В табл. 3 приведены результаты обработки матрицы планирования эксперимента. Таблица 3 Результаты обработки матрицы планирования эксперимента Ai* / bi** АЩ АК АНРП АСм АСО b0 49,03 78,20 107,83 173,20 107,27 b1 4,35 40,57 17,59 10,37 28,80 b2 30,13 6,98 -27,42 -28,77 -27,82 b3 1,23 16,74 17,72 55,61 15,73 b4 30,38 29,75 68,39 29,71 83,03 b12 7,65 13,90 26,28 -5,60 -94,05 Окончание табл. 3 Ai* / bi** АЩ АК АНРП АСм АСО b13 16,68 -28,95 44,63 103,38 -40,95 b14 20,08 41,75 -35,13 -73,23 62,50 b23 2,23 -20,30 27,00 -92,65 82,03 b24 11,18 14,18 -69,63 80,10 107,08 b34 -2,80 -30,08 -36,78 127,95 47,95 b11 16,62 45,29 -32,18 -39,80 111,83 b22 6,47 -25,12 34,76 -69,58 64,96 b33 -23,93 30,80 37,11 83,64 -42,13 b44 17,72 27,99 71,63 63,74 52,52 * Аi - удельная скорость старения ММ по i-ому направлению, приходящаяся на единицу поверхности ометаемой поршнем цилиндровой втулки с учётом времени контакта газов с масляной плёнкой. **bi - коэффициент уравнения регрессии. Анализируя полученные уравнения, ориентированные на различные направления процесса старения масла, мы установили, что степень глубины его окисления максимально зависит от качества. Замечено, что при увеличении степени окисления и кислотности ММ величина фактора pme также имеет большое значение. По всем направлениям старения ММ, в частности по параметру загрязнения НРП, ключевое значение имеет качество используемого топлива. Имеет место достаточно специфичная зависимость параметры Ai (gу). Когда наблюдаются снижения интенсивности старения масла до минимального уровня, становится явным присутствие характерной зоны угара. Подразумевая, что работа судового двигателя была стабильной, принимаем допустимым в масле содержание НРП, присадок и других продуктов старения. При использовании ММ в двигателе VASA 20 с фиксированием различного угара к моменту стабилизации показателей масла у большей части зависимостей сi¥(gу) наблюдаются точки экстремума. В диапазоне угара от 1,5 до 2,5 г/(кВт·ч) зафиксированы минимальные значения продуктов глубокого окисления, концентрации НРП, смол и кислотности, однако значение параметра щёлочности максимально. На рис. можно наблюдать выявленное увеличение кислотности ММ, смолообразования и степени окисления при резком снижении щёлочности в периоде уменьшения угара масла gу с 2,5 до 0,7 г/(кВт·ч). Зависимость скорости старения масла (по параметру окисления) от его угара при эксплуатации дизеля на основном режиме Возникновение этого процесса в промежутке от 2,5 до 0,7 г/(кВт·ч) можно обосновать тем, что маслообмен предельно низок. При этом, если проводить сравнение удельной скорости старения и угара масла, можно отметить, что второй процесс более интенсивен [5, 6]. Ввиду усугубления процесса старения масла по основным его направлениям, отсутствует возможность даже при увеличении маслообмена изменить значение угара от оптимального до 4 г/(кВт·ч). Всё вышеперечисленное имеет отрицательное влияние на показатели сi∞, Щ∞, К∞. Снижение щёлочности Щ, увеличение загрязнения масла НРП и его окисление СО наиболее ярко выражены при повышении gу. Одновременно несущественные отклонения получают параметры Cм и К . Наибольшее расхождение показателей, участвующих в эксперименте и заложенных для процесса моделирования сi∞ (см. рис.), не превысило 12 %. Если при проведении этапа наблюдалась стабилизация, то натурным определением закреплялось экспериментальное значение сi∞. Если на этапе стабилизация не наблюдалась, то расчёт показателей выполняли по полученным замерам, с учётом идентификации экспонент. Заключение Подводя итог проведённых испытаний на двигателе VASA 20 с использованием разных масел, заключаем, что применение ММ, которые входят в группу Г2, недопустимо для двигателей, обладающих высоким наддувом. Для эффективной и продолжительной работы судовых двигателей, обладающих средним и низким наддувом, на дистиллятных топливах рекомендуем применять ММ М-14-Г2 (цс) с показателем щелочности 9-10 мгКОН/г. Следует отметить, что для работающих на топливах глубокой переработки нефти судовых форсированных двигателей допустимо применение масел марок М-14-Д2 (цл 20) и М-14-Д2 (цл 30) как обладателей высоких показателей нейтрализующих и моторных свойств. Также при снижении gy ниже 2 г/(кВт×ч) износ деталей цилиндропоршневой группы происходит интенсивней ввиду увеличения в работающем масле грубодисперсных НРП. По результатам прошедшего экспериментального моделирования выведены уравнения, применив которые для работы тронкового дизеля, возможно провести расчёт общей ai и удельной Аi скорости старения ММ, имея исходными данными значения угара масла, качества применяемых горюче-смазочных материалов и форсировки двигателя. При использовании кинетических уравнений экспоненциального типа становится возможным создание прогноза состояния ММ в функции от времени его работы с ориентировкой на скорость процесса старения.
1. Kicha G. P., Perminov B. N., Nadezhkin A. V. Resursosberegayuschee masloispol'zovanie v sudovyh dizelyah: monogr. Vladivostok: Izd-vo MGU im. adm. G. I. Nevel'skogo, 2011. 372 s.
2. Kicha G. P., Tarasov M. I. Konstruktivnye ekspluatacionnye metody snizheniya ugara motornogo masla v sudovyh dizelyah // Nauch. problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka. 2017. № 3-4. S. 138-143.
3. Gauk G. A. Vliyanie ugara motornogo masla na intensivnost' ego stareniya v sudovom dizele // Nauch. problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka. 2010. № 2. S. 239-243.
4. Spiridonov A. A. Planirovanie eksperimenta pri issledovanii tehnologicheskih processov. M.: Mashinostroenie, 1981. 184 s.
5. Nadezhkin A. V., Kicha G. P., Semenyuk L. A. Optimizaciya rezhimov kombinirovannoy ochistki motornogo masla v sudovyh dizelyah metodami variacionnogo ischisleniya // Mor. intellektual. tehnologii. 2017. № 3. T. 2. S. 93-101.
6. Manicyn V. V., Sobolenko A. N. Analiz povrezhdeniy ramovyh podshipnikov dvigateley 8NVD-2U na promyslovyh sudah // Vestn. Gos. un-ta mor. i rech. flota im. adm. S. O. Makarova. 2016. № 6. S. 150-155.
