ПОЛНОПОТОЧНАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ ФИЛЬТРОВАНИЕМ И ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЕМ ТОНКАЯ ОЧИСТКА МОТОРНОГО МАСЛА В СУДОВЫХ ДИЗЕЛЯХ
Авторы:
1.
Морской государственный университет имени адмирала Г. И. Невельского
(доктор технических наук, профессор; заведующий кафедрой судовых двигателей внутреннего сгорания)
2.
Морской государственный университет имени адмирала Г. И. Невельского
(аспирант кафедры судовых двигателей внутреннего сгорания)
Тип:
Статья
Страницы:
с 62
по 69
Статус:
Опубликован
Получено:
20.05.2018
Одобрено:
25.05.2018
Опубликовано:
25.05.2018
Классификаторы:
УДК 621.43.013: 629.3
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
моторное масло, очистка масла, фильтрование, центрифугирование, комбинированная система очистки, изнашивание деталей двигателя
Аннотация (русский):
Анализируются достоинства и недостатки очистки моторного масла в двигателях внутреннего сгорания фильтрованием и центрифугированием. Сформулированы принципы повышения эффективности тонкой очистки масла комбинированием этих методов. Приводится схема перспективной системы тонкой очистки моторного масла, наиболее полно реализующей достоинства полнопоточного фильтрования и центрифугирования для двухконтурной системы смазки форсированных двигателей внутреннего сгорания. Показаны условия эксплуатации дизелей, при которых преимущества фильтрования и центрифугирования могут быть реализованы в полной мере. Рассчитаны показатели по удельному индексу производительности и пропускной способности центробежного очистителя, способствующие достижению минимальной скорости изнашивания деталей двигателя и продлению срока службы фильтрующих элементов. Изложены перспективы применения полнопоточной системы тонкой очистки моторного масла в форсированных двигателях с последовательным соединением агрегатов очистки с разными принципами разделения сложных гетерогенных полидисперсных систем, к которым относятся продукты загрязнения смазочных систем. Особенно эффективно использование разработанной комбинированной системы тонкой очистки в судовых дизелях с повышенной частотой вращения, работающих на винтовой характеристике. Сообщается о результатах моторных испытаний в судовых тронковых форсированных дизелях новой комбинированной системы тонкой очистки смазочного масла. Проанализированы результаты эксплуатационных испытаний на судовом дизеле ДД108 (8ЧСПН 18/22) комбинированной системы очистки моторного масла, сочетающей достоинства полнопоточного фильтра и последовательно подключённой к нему центрифуги с напорным сливом. Сравниваются показатели эффективности штатной и опытной комбинированной системы очистки моторного масла по влиянию на его старение, износ, нагаро- и лакообразование дизеля.
Анализируются достоинства и недостатки очистки моторного масла в двигателях внутреннего сгорания фильтрованием и центрифугированием. Сформулированы принципы повышения эффективности тонкой очистки масла комбинированием этих методов. Приводится схема перспективной системы тонкой очистки моторного масла, наиболее полно реализующей достоинства полнопоточного фильтрования и центрифугирования для двухконтурной системы смазки форсированных двигателей внутреннего сгорания. Показаны условия эксплуатации дизелей, при которых преимущества фильтрования и центрифугирования могут быть реализованы в полной мере. Рассчитаны показатели по удельному индексу производительности и пропускной способности центробежного очистителя, способствующие достижению минимальной скорости изнашивания деталей двигателя и продлению срока службы фильтрующих элементов. Изложены перспективы применения полнопоточной системы тонкой очистки моторного масла в форсированных двигателях с последовательным соединением агрегатов очистки с разными принципами разделения сложных гетерогенных полидисперсных систем, к которым относятся продукты загрязнения смазочных систем. Особенно эффективно использование разработанной комбинированной системы тонкой очистки в судовых дизелях с повышенной частотой вращения, работающих на винтовой характеристике. Сообщается о результатах моторных испытаний в судовых тронковых форсированных дизелях новой комбинированной системы тонкой очистки смазочного масла. Проанализированы результаты эксплуатационных испытаний на судовом дизеле ДД108 (8ЧСПН 18/22) комбинированной системы очистки моторного масла, сочетающей достоинства полнопоточного фильтра и последовательно подключённой к нему центрифуги с напорным сливом. Сравниваются показатели эффективности штатной и опытной комбинированной системы очистки моторного масла по влиянию на его старение, износ, нагаро- и лакообразование дизеля.
Ключевые слова:
моторное масло, очистка масла, фильтрование, центрифугирование, комбинированная система очистки, изнашивание деталей двигателя
моторное масло, очистка масла, фильтрование, центрифугирование, комбинированная система очистки, изнашивание деталей двигателя
Разрешить противоречия между надёжностью защиты пар трения дизелей от крупных частиц (диаметром более 50 мкм) и тонкостью отсева, глубиной очистки и сроком эксплуатации фильтрующих элементов (ФЭ), свойственные используемым в настоящее время на судах маслоочистителям (МО), предлагается за счёт комбинированной очистки масла. Наибольшее распространение для очистки моторного масла (ММ) на судах получили процессы фильтрования и центрифугирования. Прогноз развития МО в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) определил перспективу применения для этой цели центрифугирования и фильтрования как наиболее результативных способов стабилизации физико-химических и моторных характеристик масел с присадками и защиты двигателя от абразивного изнашивания. Рассматриваемым методам очистки нет альтернативы, и можно обоснованно утверждать, что для современных ДВС и тепловых двигателей будущего высокоэффективные фильтры и центрифуги останутся самыми действенными агрегатами для обеспечения экономичной ресурсосохраняющей эксплуатации дизелей. Они доминируют почти во всех современных конструкциях МО, используемых в ДВС. Сравнение эффективности очистки моторного масла центрифугированием и фильтрованием В работах [1, 2] проанализированы возможности рассматриваемых способов очистки. При этом подчёркивается, что полностью реализовать достоинства каждого из них и устранить имеющиеся недостатки довольно сложно. Например, если улучшать показатель тонкости отсева при применении полнопоточного тонкого фильтрования ММ в тронковых дизелях, растёт гидравлическое сопротивление фильтра, падает грязеёмкость и срок службы ФЭ [2]. В период пуска двигателя фильтр довольно долго работает с открытым перепускным клапаном, что приводит к попаданию в подшипники крупных абразивных частиц, которые могут привести к заклиниванию пар трения и проворачиванию вкладышей. Достоинства центрифугирования, заключающиеся в высокой интенсивности удаления из ММ общих и особенно зольных нерастворимых продуктов (НРП), вступают в противоречие со скоростью удаления из масла присадок. Центробежные очистители имеют невысокую пропускную способность, поэтому не могут использоваться для полнопоточной очистки масла в дизелях большой мощности [1]. Сравнение МО, использующих фильтровальный и центробежный методы очистки, показало их разное воздействие на загрязнение ММ. Анализу подлежали фильтры, включающие полнопоточные элементы из нетканых материалов с развитой поверхностью фильтрования в форме многолучевой звезды, и центрифуги с напорным сливом, имеющие гидрореактивный привод [1]. Сопоставление эффективности фильтров и центрифуг (табл.1) позволило выявить положительные и отрицательные стороны рассматриваемых методов очистки. Таблица 1 Сравнение эффективности очистки смазочного масла в ДВС центрифугированием и фильтрованием Показатель эффективности очистки Центрифугирование Фильтрование Победитель % Интенсивность очистки 100* 6 Ц Уровень загрязнения ММ НРП: общими зольными 65 38 100 100 Ц Ц Тонкость отсева 100 84 Ф Надёжность защиты трибосопряжений ДВС от попадания абразивных частиц: на установившихся режимах работы при пуске двигателя 90 5 100 78 Ф Ф Интенсивность старения ММ 72 100 Ц Удаление присадок из масла очистителями 100 82 Ф Трудоёмкость обслуживания очистителя 100 27 Ф Эксплуатационные расходы на очиститель - 100 Ц *100 % у показателя с наибольшим значением. При сопоставимых размерах центрифуга по интенсивности очистки масла от нерастворимых примесей превосходит фильтр в среднем в 17 раз. Объясняется это более высоким коэффициентом полноты отсева у центробежного очистителя (ЦО). Поэтому при применении в системе смазки (СС) концентрация нерастворимых примесей (ГОСТ 20684-75) стабилизируется на уровне в 1,5-2,6 раза более низком, чем при фильтровании масла (табл. 1). По тонкости отсева МО сравниваемых видов идентичны. Они практически не пропускают в подшипники ДВС частицы диаметром 50 и более мкм. Выявлено, что вероятность защиты пар трения ДВС на номинальном температурном и скоростном режимах двигателя при применении фильтров и центрифуг почти одинакова [3]. При пуске двигателя этот показатель у ЦО в 16-20 раз ниже. Это вызвано тем, что тонкость отсева у центрифуг в значительной мере зависит от температуры масла. Его вязкость на этот показатель фильтра влияет незначительно. В случае же предпускового подогрева масла «прорыв» крупных частиц в трибосопряжения двигателя возможен из-за медленной раскрутки ротора ЦО, обусловленной инертностью ротора и спецификой его гидрореактивного привода. Интенсивность старения центрифугируемого масла по большинству показателей - окислению, росту кислотности, срабатыванию присадок - на 20-40 % ниже, чем фильтруемого [4]. Это обусловлено более глубокой очисткой масла от НРП, особенно зольных, катализирующих его старение. Как уже отмечалось (табл. 1), при очистке масла центрифугированием и фильтрованием средняя концентрация общих и зольных НРП в нём находится в пропорции 65:100 и 38:100. Центрифуга из-за избирательного воздействия на дисперсную фазу загрязнений, которое усиливается при увеличении плотности частиц, в 1,2 раза интенсивнее удаляет из масла присадки, находящиеся в активной форме в коллоидном состоянии. Однако на старение масла этот фактор особенного влияния не оказывает, т. к. количество отфугованных ЦО присадок чаще всего не превышает 5 % их массы, поступающей при доливе свежего масла. Срок службы ФЭ обычно в 3-8 раз больше, чем продолжительность работы центрифуг между чистками ротора. Кроме того, чистка ротора ЦО более трудоёмка, чем операция по замене фильтрующих элементов. Поэтому трудоёмкость обслуживания фильтра в 3,7 раза ниже. Преимущество же центрифуги заключается в том, что эксплуатационные расходы на неё практически отсутствуют, в то время как для обеспечения эффективной работы фильтра необходимы сменные ФЭ. Комбинированная система тонкой очистки масла в ДВС Разработка новой комбинированной системы тонкой очистки масла (КСТОМ) реализовывалась на базе следующих принципов [1, 2]: - разделение функций агрегатов очистки производится таким образом, чтобы максимально реализовывались достоинства полнопоточного фильтрования для защиты пар трения двигателя от больших абразивных частиц и центрифугирования для глубокой очистки масла от тонкодиспергированных, в особенности зольных, нерастворимых примесей; - поочередное включение агрегатов КСТОМ в СС дизелей и оптимизация их характеристик для полной реализации возможностей каждого из очистителей, что достигается сокращением массы полнопоточно фильтруемого холодного масла за счёт использования дроссельного распределителя, подачей в фильтр центрифугированного масла с увеличением его доли; - сохранение высокого качества очистки масла от НРП центрифугированием на всех скоростных режимах работы дизеля способом его автономного подвода на очистку и раскрутку ротора и установки подпорного дросселя и переливного клапана. На рис. показана схема КСТОМ, в которой воплощены изложенные принципы очистки масла в системе смазки ДВС с влажным картером. В системе смазки масло постоянно находится в масляном поддоне, а во время работы двигателя маслонасос осуществляет забор смазки из поддона, который фактически является резервуаром, после чего под давлением смазка подаётся в масляные каналы двигателя путём подключения агрегатов очистки. Через напорный золотник с обратным клапаном вспомогательный и главный контуры очистки имеют гидравлическую связь. Прошедшее сквозь полнопоточный фильтр 6, с тонкостью отсева 25-40 мкм, очищенное масло подается основным масляным насосом 4 в пары трения двигателя (маслораспределитель 13). Постоянное давление ММ перед потребителями при любой температуре масла в СС, без перепуска его мимо ФЭ через предохранительный клапан 5, поддерживает автоматически за счёт управляемого воздействия редукционный управляемый клапан 3. В главный контур циркуляции масло подаётся через центрифугу 8 с напорным сливом и золотником 7 вспомогательным насосом 10. Для поддержания давления перед центрифугой 0,7-0,8 МПа, при котором достигается наибольшая эффективность ЦО, специально отрегулирован напорный золотник. Перед соплами ротора при этом давлении фактор разделения центрифуги превышает 2 000. Если подача масла вспомогательным насосом 10 больше пропускной способности центрифуги, то через перепускной клапан 11 его избытки поступают на всасывание. Когда необходима чистка ротора ЦО на работающем двигателе, её отключение от СС происходит трёхходовым краном 9. При этом масло в центрифугу от насоса 4 не поступает по причине наличия обратного клапана в золотнике 7. Для увеличения длительности работы ФЭ без закупорки пор целесообразно подавать в фильтр предварительно центрифугированное масло. Увеличению срока службы ФЭ содействует перераспределение «грязевой» нагрузки между центрифугой и фильтром с уменьшением доли загрязнений, удаляемых последним. Функции агрегатов очистки в КСТОМ разграничены так, что для глубокой очистки от катализаторов окисления (тонкодисперсных абразивных, особенно зольных, нерастворимых примесей) используются достоинства центрифугирования, а для защиты пар трения двигателя от наиболее опасных больших частиц загрязнений - преимущества полнопоточного фильтрования [5]. От массогабаритных размеров ЦО, прокачки масла через дизель и производительности вспомогательного насоса зависит объём центрифугируемого масла. Его наращивание благоприятно влияет на срок службы ФЭ. В судовых ДВС отношение центрифугируемого масла к фильтруемому, как правило, устанавливается в диапазоне 0,2-0,8. Чем интенсивнее поступление в масло НРП и чем больше в них крупных частиц, тем больше должен быть объём центрифугированного масла [6]. Лучшую подачу масла в центрифугу, при которой скорость удаления из масла нерастворимых загрязнений станет максимальной, позволяет определить перепускной клапан 11. Наилучшие условия для функционирования фильтра создаются при режиме центрифугирования, когда последовательно подключены ЦО и фильтр [5]. Оптимальную подачу масла в центрифугу с напорным сливом типа МЦН-НС можно будет задавать регулировкой перепускного клапана, зная скорость осевого потока в роторе. Результаты экспериментальных испытаний КСТОМ на судах На моторных стендах и в эксплуатации на судах Дальневосточного бассейна авторы оценивали химмотологию КСТОМ (табл. 2). Вели проверки, применяя ОСТ 24.060.09-79, на дизелях ДД108 (8ЧНСП 18/22). Работу КСТОМ, включающую полнопоточный фильтр тонкой очистки масла (ФМП-3) и ЦО с напорным сливом МЦН-5НС, исследовали в аспекте влияния на старение масла и состояние дизеля [7]. Результаты моторных испытаний при очистке ММ только полнопоточным фильтрованием использовали в качестве базы сравнения. Опыты проводили на масле М-10-Г2(цс) и дизельном топливе ДЛ (ГОСТ 305-82) с содержанием серы 0,5 %. Таблица 2 Моторная эффективность КСТОМ в сравнении с влиянием полнопоточного фильтрования и центрифугирования на состояние масла и дизеля 8ЧНСП 18/22 Показатель ФМП-3 ФМП-3 + МЦН-5НС Состояние моторного масла: Концентрация НРП, % общих зольных 1,6 ± 0,3 0,34 ± 0,06 1,2 ± 0,2 0,2 ± 0,05 Щёлочность масла, мг КОН/г 3,4 ± 0,5 4,5 ± 1,6 Степень окисления, % 8,9 ± 9 6,8 ± 0,8 Содержание смол, % 11,8 ± 1,4 0,8 ± 0,07 Окончание табл. 2 Показатель ФМП-3 ФМП-3 + МЦН-5НС Интенсивность (скорость) старения масла, г/ч: Поступление НРП 8,2 ± 0,9 8,1 ± 0,8 Срабатывание присадок* 22,8 ± 4,1 36,8 ± 4,2 Окисление 34 ± 4 29,5 ± 3 Смолообразование 56 ± 7 38,4 ± 14 Работа маслоочистителей: Интенсивность очистки от НРП, г/ч: общих зольных 36 ± 4 42 ± 5 340 ± 42 420 ± 56 Срок службы полнопоточныхФЭ, тыс. ч 0,86 ± 0,09 1,8 ± 0,16 Скорость изнашивания деталей ДВС: Поршневых колец, г/1000 ч 3,7 ± 0,5 2,4 ± 0,3 Цилиндровых втулок, мкм/1000 ч 10,6 ± 1,2 7,4 ± 0,6 Вкладышей мотылевых подшипников, мг/1000 ч 96 ± 12 76 ± 8 Мотылевых шеек коленчатого вала, мкм/1000 ч 6,2 ± 0,6 4,8 ± 0,5 Нагаро- и лакообразование на поршнях (общая оценка), балл 8,5 ± 0,9 6,7 ± 0,6 * Скорость срабатывания присадок рассчитывалась по содержанию в них активных компонентов в пробах отбора. Наиболее низкая концентрация НРП при комбинированной очистке ММ показала её превосходство над полнопоточным фильтрованием. Например, в дизеле 8ЧНСП 18/22 после 2 тыс. ч работы с КСТОМ в ММ находилось не более 1,2 общих с и 0,2 % зольных сз нарастворимых примесей. При очистке масла полнопоточными фильтрами за рассматриваемый этап работы с и сз выше - 1,6 и 0,34 % соответственно. Окисление и срабатывание присадок замедляется при более активном удалении из масла НРП комбинированным маслоочистительным комплексом. Массовая доля активных присадок в ММ в конце этапа испытаний при работе СС с фильтром тонкой очистки масла полнопоточным (ФТОМП) составляла 22 % концентрации их в свежем масле, а при комбинированной очистке - 36 %. К 2 тыс. ч работы концентрация карбонилсодержащих соединений равнялась 7,6 %, т. к. степень окисления масла М-10-Г2(цс) на базовом этапе (ФТОМП) не стабилизировалась. При применении КСТОМ за этот же период продукты группы - C = 0 достигали уровня 6,3 %, т. е. степень окисления ММ была в 1,2 раза ниже. Более активно при очистке масла ФТОМП происходило смолообразование. Массовая доля смол (См) в интервале 0,8-2 тыс. ч работы составляла 10,5-12,8 %. В этот же период при дополнительном центрифугировании масла См находилась в границах 7-9 %. Расщепление ароматиков вследствие реакций замещения, которые активнее протекают в присутствии окислов металлов, вызывает интенсивную деструкцию углеводородов на базовом этапе. В масляной плёнке на зеркале цилиндра в высокотемпературной зоне цилиндропоршневой группы при очистке ММ фильтрованием окислов металлов было больше [5]. Увеличению срока службы ФЭ в 1,8-2,1 раза содействует уменьшение концентрации нерастворимых примесей в масле, подвергнутом комбинированной очистке. Перераспределением «грязевой» нагрузки между МО и увеличением доли центрифуги достигается сокращение расхода элементов [6]. Интенсивность очистки масла от НРП возросла в 9,5-12,6 раз после подключения в систему смазки МЦН-5НС (см. табл. 2). Возможность поступления в ФЭ частиц загрязнений диаметром более 15 мкм при применении КСТОМ составляет 50-70 % их доли в случае очистки масла только фильтром. Изнашивание основных деталей ДВС сокращается в 1,3-2 раза при использовании предлагаемой КСТОМ по сравнению с ФМП-3 (табл. 2). При применении МЦН-5НС скорость изнашивания маслосъёмных поршневых колец снизилась в 2,5 раза. При дополнительной очистке масла центрифугированием в 1,4-1,6 медленнее изнашивались компрессионные кольца и цилиндровые втулки [7, 8]. На скорость изнашивания деталей кривошипно-шатунного механизма КСТОМ оказала наименьшее воздействие. При включении в СС центрифуги шейки коленчатого вала подшипники изнашиваются в 1,3-1,5 раза менее интенсивно, чем при использовании штатной системы очистки масла [9]. Уменьшению нагаро- и лакообразования в дизелях в 1,4-1,7 раза содействовало увеличение полноты отсева масла от НРП и усиление торможения его старения при работе с КСТОМ. При этом шламообразование в картере, объём отложений в шейках коленчатого вала и поршневых полостях существенно снижаются. Выводы Для судовых тронковых форсированных дизелей разработана комбинированная система тонкой очистки ММ. Её новизна состоит: - в применении двух различных по принципу действия и избирательности отсева МО, последовательно соединённых контуров очистки; - установке фильтра со сменными ФЭ или регенерируемого типа для надёжной защиты пар трения дизеля от опасных больших частиц загрязнения на полном потоке поступающего в дизель масла; - включении центрифуги с напорным сливом во вспомогательный контур очистки с возможностью поддержания за счёт подпорного клапана высокого давления масла перед соплами гидропривода ротора и, следовательно, фактора разделения ЦО при работе дизеля сообразно винтовой характеристике; - поддержании постоянного давления масла перед его потребителями установкой на основном насосе дроссельного распределителя с обратной связью; - подаче в фильтр изначально центрифугированного масла для понижения «грязевой» нагрузки и увеличения срока службы ФЭ.
1. Кича Г. П., Перминов Б. Н., Надежкин А. В. Ресурсосберегающее маслоиспользование в судовых дизелях: моногр. Владивосток: Изд-во Мор. гос. ун-та, 2011. 372 с.
2. Кича Г. П., Таращан Н. Н., Надежкин А. В. Повышение эффективности тонкой очистки моторного масла в судовых тронковых дизелях комбинированным фильтрованием: моногр. Владивосток: Изд-во Мор. гос. ун-та, 2015. 175 с.
3. Кича Г. П. Эксплуатационная эффективность новых маслоочистительных комплексов в форсированных дизелях // Двигателестроение. 1987. № 6. С. 25-29.
4. Кича Г. П., Перминов Б. Н., Надежкин А. В., Завадский С. А. Моделирование изнашивания судовых тронковых дизелей при использовании унифицированных моторных масел // Трение и износ. 2004. Т. 25. № 6. С. 635-641.
5. Перминов Б. Н. Новые схемы и эффективность комбинированной очистки моторного масла в судовых тронковых дизелях // Судостроение. 2005. № 2. С. 37-41.
6. Кича Г. П., Липин Г. М., Полоротов С. П. Триботехнические характеристики нерастворимых продуктов загрязнения моторных масел и их влияние на износ двигателя // Трение и износ. 1986. Т. 7. № 6. С. 1068-1078.
7. Кича Г. П., Надежкин А. В., Гаук Г. А. Системное решение проблемы ресурсосберегающего маслоиспользования в судовых энергетических установках // Проблемы транспорта Дальнего Востока. Материалы XI науч.-практ. конф. (Владивосток, 2-4 октября 2015 г.). Владивосток: ДВО РАТ, 2015. С. 180-182.
8. Надежкин А. В., Кича Г. П., Семенюк Л. А. Оптимизация режимов комбинированной очистки моторного масла в судовых дизелях методами вариационного исчисления // Морские интеллектуальные технологии. 2017. Т. 2. № 3. С. 93-101.
9. Кича Г. П., Семенюк Л. А., Таращан Н. Н. Оптимизация параметров комбинированного масляного фильтра, функционирующего в составе комплекса «дизель - топливо - масло» // Транспортное дело России. 2017. № 4. С. 96-102.
