Россия
УДК 621.436 Дизели. Двигатели с воспламенением от сжатия
Повышение эффективности высокооборотных дизельных двигателей может быть выполнено за счет оптимизации работы элементов масляной системы – уменьшения насосных затрат. Повышенные затраты на привод масляных насосов связаны с работой двигателя на высоковязких маслах, работой непрогретого двигателя и эксплуатацией двигателя с загрязненным масляным фильтром. На степень загрязнения моторного масла влияет режим работы дизельного двигателя, климатические условия эксплуатации, качество дизельного топлива, марка применяемого моторного масла. Проведены стендовые исследования рабочих параметров масляных фильтров и их влияния на эксплуатационные показатели масляного насоса в широком диапазоне частот вращения. Результаты выполненных исследований приведены в виде графических и аналитических зависимостей. Представлены зависимости расхода моторного масла в напорную магистраль, линию слива и значения производительности масляного насоса при использовании четырех различных моделей масляных фильтров: ФМ 009-1012005, WL7133, SM 108 и M-019 (загрязненный). Дополнительно определено влияние исследуемых режимов на распределение давления моторного масла, создаваемого масляным насосом, давления в напорной магистрали, перепада масляного давления на исследуемых масляных фильтрах и с учетом разрежения на линии всасывания. Представленные зависимости дают возможность осуществить оценку работы предохранительного клапана масляной системы и состояния фильтрующего элемента. Зависимость перепада давления на загрязненном фильтре модели M-019 ожидаемо отличается от других исследуемых моделей фильтров и указывает на наличие повышенных энергетических потерь для привода масляного насоса при общем снижении подачи моторного масла в напорную магистраль системы смазки.
высокооборотный дизельный двигатель, система смазки, моторное масло, масляный насос, масляный фильтр, стендовые испытания
Введение
Одним из способов повышения энергоэффективности высокооборотных дизельных двигателей судового назначения является оптимизация работы элементов системы смазки, а именно стремление к уменьшению насосных затрат. Повышенные энергозатраты для привода масляных насосов связаны с работой двигателя на высоковязких маслах, непрогретого двигателя (у которого неисправна система охлаждения) и эксплуатацией двигателя с загрязненным масляным фильтром. Согласно рекомендациям предприятий – производителей двигателей [1], замена масляных фильтров осуществляется при каждой замене моторного масла, а именно при отработке 500 ч. На степень загрязнения моторного масла влияет режим работы двигателя, климатические условия эксплуатации, качество дизельного топлива, марка примененного моторного масла.
Постановка задачи. Рациональным направлением научных исследований относительно повышения эффективных показателей ДВС является изучение влияния условий эксплуатации на загрязнение моторного масла, уменьшение влияния присадок, изменение его физических свойств с целью корректирования регламентной периодичностью замены моторного масла и перевода ДВС с планово-предупредительной системы технического обслуживания и ремонта на систему согласно реальному техническому состоянию. Использование масляных фильтров с увеличенной площадью фильтрационного материала обеспечивает возможность работать с увеличенным ресурсом.
Для определения оптимальных сроков технического использования масляных фильтров необходимо исследовать их главные эксплуатационные показатели в составе конкретных систем смазки высокооборотных дизельных двигателей и установить в соответствии с их характеристиками критерии целесообразности замены.
Основной целью статьи являются стендовые исследования рабочих параметров масляных фильтров и их влияния на эксплуатационные показатели масляного насоса в широком диапазоне частот оборотов.
Материалы исследования
Изучение влияния составных элементов систем смазки тронковых ДВС, которые характеризуются наличием в их составе масляных насосов (типа spin-on) и полнопоточных масляных фильтров, на эксплуатационные параметры таких систем, невозможно без учета изменения параметров масляных фильтров во время их эксплуатации [1].
В качестве фильтровального материала в масляных фильтрах производители обычно используют фильтрованную бумагу, которая состоит из натуральных и синтетических волокон (например, полиэстеры и полиамиды), которые пропитываются различными смолами [2]. В процессе эксплуатации происходит природное загрязнение фильтрующего материала, что приводит к изменению фильтрующей способности фильтра и к повышению перепада давления на нем.
Особенностью конструкции картриджного фильтра является наличие обратного (антидренажного) и перепускного клапанов [3]. Антидренажный клапан необходим для противодействия стекания моторного масла из фильтров во время остановки двигателя. Перепускные же клапаны необходимы для разгрузки фильтрующих элементов во время запуска и работы двигателя на холодных оборотах и, соответственно, вязких маслах и для обеспечения двигателя маслом при загрязненных фильтрующих элементах. Масляный фильтр исполняется в металлическом корпусе, который оснащен присоединенной резьбой или в бескорпусном варианте. Дополнительно в масляных системах устанавливают предохранительные клапаны, которые обеспечивают поддержку заданного производителем давления масла в нагретой магистрали.
Таким образом, очевидно, что использование фильтров разных производителей и разные степени загрязнения фильтрующих элементов будут приводить к изменению расхода моторного масла через напорную магистраль двигателя. Наличие вышеуказанных элементов в составе контура подачи и очистки моторного масла системы смазки приводит к необходимости создания разработки алгоритмов диагностики их работоспособности, особенно определения их допустимых (граничных) параметров.
Аналитические описания таких масляных фильтров (рис. 1) и их замены в процессе эксплуатации не будут окончательно точными без учета расходной характеристики фильтра в реальных условиях эксплуатации и особенностей технического состояния масляного насоса, а также настройки предохранительного клапана. Важным аспектом, который определяется условиями эксплуатации дизельного ДВС, считается температурный режим моторного масла и его вязкостно-температурная характеристика.
Рис. 1. Конструкция масляного фильтра баночного типа
Fig. 1. Design of a can-type oil filter
Для проведения таких исследований совместно со специалистами кафедры двигателей внутреннего сгорания ФГБОУ ВО «Луганский государственный университет имени Владимира Даля» изготовлен стенд для исследования эксплуатационных параметров элементов смазочной системы высокооборотных ДВС, а именно по контуру подачи и очистки моторного масла. Подробное описание стенда приведено в источнике [3]. Схема установки фильтра на стенде показана на рис. 2, а гидравлическая схема стенда – на рис. 3. Стендовые испытания проводились с использованием шестеренчатого односекционного масляного насоса 50-1403010Б1 и корпуса масляного фильтра дизельного ДВС Д-246.4 производства Минского моторного завода, который используется в составе дизель-генераторных установок, в том числе и судового исполнения [4]. Технические данные масляного насоса [4] приведены в табл. 1.
Рис. 2. Конструкция установки масляного фильтра: 1 – корпус фильтра; 2 – жидкостно-масляный теплообменник; 3 – штуцер; 4 – прокладка жидкостно-масляного теплообменника; 5 – противодренажный клапан; 6 – перепускной клапан
Fig. 2. Design of the oil filter installation: 1 – filter housing; 2 – liquid-oil heat exchanger; 3 – fitting; 4 – liquid-oil heat exchanger gasket; 5 – anti-drain valve; 6 – bypass valve
Рис. 3. Гидравлическая система стенда: D1, D2 – дроссели; PI1 и PI2 – вакуумметр и манометр соответственно; GP – масляный насос; FM1 и FM2 – расходомеры; V1 – предохранительный клапан; V2 – трехходовой клапан; V3 – противодренажный клапан масляного фильтра; V4 – перепускной клапан масляного фильтра; F1 – фильтровальный элемент; Тl1 – термометр (Pt100); РТ – цифровой датчик давления масла; Т – масляный бак; LO – показатель уровня масла; Н – электрический нагревательный элемент моторного масла
Fig. 3. Hydraulic system of the bench: D1, D2 – throttles; PI1 and PI2 – vacuum gauge and pressure gauge, respectively; GP – oil pump; FM1 and FM2 – flow meters; V1 – safety valve; V2 – three-way valve; V3 – oil filter anti-drain valve; V4 – oil filter bypass valve; F1 – filter element; Tl1 – thermometer (Pt100); PT – digital oil pressure sensor; T – oil tank; LO – oil level indicator; H – electric engine oil heating element
Таблица 1
Table 1
Технические параметры масляного насоса 50-1403010Б1
Technical specifications of the 50-1403010B1 oil pump
|
Параметр |
Значение |
|
Номинальная частота оборотов вала насоса, мин–1 |
2 800 |
|
Давление масла на выходе из насоса, МПа |
0,70–0,75 |
|
Номинальная объемная подача, л/мин |
43 |
|
Мощность, используемая на привод насоса, кВт |
≤ 1,1 |
В масляном фильтре перепускной клапан должен открываться при перепаде на нем давления масла в пределах 0,13–0,17 МПа [5–7]. В исследовании в качестве образцов использовались фильтры, рекомендуемые предприятием-изготовителем для данного типа дизельных ДВС, параметры которых представлены в табл. 2.
Фильтр модели ФМ 009-1012005 находился в эксплуатации 70 ч от момента запуска ДВС и фактически использовался в процессе работы двигателя. При экспериментальных исследованиях использовался фильтр модели М-109, который применялся после работы на двигателе между периодами регламентной замены моторного масла. Все другие фильтры до момента установки на экспериментальный стенд в эксплуатации не находились.
Эксплуатационные параметры составляющих системы исследованы с применением моторного масла, соответствующего индексу вязкости SAE 30. Температура моторного масла поддерживалась в пределах 83–87 °C. Исследования проводились при неизменных настройках предохранительного клапана и перепускного сечения стендового дросселя, который имитировал расход моторного масла через трибоузлы и элементы двигателя.
Таблица 2
Table 2
Параметры масляных фильтров, рекомендуемых для ДВС Д-246.4
Parameters of oil filters recommended for the Д-246.4 engine
|
Параметр |
Марка фильтра |
|||
|
ФМ 009-1012005 |
WL 7133 |
SM 108 |
M-109 |
|
|
Внутренний диаметр 1, мм |
71,4 |
72,0 |
72,0 |
72,0 |
|
Внутренний диаметр 2, мм |
61,5 |
62,5 |
62,0 |
62,0 |
|
Внешний диаметр, мм |
97,5 |
95,0 |
93,0 |
98,0 |
|
Высота, мм |
117,5 |
181,0 |
142,0 |
128,0 |
|
Степень очистки, мкм |
< 45 |
12 |
– |
– |
|
Площадь фильтрации, м2 |
– |
37 |
– |
– |
|
Дифференциальное давление открытия перепускного клапана, МПа |
0,13–0,17 |
0,25 |
0,25 |
– |
|
Давление открытия антидренажного клапана – 0,10 МПа |
||||
|
Тип присоединительной резьбы 3/4-16 UNF |
||||
Результаты проведенных испытаний представлены в виде графических зависимостей. На рис. 4 представлены зависимости расхода моторного масла в напорную магистраль, линию слива и значение продуктивности масляного насоса при использовании четырех разных моделей масляных фильтров.
Полученные значения расхода моторного масла при исследовании фильтров ФМ 009-1012005, WL 7133 и SM 108 демонстрируют схожие зависимости. Расхождение между продуктивностью масляного насоса при максимальной наблюдаемой частоте оборотов масляного насоса составило 3,51 л/мин, что зафиксировано между фильтрами ФМ 009-1012005 и SM 108.
Анализ расходных характеристик в напорную магистраль и линию слива при установленном фильтре ФМ 009-1012005 дает возможность резюмировать о том, что величина расхода масла в линию слива за счет большего его гидравлического сопротивления превышает аналогичные значения фильтров WL 7133 и SM 108: 21 и 26 л/мин против 20,03 и 17,94 л/мин.
Дополнительно получена зависимость давления после масляного насоса, после масляных фильтров и значения снижения давления на масляных фильтрах от частоты вращения вала привода масляного насоса. Эти зависимости, которые получены с использованием фильтра модели ФМ 009-1012005, представлены на рис. 5 и в аналитических уравнениях:
где n – частота вращения вала масляного насоса, мин–1; pМ – давление масляного насоса, кг/см2; pНМ – давление в напорной магистрали, кг/см2; pМФ – давление на масляном фильтре, кг/см2; pВ – давление вакуума на линии всасывания, равное 10 кг/см2.
Аналогичные графики и математические зависимости для фильтра М-019 представлены, соответственно, на рис. 6 и в уравнениях:
Зависимости, полученные с использованием фильтра ФМ 009-1012005, также являются типовыми для фильтров WL 7133 и SM 108.
Сравнение этих зависимостей с результатами, которые характеризуют расход моторного масла, указывает на то, что начало срабатывания предохранительного клапана приходится на значение частоты оборотов входного вала масляного насоса 1 000 мин–1. Это выражено уменьшением нарастания давления, но в то же время после значения частоты вращения 1 200 мин–1 начальная тенденция увеличения давления сохраняется до частоты оборотов 2 500 мин–1. Дальнейшее изменение нарастания давления может объясняться срабатыванием перепускного клапана масляного фильтра при перепаде давления 1,75 кг/см2, что наблюдается после частоты вращения 2 500 мин–1.
Другую картину распределения давления можно наблюдать для загрязненного фильтра. Насос вынужден работать при повышенных параметрах давления, соответственно, момент срабатывания предохранительного клапана смещен в нерабочую зону частоты вращения масляного насоса стенда. Момент срабатывания перепускного клапана соответствует значению перепада давления 3,0 кг/см2, что соответствует частоте вращения вала масляного насоса 1 250 мин–1.
Рис. 4. Зависимость продуктивности масляного насоса ● и расхода моторного масла в напорную масляную магистраль ▲ и линию слива ■ при установленном масляном фильтре: а – ФМ 009-1012005; б – SM 108; в – WL 7133; г – М-109
Fig. 4. Dependence of oil pump productivity ● and the flow rate of engine oil into the pressure oil line ▲ and the drain line ■ with the oil filter installed: а – ФM 009-1012005; б – SM 108; в – WL 7133; г – М-109
 |
 |
|
Рис. 5. Зависимость давления масляного насоса ●, давления в напорной магистрали ■, перепада давления ▲ на масляном фильтре ФМ 009-1012005 и вакуума на линии всасывания масляного насоса ♦ Fig. 5. Oil pump pressure dependence ●, pressure in the pressure line ■, pressure drop ▲ on the oil filter ФМ 009-1012005 and vacuum on the suction line of the oil pump ♦ |
Рис. 6. Зависимость давления масляного насоса ●, давления в напорной магистрали ■, перепада давления ▲ на масляном фильтре М-0198 Fig. 6. Dependence of the oil pump pressure ●, pressure in the pressure line ■, pressure drop ▲ on the M-0198 oil filter and vacuum on the suction line of the oil pump ♦ |
Таким образом, зафиксировано начало условий эксплуатации ДВС, при котором частично к смазываемым узлам поступает неочищенное моторное масло. Это влияет на интенсивность износа трубопроводов двигателя, особенно подшипников скольжения коленчатого вала, распределительного вала и газотурбонагнетателя. Похожие ситуации описаны в [8–11].
Главной зависимостью, которая характеризует пропускную способность масляных фильтров, является функция перепада давления на них от пропускной способности. Совокупные данные зависимости представлены на графиках (рис. 7).
Рис. 7. Зависимости перепада давления на фильтрах в зависимости от их пропускной способности:
● – М-019 (засоренный); ■ – WL 7113; × – ФМ 009-1012005; ▲ – SM 108
Fig. 7. Pressure drop dependencies on filters depending on their capacity:
● – M-019 (clogged); ■ – WL 7113; × – ФM 009-1012005; ▲ – SM 108
Заключение
В результате проведенной серии экспериментальных исследований контура подачи и очистки моторного масла для смазочной системы с использованием четырех моделей масляных фильтров типа spin-on получены графические и аналитические зависимости расхода масляным насосом к главной масляной магистрали и к линии слива.
Дополнительно определено влияние исследуемых режимов на распределение давления моторного масла, создаваемого масляным насосом, давления в напорной магистрали, перепада масляного давления на исследуемых масляных фильтрах и с учетом разрежения (вакуума) на линии всасывания. Представленные зависимости дают возможность осуществить оценку работы предохранительного клапана масляной системы и состояние фильтрующего элемента.
Зависимость перепада давления на загрязненном фильтре модели M-019 ожидаемо отличается от других исследуемых моделей фильтров и указывает на наличие повышенных энергетических потерь для привода масляного насоса при общем снижении подачи моторного масла в напорную магистраль системы смазки.
Следующие исследования целесообразно провести в направлении определения критериев диагностирования технического состояния составляющих контура подачи и очистки моторного масла системы смазывания элементов ДВС.
1. Mollenhauer K., Tschoeke H. Handbook of Diesel Engines. Berlin: Springer, 2010. 636 p.
2. Техническая брошюра по фильтрам: Servise tips&info. Motorservice, Technical Market Support. MS International GmbH, 2014. 48 с.
3. Доценко Д. М., Данилейченко А. А., Брянцев М. А. Испытание дизеля 4Ч8,5/11 с волновым обменником давления // Молодежь и наука XXI века: материалы Междунар. науч. конф. (Ульяновск, 13 декабря 2018 г.). Ульяновск: Изд-во УлГАУ, 2018. Т. 1. С. 487–492.
4. Двигатели Д-246.1, Д-246.2, Д-246.3, Д-246.4: рук. по эксплуатации. Минск: Изд-во Минск. мотор. завода, 2010. 104 с.
5. Зорин В. А. Основы работоспособности технических систем: учеб. М.: Академия, 2009. 208 с.
6. Botov S. Investigation on Novel Polymer Filter Medium for Filtration of Automotive Lubricants. Dissertation Submitted to the Department of Mechanical Engineering, University of Sheffield in Partial Fulfilment of the Requirements for the Degree of Master of Philosophy. May 2016. Sheffield, United Kingdom. 156 p.
7. Babicz J. Wärtsilä Encyclopedia of ship technology. Helsinki: Wärtsilä corporation, 2015. 659 p.
8. Belousov I., Bulgakov M., Savchuk V. Modern Marine Internal Combustion Engines: Springer Series on Naval Architecture, Marine Engineering, Shipbuilding and Shipping. Germany, 2020. V. 8. 385 p.
9. MANN+HUMMEL Filters for Liquids: Spin-on oil Filters. Speyer, Germany, 2020. 126 p.
10. Берденников А. А. Оптимизация режимов работы судового дизеля с винтом регулируемого шага // Системы управления и обработки информации. СПб.: НПО «Аврора», 2015. Вып. 30. С. 50–62.
11. Каракаев А. Б., Хекерт Е. В., Трапезникова Д. А. Методы оптимизации алгоритмов управления судовыми электроэнергетическими системами с целью повышения качества оптимизации // Эксплуатация мор. трансп. 2022. № 2 (103). С. 76–79.
