Введение

При обеспечении ресурсосберегающей эксплуатации дизеля необходимо прогнозирование состояния смазочного масла для определения срока его службы и осуществления своевременной смены по браковочным показателям. Смена масла по данным показателям способствует его экономии, т. к. регламент обслуживания системы смазки (СС) рассчитан на конкретные режимы нагружения и условия эксплуатации дизеля, которые не всегда соблюдаются. Поэтому при регламентном обслуживании возможна неполная реализация эксплуатационных свойств смазочного масла или повышенное изнашивание и нагарообразование дизеля, что приводит к потере надежности его работы. Этот аспект особенно важен при форсировании дизеля наддувом, когда прогнозирование состояния моторного масла (ММ) теоретическими методами проблематично. В таких случаях проводят трудоемкие моторные испытания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) для определения скорости старения (деградации) масла по разным направлениям. Показатели старения в значительной мере зависят от форсировки двигателя и характеристик используемых горюче-смазочных материалов [1, 2].

Цель рассматриваемых в статье исследований состояла в экспериментальном моделировании главных направлений старения смазочного масла в дизеле при его форсировании путем повышения давления наддувочного воздуха. Применение разрабатываемой модели позволит прогнозировать состояние масла в СС уже на стадии проектирования дизеля и задавать самые выгодные параметры маслоиспользования [3].

По результатам моделирования можно будет также рассчитать кинетику старения смазочного масла, оценивать запас качества и эффективность его использования в заданных условиях, не прибегая к моторным испытаниям. На базе полученной модели при наддуве ДВС и варьировании параметров его рабочего процесса и системы охлаждения, совершенствовании конструкции поршня, маслосъемных и компрессионных колец возможен подбор состава и функциональных характеристик ММ для достижения надежной и экономичной работы двигателя.

Повышение мощности и экономичности судового форсированного тронкового дизеля наддувом ужесточает условия функционирования его смазочной системы, что приводит, особенно при использовании остаточных высоковязких топлив, к интенсификации старения ММ. Прогноз состояния смазочного масла с целью своевременной смены в этом случае затруднен, т. к. существующие показатели удельной скорости его старения, которые чаще всего нормируются относительно мощности двигателя, не стабильны и имеют большой разброс, поэтому недостаточно достоверны [1]. Сравнение состояния ММ в большинстве среднеоборотных дизелей при их наддуве более точно аппроксимируется не с мощностью и, следовательно, со средним эффективным давлением, характеризующим механическое нагружение двигателя, а с тепловым воздействием на масляную пленку, находящуюся на зеркале цилиндра [1, 4].

Наибольшее воздействие термоокислительного импульса (теплового потока) масло испытывает при расположении в виде тонкой пленки на внутренней поверхности цилиндровой втулки в высокотемпературной (верхней) ее зоне. Особенно интенсивно разложение присадок наблюдается в тонком слое масла, сформированном маслосъемными кольцами, открываемом поршнем и подвергаемом воздействию продуктов сгорания в присутствии избыточного кислорода, как при сжатии рабочего тела, так и на такте расширения. На масляной пленке усиленно происходит окисление и деструкция углеводородов, термокрекинг, полимеризация и карбонизация масла.

Интенсивность старения масла, поступающего на цилиндровую втулку, зависит не только от величины усредненного теплового потока, действующего на единицу поверхности масляной пленки, но и от общей поверхности пленки, подверженной тепловому воздействию. Немаловажную роль при этом играет и продолжительность воздействия. Поэтому ометаемая поршнем поверхность в системе «время – площадь», умножаемая на усредненный тепловой поток за рабочий цикл двигателя, характеризует теплоту, которая проходит через масляную пленку в течение часа и вызывает остаточные явления в масле, т. е. его старение.

Новый подход к оценке интенсивности (скорости) старения смазочного масла по i-му направлению в соответствии с тепловым воздействием на пленку смазки на зеркале цилиндра [4, 5] состоит в представлении ее через удельный показатель А_i относительно поверхности цилиндров двигателя, ометаемой поршнями. В этом случае между удельной интенсивностью старения, приходящейся на единицу поверхности масляной пленки, м², в единицу времени, ч, и скоростью старения масла а_i всего двигателя существует следующая связь:

a_i = pDSzi_цA_i,                                                                                                                            (1)

где A_i – удельная скорость старения масла по i-му направлению, г/(м²·ч), мг KOH/(м²·ч); D, S – диаметр и ход поршня двигателя, м; z – коэффициент тактности; i_ц – число цилиндров.

Эта связь аналогична общему воздействию теплового потока на масляную пленку цилиндров ДВС при периодическом ее контакте с газами рабочего процесса двигателя, формирующего удельную тепловую нагрузку на детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ).

Планирование, проведение и обработка экспериментов при оценке старения смазочного масла на моторном стенде

Кинетику процессов старения ММ по разным направлениям при условии непрерывного долива свежего масла для компенсации угара можно выразить следующим уравнением [1, 6]:

                                         (2)

где c_i0, c_i, c_iд – начальная, текущая ко времени t и в доливаемом масле концентрация i-го продукта старения ММ, отн. ед.; а_i – скорость старения масла по i-му направлению, г/ч, мг KOH/ч; Q_у, Q_д, (Q_фj_ф)_i – скорость угара (долива) масла и интенсивность его очистки (фильтрования) по i-му компоненту, г/ч, мг KOH/ч; G₀ – вместимость СС (масса масла в картере двигателя), г; t – время (период) работы масла (двигателя), ч.

Уравнение (2) справедливо при работе ММ в режимах непрерывного (автоматического) восполнения его угара. Оно также пригодно для условий эксплуатации двигателя с периодическим, но довольно частым (Q_уt_д < 0,1G₀) доливом масла для компенсации угара. Поэтому это уравнение можно использовать для расчета срабатывания присадок и накопления продуктов старения ММ в СС большинства ДВС, функционирующих в режиме как непрерывного, но частого долива. При этом в случае убыли полезных компонентов масла показатель а_i в формуле (2) используется со знаком «минус», а при накоплении вредных продуктов – со знаком «плюс». По мере возрастания Q_у и увеличения периодичности долива t_д погрешность расчета c_i по предлагаемой формуле увеличивается, но для большинства вариантов маслоиспользования не превышает 10 %. Поэтому ее применение допустимо не только для условий непрерывной компенсации угоревшего масла свежим, но и при периодическом режиме долива.

Экспоненциальное выражение (2) концентрации продуктов старения в масле в функции от времени t его работы применялось для аппроксимации экспериментальных данных по c_i(t) стендовых испытаний на одноцилиндровом отсеке дизеля для расчета показателя а_i с последующим переводом его в удельный показатель А_i. Реализация поставленной задачи состояла в составлении уравнения суммы квадратов разности между результатами эксперимента и экспоненциальной зависимости в контролируемых точках процесса. Далее определяется экстремум (минимум) составленного уравнения согласно рекомендации [7], для чего необходимо было выразить производную полученной функции по параметру c_i и приравнять ее к нулю. Решение нового уравнения относительно искомого показателя дает возможность при допущении Q_д = Q_у получить следующее окончательное выражение для расчета скорости старения ММ по любому направлению:

                                                                 (3)

где j, t_j – номер пробы отбора масла на анализ и срок его работы к этому моменту, ч; с_іj – параметр состояния масла по i-му направлению старения в j-й пробе, отн. ед., мг KOH/г.

В случае, когда концентрация продукта старения в доливаемом масле мала и ею можно пренебречь, расчет а_i необходимо вести по упрощенной формуле

где t_д – периодичность долива масла для компенсации угара, ч.

Если учитывать удаление из СС продуктов старения ММ с одтбираемыми пробами масла, то необходима коррекция скорости а_i путем введения в формулу (3) при члене  поправочного коэффициента K_пр = (1 + G_отб) / (G₀ – Q_уt_д) на потери компонентов старения с отборами смазочного продукта на анализ. Обычная величина отбора пробы масла G_отб не превышает 0,4 кг и составляет менее сотой доли вместимости G₀ картера двигателя. Поэтому в общем балансе а_i потерями продуктов старения с отборами масла пренебрегают.

Зависимость (3) позволяет определять в СС дизеля с параметрами G₀, Q_у и (Q_фj_ф)_i скорость старения смазочного масла по накоплению нерастворимых примесей и продуктов глубокого окисления (карбонизации углеводородов), образованию смол а_с и «кислых» соединений а_к. По этой же формуле можно рассчитывать а_i, которая будет характеризовать срабатывание присадок а_п, а_щ, задаваемое через концентрацию их активных компонентов в масле или щелочное число [7, 8].

Результаты анализа старения ММ в тронковых двигателях свидетельствуют о том, что основными факторами, формирующими этот процесс, являются форсировка дизеля и его техническое состояние, качество применяемых смазочных масел и эксплуатационные характеристики топлива. Для планирования экспериментов выделили главные показатели рассматриваемых звеньев системы «дизель – топливо – масло» (ДТМ), оказывающие наиболее существенное влияние на а_i, и представили их в табличной форме с указанием уровней и интервалов варьирования (табл. 1).

Основным из перечисленных факторов является средняя плотность теплового потока q_ср, действующего на масляную пленку цилиндровой втулки за рабочий цикл двухтактного и на тактах сжатия и рабочего хода четырехтактного двигателя,. Такая схема задания тепловой нагрузки обеспечивает универсальность модели старения масла. Тепловое воздействие на масляную пленку, находящуюся на зеркале цилиндра, рациональнее всего оценивать плотностью теплового потока между рабочим телом (газом) и цилиндровой втулкой. Тепловую нагрузку на зеркало цилиндра предложено фиксировать экспериментально [9].

Таблица 1

Table 1

Уровни и интервалы варьирования факторов

Levels and intervals of variation of factors

По нашему мнению, для оценки условий работы, а следовательно, и режимов старения смазочного масла, находящегося в высокотемпературной зоне ЦПГ, необходимо использовать локальные граничные условия теплообмена, «привязанные» к цилиндровой втулке [4, 9]. Для контроля тепловой нагрузки на масляную пленку цилиндра использовали метод Эйхельберга с записью температурных колебаний поверхностных слоев цилиндровой втулки в нескольких поясах. По высоте втулки термопары устанавливались на расстоянии 13, 25, 50 и 75 % хода поршня от верхней мертвой точки. Для записи колебаний использовали малоинерционные датчики, поверхностные термопары (теплоприемники) с эффективной глубиной горячего спая 5–20 мкм. Мгновенные тепловые потоки, действующие на втулку в разных ее поясах, определяли традиционными методами с записью температурных волн осциллографом и расшифровкой их путем измерения количества ординат температурной волны, достаточной для получения заданной точности определения тепловой нагрузки [1, 4].

Для широкомасштабного измерения мгновенных локальных потоков, действующих на масляную пленку, предложено использовать цифровой прибор [9]. Им можно измерять и регистрировать в цифровой форме дискретные значения температурной волны и при вводе в его микроЭВМ необходимых данных получать тепловые потоки. Важное достоинство прибора заключается в том, что он применительно к задаче о q_ср может в темпе испытаний определять мгновенные тепловые потоки на втулку, усреднять их по углу поворота коленчатого вала и высоте втулки. Прибор позволяет с учетом частоты спектра температурной волны регистрировать достаточное количество ординат температурных волн заданного числа циклов (шага дискретизации) и обрабатывать их методами математической статистики [4, 8].

Тепловая нагрузка цилиндровой втулки, а следовательно, и масляной пленки зависит от величины локального теплового потока в каждом поясе. В свою очередь, локальный тепловой поток не только определяется местом расположения рассматриваемого пояса по высоте втулки, но и зависит от фазы рабочего процесса. Поэтому при установлении средней плотности теплового потока, действующего за рабочий цикл двигателя на единицу поверхности масляной пленки, находящейся на части цилиндровой втулки, которая ометается поршнем, осреднение велось по углу поворота коленчатого вала и по высоте втулки.

Варьирование q_ср в интервале 0,07–1,30 МВт/м² было выбрано с целью полного охвата ДВС, выпускаемых заводом «Дальдизель». Были учтены все модификации, начиная с ДД01 и вплоть до последней модели ДД112 (двигатель с высоким наддувом) (р_mе = 1,7 МПа) [10]. Среднее значение фактора q_ср соответствовало реальной тепловой нагрузке дизеля ДД108, что давало возможность не только осуществлять эксперимент на отсеке 1ЧН 18/22, задавая различное его форсирование, но и широко использовать полноразмерные двигатели этого предприятия на стендах и в эксплуатации на судах для подтверждения обоснованности данных по принятым функциям отклика [1, 8].

Следующим важным фактором, влияние которого рассматривалось на старение ММ, – это эксплуатационные его свойства М. Рангом «0» было закодировано наиболее распространенное на флоте судовое универсальное масло М-10Г₂ЦС (ГОСТ 12337-2020). Его можно считать типичным представителем ММ группы Г (ГОСТ 17479.1-2015). В состав этого масла входят следующие присадки: MACK – 5,4 %; ПМС(Б) – 2,7 % и ВНИИНП-354 – 2 %. Масло представляет собой смесь дистиллятного и остаточного компонентов (ДC-11, ТУ 38-101-523-75) из сернистых западносибирских нефтей. Зольность его составляла 1,5 % [1, 2].

Известному и широко применяемому маслу М-10B₂ (ГОСТ 8581-2021) был присвоен ранг «–1». Оно содержит ту же углеводородную основу, что и продукт М-10Г₂ЦС. Масло включает следующую композицию присадок: 5 % ВНИИНП-370, 2 % ПМС(Б) и 1,2 % ДФ-11. Во все рассматриваемые композиции входила противопенная присадка ПМС-200А в количестве 0,005 %. Современному маслу М-10ДЦЛ20 (ГОСТ 12337-2020) был присвоен ранг «+1». Композиция присадок, которыми оно легируется, включает: 10 % МАСК, 8 % ПМС(Б) и 2 % ВНИИНП-354.

Фактор Т, который характеризует техническое состояние двигателя, также оказывает значительное влияние на интенсивность старения масла. В эксперименте техническое состояние ДВС контролировали по угару масла. Его средние значения (Q_у = 1, 2 и 3 г/(кВт×ч)) за этап испытаний соответствовали принятому ранжированию рабочих зазоров в парах трения ЦПГ [8].

Анализ параметров рабочего процесса дизеля ДД112, зазоров в парах трения, износа его основных деталей определил, что при выработке ресурса между моточистками фактор Т изменяется в пределах 0,8–3,2 [8]. Было принято среднее техническое состояние дизеля оценивать в зависимости от величины зазоров в ЦПГ и угара масла показателем Т = 2, начальное – T = 1 и предельное – Т = 3 [10].

Последним фактором, вызывающим интенсивное срабатывание присадок и в целом интенсивно влияющим на старение ММ, было принято содержание серы в топливе [1]. Ее концентрация находилась в диапазоне 0,3–1,7 % при среднем уровне 1 %. Это среднестатистический уровень содержания компонента в судовых дистиллятных топливах до 2020 г.

Моторный эксперимент осуществлялся на одноцилиндровом отсеке 1ЧН 18/22 с параметрами: Р_ен = 90 кВт, p_me = 2,1 МПа, n_д = 16,7 об/с. Продолжительность этапа испытаний составляла 150 ч. Отборы проб работающего масла на анализ проводили через 25 ч [2, 11]. Дизель работал по нагрузочной характеристике. Циклы нагружения соответствовали рекомендациям [1, 8] с выдержкой средней мощности и уровня форсирования двигателя по среднему эффективному давлению с сохранением задаваемых норм тепловой нагрузки на масляную пленку программой испытаний. Долив масла для восполнения угара осуществляли при его отборе для контроля состояния и расчета скорости старения. Эксперимент проводили на дистиллятном судовом маловязком топливе СМТ (ТУ 38-101567-87).

Состояние смазочного масла исследовалось по следующим направлениям старения: срабатыванию присадок (П) (с этой целью по методике ЦНИДИ [1, 11] диализом контролировали содержание их активных компонентов); изменению щелочного (Щ) и кислотного (К) чисел (ГОСТ 11362-96); интенсивности смолообразования (С) (содержание смол определяли по результатам хроматографического анализа масел согласно рекомендациям [5, 11]); накоплению нерастворимых продуктов (концентрацию нерастворимых примесей фиксировали методом центрифугирования по ГОСТ 20684-75 бензинового раствора масла).

Перевод показателей старения a_i, определяемых в результате экспериментов, в удельные A_i осуществлялся по формуле (1) через параметры D и S моторного стенда. Эксперимент проводился с использованием некомпозиционного плана второго порядка (табл. 2), который характеризуется наличием в строках матрицы планирования большого числа нулей, что существенно упрощает вычисление коэффициентов модели. В таблице с целью сокращения объема не приведены результаты парных взаимодействий x_ix_l и квадратов факторов x_i², но эти данные можно получить, располагая значениями факторов в основных столбцах.

Коэффициенты уравнений регрессии были определены с помощью метода наименьших квадратов по следующим формулам [12]:

; ; ;

,

где n₀, N – число опытов в центральной точке плана и во всех строках матрицы планирования; u, j – номер опыта в центре плана (проверка воспроизводимости) и во всей матрице планирования; y_0u, y_j – значение показателя функции отклика в u-м (в центре плана) и j-м опытах.

Дисперсии коэффициентов регрессии определяли по зависимостям, которые для четырехфакторного эксперимента имеют вид [1, 12]:

; ; ; ,

где s_y² – дисперсия воспроизводимости эксперимента.

Таблица 2

Table 2

Матрица некомпозиционного плана второго порядка для построения моделей старения смазочного масла по A_i

Matrix of a second-order uncompositional plan for constructing models of lubricating oil aging according to A_i

При числе степеней свободы, равном f₁ = = n₀ – 1 = 3 – 1 = 2, и 5 %-м уровне значимости критерий Стьюдента t_т равен 4,3. Через его значение и величину ошибки в определении коэффициентов регрессии находили доверительные интервалы коэффициентов b₀, b_i, b_il, b_ii (табл. 3).

Таблица 3

Table 3

Доверительные интервалы коэффициентов регрессии и проверка адекватности модели

Confidence intervals of regression coefficients and testing the hypothesis of the adequacy of the model

Здесь же для вычисления дисперсии адекватности приведены данные по степеням свободы f₂ и значениям суммы квадратов отклонения s_R эмпирических значений y_j функций отклика от их значений, вычисленных по модели во всех точках плана. Сумма квадратов s_E в центре плана для вычисления s_y²(f₁ = 2) представлена относительно среднего значения функции отклика ȳ_0u.

Расчет выполнялся по формуле

Дисперсию адекватности находили согласно выражению

Кроме того, в табл. 3 приведены данные по расчету критерия Фишера F_p и выбора его табличного значения при степенях свободы f₁ и f₂.

В случаях, когда коэффициенты b_il и особенно b_ii оказывались меньше доверительного интервала, их признавали статистически незначимыми и исключали из уравнения регрессии. При совершении этой операции остальные коэффициенты пересчитывались с использованием метода наименьших квадратов. Для этого по упрощенному полиному составляли и решали систему нормальных уравнений для всех строк матрицы (см. табл. 2) планирования.

Так как во всех случаях расчетное значение критерия Фишера (см. табл. 3) оказалось ниже табличного F_т = 19,4, полученные и приведенные далее модели старения масла адекватны при 5 %-м уровне значимости экспериментальным данным. Таким образом, можно заключить, что нижеприведенные уравнения можно использовать для оценки интенсивности старения ММ в судовых дизелях в зависимости от тепловых нагрузок на масляную пленку, эксплуатационных свойств смазочного масла, технического состояния дизеля и концентрации серы в топливе.

Результаты моделирования и анализ влияния наддува двигателя на старение смазочного масла

Старение ММ по удельной интенсивности срабатывания присадок А_П, г/(м²·ч), расходования щелочности А_Щ, мг KOH/(м²·ч), повышения кислотности А_К, мг KOH/(м²·ч), смолообразования А_С, г/(м²·ч), и загрязнения нерастворимыми продуктами А, г/(м²·ч), адекватно аппроксимируется следующими полиномами:

                (4)

                                   (5)

                                       (6)

                                       (7)

                                        (8)

Модели старения ММ (4), (7) и (8) по А_П, А_С и А скорректированы, т. к. отдельные коэффициенты при квадратичных членах у них оказались статически незначимыми и были исключены из первичных (исходных) уравнений регрессий, рассчитанных по данным табл. 2. Пересчет осуществлен, как уже указывалось, с использованием метода наименьших квадратов составлением и решением системы нормальных уравнений по полному полиному четырехфакторной модели [12].

Наибольшее воздействие на старение смазочного масла по всем показателям оказывает фактор Т. Это видно по высоким значениям коэффициентов b₃ и b₃₃ в уравнениях (4)–(8). Довольно ощутимо взаимодействие между качеством масла и содержанием серы в топливе, которое проявлено в функции А_С, когда значение коэффициента b₂₄ превышает размеры величин, характеризующих линейные и квадратичные эффекты от действия факторов. Взаимодействие факторов также ярко выражено при срабатывании присадок, что видно из высоких значений коэффициента b₂₃ в функциях отклика А_П и А_Щ. По другим направлениям старения ММ умеренное взаимодействие проявлено между факторами q_ср и М, на что указывает несколько превышающее значение b₁₂ над другими коэффициентами парного взаимодействия.

Анализ коэффициентов уравнений регрессий определил, что коэффициенты b₁ и b₃ имеют самые высокие значения. Величины коэффициентов взаимодействия с другими факторами, которые замыкаются на них, также повышены. Это указывает на специфичную динамику процессов старения, когда по мере роста Т, а следовательно, и угара масла на начальном этапе старения рост маслообмена опережает увеличение скорости деградации ММ по многим показателям, в результате этого состояние масла на начальных этапах его работы изменяется незначительно. При высоких Т и, следовательно, большом угаре масла увеличивающийся маслообмен уже не может компенсировать отрицательное действие ухудшения технического состояния дизеля, поэтому в диапазоне Т = 2–3 наблюдается интенсивное падение содержания в ММ присадок
и его щелочности. Специфичность некоторых коэффициентов регрессии такова, когда при низком угаре масла (Т = 1) в высокофорсированных дизелях (х₁ > 0) интенсивность смолообразования столь высока, что содержание смол в масле превышает 10 % и это вызывает усиленное лакообразование на юбке поршня и забивание дренажных отверстий маслосъемных колец отложениями.

Высокий эффект взаимодействия факторов МТ (b₂₃ = 5,07) во влиянии на А_П приводит при Т = 1,5–2,5 к снижению скорости срабатывания присадок, особенно ВНИИНП-370, содержащейся в масле М-10В₂. Этот факт объясняется спецификой маслообмена и низкой концентрацией присадок в товарном масле группы В₂. Это же явление наблюдается при идентификации срабатывания присадок по щелочности А_Щ (b₂₃ = 2 204). Самые низкие значения скорости срабатывания щелочности 4·10³ мг КОН/(м²·ч) наблюдается у масла М-10В₂ при Т = 1,3–2,2. Таким образом, зафиксирован экстремальный характер зависимости по А_П и А_Щ для масла низкой моторной группы, который обусловлен высокими значениями коэффициентов b₂₃ и b₃₃. Аналогично вышеизложенному из-за высоких отрицательных значений коэффициента b₂₄ наблюдается резкое повышение значений А_С в диапазоне Т = 2–3 для всех масел.

Учитывая однонаправленность роста показателей старения ММ по разным направлениям, предложено представить зависимость А_i(x_i) в обобщенном виде в виде линий постоянного уровня в четырехмерном факторном пространстве. Графическая зависимость (рис. 1) приведена для соотношения (x₂ + x₁) + (x₄ + x₃) = 0. При такой композиции минимальное значение рассматриваемых попарно (А_Щ и А), (А_К и А_С), представленных функцией отклика, будет находиться в верхнем правом углу квадратов. Это же явление при аналогичном варьировании параметрами q_ср и М, но в более узкой области, наблюдается и по функции отклика А_С.

Анализ зависимости А_i(x_i) на рис. 1, а и б показывает некоторую стабилизацию параметра старения А_Щ в области S < 1 % и Т > 2 по мере снижения форсировки дизеля q_ср и увеличения моторной группы М масла. При сопоставлении линий x₄–x₃ действие фактора Т на старение масла по показателю А также преобладает над влиянием S. Схема роста функции отклика А и А_С при взаимодействии этих же факторов в четырехзвенной системе проходит в том же направлении, что и по А_Щ и А, но несколько в другом масштабе. Стабилизация
в направлении старения по А_Щ и А_С при противоположном совместном горизонтальном смещении значений факторов x₁ и x₂ наблюдается. По показателям А и А_К при совместном движении в сторону снижения q_ср и увеличения М ее нет.

Анализ линий постоянного уровня в четырехмерном пространстве указывает на наличие участков, для которых характерно постоянство функции отклика из-за противоположного равноценного действия на нее факторов q_ср и М при их разной направленности. Так, например, при смещении позиции М  > 0 в сочетании x₁–x₂ для области S < 1 % и Т > 2 характерно постоянство показателя А_Щ. Здесь линии зависимостей А_Щ(x₁, x₂) почти горизонтальные (рис. 1, а). Подобное явление характерно и для показателя А_С (рис. 1, б), но оно выражено на более коротком участке разных сочетаний факторов q_ср и М.

В области S = 1–1,35 % и Т = 1–2 наблюдается рост показателей А_Щ и А_С по мере повышения q_ср и снижения величины М, характеризующей эксплуатационные свойства масла. Здесь форсировка двигателя превалирует по отношению к показателю качества ММ в действии на рассматриваемые функции отклика. Подобное явление присуще также направлениям старения масла по А и А_С, когда экспоненциальные зависимости по ним указывают на преобладающее влияние q_ср над М и Т по сравнению с действием М во всем факторном пространстве.

Зависимости (4)–(8) могут быть использованы для определения срока службы ММ в форсированных ДВС по браковочным показателям. Модели адекватны и за пределами факторного пространства. Расхождение расчетных с экспериментальными данными не превышает 12 % при использовании низкосернистых топлив с содержанием серы 0,1–0,5 % согласно требованиям конвенции «МАРПОЛ 73/78». Обобщение экспериментальных данных [1, 8] позволило предложить следующие регрессионные уравнения, по которым можно задать в зависимости от q_ср и S значение концентрации П_бр находящихся в активной форме многофункциональных присадок в работающем масле и величину его остаточной щелочности Щ_бр при потере основных функциональных характеристик:

                   (9)

(10)

Выражения (9) и (10) через тепловую нагрузку в цилиндре и содержание серы в топливе показателями П_бр и Щ_бр учитывают допустимое уменьшение моющее-диспергирующих и нейтрализующих свойств унифицированных ММ на основе присадок ПМС(Б) и МАСК, при которых еще возможно ресурсосберегающее маслоиспользование. Эксплуатация судовых форсированных дизелей при параметрах масла ниже указанных может привести к интенсификации нагаро-лакообразования в ЦПГ и коррозийному изнашиванию основных деталей.

                                                                                  а                                                                                                                                        б

Рис. 1. Линии равных значений гиперповерхностей функций отклика
по удельной интенсивности срабатывания щелочности А_Щ и образования нерастворимых продуктов А (a),
смолообразования А_С и роста кислотности А_К (б)

Fig. 1. Lines of equal values of hypersurfaces of response functions for the specific intensity
of activation of alkalinity А_Щ and the formation of insoluble products A (a), resin formation А_С and acidity growth А_К (б)

Достоинство разработанных моделей старения ММ в форсированных дизелях состоит в возможности рассчитать по зависимостям (4)–(8) скорости этих процессов и подобрать смазочные масла, удовлетворяющие требованиям форсировки двигателя и качества применяемого топлива для условий долгоработающего маслоиспользования, т. е. функционирования без смены ММ. Повышение и увеличение содержания серы в топливе ужесточает условия работы смазочного масла в ДВС. Поэтому с повышением среднего эффективного давления р_те и, следовательно, тепловой нагрузки на масляную пленку цилиндра двигателя возникает необходимость в увеличении термоокислительной стабильности масла, а в случае применения остаточных высоковязких топлив – его моюще-диспергирующих и нейтрализующих свойств.

По значениям браковочных показателей (формулы (9) и (10)) с использованием основного кинетического уравнения (2) старения ММ [2, 6] можно рассчитать параметры смазочного масла, соответствующие требованиям эффективного функционирования комплекса ДТМ. В качестве примера рационального подбора звеньев рассматриваемого комплекса, располагая связью р_те и q_ср [6], предложим следующие их ресурсосберегающие сочетания (рис. 2).

Масло М-10В₂, содержащее 3 %-ю концентрацию в активной форме многофункциональных присадок, в зависимости от технического состояния двигателя способно обеспечивать его надежную работу при форсировке р_те = 0,7–1,2 МПа (рис. 2, а). Унифицированное масло М-10Г₂ЦС может эффективно использоваться в дизеле, форсированном по р_те до 1,8 МПа. При этом из-за более эффективной композиции присадок и повышенной их концентрации в активной форме (4,5 % в свежем товарном масле) нагарообразование не приводит к закоксовыванию поршневых колец, поэтому компрессия в рабочих цилиндрах сохраняется в течение всего срока гарантийной работы двигателя до переборки цилиндров.

Возможности унифицированных ММ по нейтрализующим свойствам (рис. 2, б), рассчитанные по полученным зависимостям, показывают удовлетворительную работу масла М-10В₂ в двигателе с форсировкой по р_те до 1 МПа только при работе на малосернистом топливе (S = 0,3 %). Масло М-10Г₂ЦС с начальной щелочностью Щ₀ = 9,2 мг KOH/г обеспечивает при содержании серы в топливе 1 % эффективную работу дизеля с форсировкой до 1,8 МПа.

                                                                                          а                                                                                                                     б

Рис. 2. Требования к качеству моторного масла по моюще-диспергирующим (а)

и нейтрализующим (б) свойствам в зависимости от форсировки дизеля

Fig. 2. Requirements for the quality of engine oil in terms of detergent-dispersant (a)

and neutralizing (б) properties, depending on the boost of the diesel engine diesel

Сжигание высокосернистого топлива (S = 1,7 %) в этом случае допустимо в дизеле с форсировкой не более 1,5 МПа. Тяжелые высоковязкие топлива, имеющие концентрацию серы 3,4 %, возможно использовать только при работе дизеля на масле М-14ДЦЛ20. При этом уровень их форсировки на номинальном режиме работы не должен превышать 2 МПа. При той же и более высокой форсировке дизеля, как проиллюстрировали расчеты по формулам (4)–(8), возникает необходимость использования масла с более высоким уровнем начальной щелочности, превышающей 30 мг KOH/г. Применение топлив, содержащих серы более 0,5 %, требует оснащать дизельные установки скрубберами, что обусловлено необходимостью снижения выбросов в атмосферу продуктов, содержащих серу.

Выводы

1. Результаты исследования основных направлений старения ММ в судовом дизеле подтвердили их интенсификацию с увеличением наддува, что связано с ростом термоокислительного действия продуктов сгорания ДВС на пленку смазки, находящуюся и обновляющуюся на втулках цилиндров. Вторым по интенсивности воздействия на окислительные и деградационные процессы в масле является техническое состояние дизеля. Изменение зазоров в сопряжениях деталей ЦПГ способствует росту угара и маслообмена в двигателе. При этом на начальном этапе роста Т и Q_у увеличивающийся маслообмен способствует стабилизации параметров старения ММ, т. к. скорости его деградации по основным направлениям повышаются медленнее увеличения угара и, следовательно, маслообмена.

2. Расчетно-экспериментальное моделирование старения ММ с идентификацией главных действующих на него факторов q_ср и Т определило:

– интенсивное смолообразование смазочного масла, особенно при низком его угаре (малом значении Т) и высокой (q_ср > 0,1 МВт/м²) тепловой нагрузке дизеля;

– более высокую (в 1,5–2 раза) деградацию ММ по основным направлениям при увеличенном наддуве (р_те > 1,2 МПа) по сравнению с его старением при эксплуатации форсированных (р_те = 0,8–1,0 МПа) двигателей действующего парка;

– образование в больших количествах кислых продуктов старения при применении высокосернистых топлив и масла с низкими значениями моторной группы М.

3. Проведенный на базе полученных моделей анализ скорости старения ММ в современных судовых тронковых дизелях со средним и высоким наддувом подтвердил целесообразность применения в них унифицированных масел типа М-10(14)Г₂ЦС и М-14(16)ДЦЛ20 с многофункциональными присадками МАСК и ПМС при сжигании дистиллятных топлив и их смесей с мазутами, содержащих серы до 0,5 %. При использовании тяжелых высоковязких остаточных топлив с более высоким содержанием серы концентрация многофункциональных присадок в ММ должна соответствовать уровню легирования ими смазочных масел М-14(16)ДЦЛ20 и М-14(16)ДЦЛ30.

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. Цветков О. Н., Максимов А. Л. Современность и перспективы разработки и применения моторных масел для дизелей // Двигателестроение. 2020. № 4 (282). С. 25-34.

3. Кича Г. П. Влияние очистки масел на их расход в дизельных двигателях // Химия и технология топлив и масел. 1986. № 8. С. 22-24.

4. Мохнаткин Э. М. Теоретические и экспериментальные исследования температурных условий окисления масла в цилиндре дизеля // Тр. Центр. науч.-исслед. дизел. ин-та. 1970. Вып. 60. С. 155-159.

5. Кича Г. П. Очистка масла в двигателях внутреннего сгорания // Химия и технология топлив и масел. 1986. № 2. С. 28-30.

6. Тарасов М. И., Кича Г. П. Кинетика старения моторного масла в судовых дизелях при непрерывном и периодическом его доливе для компенсации угара // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2023. № 1. С. 7-14.

7. Кича Г. П., Тарасов В. В., Деревцов Е. М. Эффективность применения в судовых дизелях регенерированных восстановленных отработанных моторных масел // Науч. проблемы трансп. Сибири и Дальнего Востока. 2016. № 1-2. С. 83-91.

8. Тарасов М. И., Кича Г. П., Надежкин А. В. Влияние угара смазочного масла на интенсивность его старения в судовом тронковом дизеле // Мор. интеллектуал. технологии. 2021. № 4 (54). Т. 3. С. 56-65.

9. Пойда А. Н., Смолин Ю. А. Цифровой прибор для измерения мгновенных локальных тепловых потоков в дизелях // Двигателестроение. 1983. № 3. С. 25-26.

10. Кича Г. П., Надежкин А. В., Пак Н. К. Саморегенерирующийся фильтр новой конструкции для очистки топлив и смазочных масел на судах // Науч. проблемы трансп. Сибири и Дальнего Востока. 2013. № 1. С. 203-207.

11. Никифоров О. А., Данилова Е. В. Рациональное использование моторных масел в судовых дизелях. Л.: Судостроение, 1986. 96 с.

12. Спиридонов А. А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. 184 с.