Оптимизация расхода высокощелочного цилиндрового масла судовых малооборотных дизелей

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены вопросы оптимизации расхода высокощелочного цилиндрового масла в системах смазывания судовых малооборотных дизелей. Описаны особенности использования в судовых малооборотных дизелях высокощелочных цилиндровых масел с целью предотвращения сернистой коррозии их цилиндров. Указаны основные проблемы, возникающие при использовании масел для смазывания цилиндропоршневой группы длинноходовых малооборотных дизелей, а также пути их решения. Предложена методика диагностирования состояния цилиндровых втулок судовых дизелей на основе определения остаточного щелочного числа масла, взятого из подпоршневых пространств дизеля. Изложена методика определения оптимального расхода цилиндрового масла для судового малооборотного дизеля на основе мощности дизеля и содержания серы в топливе. Показано, что оптимальный расход масла не должен быть ниже 0,6 г/(кВт×ч). Предложен способ диагностики состояния цилиндровых втулок по анализу содержания в отработавшем масле металлических примесей, ванадия, никеля и кремния. Разработана технологическая схема, обеспечивающая экономически эффективный режим работы дизеля при минимальном коррозионном износе цилиндровых втулок. Приведены результаты экспериментов, выполненные на судовом дизеле 12K98ME-C7 фирмы DOOSAN–MAN-B&W, позволившие определить оптимальный расход цилиндрового масла, обеспечивающий минимальный износ цилиндровых втулок дизеля. Эксперименты, выполненные в условиях морского судна, подтверждены результатами анализами масла в независимой береговой исследовательской лаборатории. Описаны особенности режимов смазывания и контроля технического состояния цилиндровой группы судовых малооборотных дизелей при их работе на пониженной частоте вращения.

ABSTRACT

The optimization problems of strongly alkaline cylinder oil in the lubrication systems of marine low-speed diesel are considered. Features of the use of strongly alkaline cylinder oil in marine low-speed diesel to prevent sulfur corrosion of their cylinders are described. Main problems arising from the use of oil to lubricate the cylinder-piston group of long-stroke low-speed diesel engines, as well as their solutions are indicated. The method of diagnosing the state of cylinder liners of marine diesel engines based on the determination of residual alkali of oil taken from sub-piston diesel spaces is offered. The techniques of determining the optimum cylinder oil flow rate for marine low-speed diesel based on diesel power and fuel sulfur content are stated. It is shown that the optimum oil flow rate must not be lower than 0.6 g / (kWh). A method for diagnosing the state of cylinder liners on the analysis of oil content in the exhaust of metallic impurities, vanadium, nickel and silicon is proposed. The technological scheme of providing cost-effective operation of a diesel engine with a minimum of corrosive wear of cylinder liners is developed. Results of experiments carried out on the marine diesel 12K98ME-C7 of DOOSAN-MAN-B & W company, which allowed to determine the optimal flow cylinder oil rate, ensuring minimal wear of diesel cylinder liners are provided. Experiments made under conditions of a marine vessel are confirmed by independent tests in onshore oil research laboratory. Mode features of the lubrication and monitoring the technical condition of the cylinder group of marine low diesel engines when operated at reduced speed are described.

Судовые двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются самым распространенным типом тепловых двигателей и применяются как на морских, так и на речных судах. Одной из рабочих жидкостей, обеспечивающих работу ДВС, является моторное масло, которое подразделяется на два основных типа: цилиндровое и циркуляционное. Первые используются для смазывания цилиндров судовых крейцкопфных малооборотных дизелей (МОД); вторые – для смазывания и охлаждения подшипниковых узлов.

При эксплуатации судовых ДВС не редко возникают различные дилеммы, к одной из которых относится использование в них высоковязких топлив с высоким содержанием серы. Данные топлива обладают пониженной стоимостью, поэтому их применение в судовой энергетике, начавшееся с котельных установок, распространилось и на ДВС. Применение подобных сортов топлива в настоящее время происходит как в крейцкопфных, так и в тронковых моделях дизелей [1, с. 28].

Углубление переработки нефти сопровождается ухудшением качества всех видов топлив, что приводит к понижению надежности работы и ресурсных показателей судовых дизелей. При этом увеличиваются интенсивность старения моторного масла, загрязнение поверхностей дизеля углеродистыми отложениями и скорость их изнашивания.

В настоящее время ведущими в области разработки моторных масел являются международные нефтяные компании (Mobil oil, Shell, ESSO, Castrol, BP, Agip, Nippon Petroleum, Chevron Texaco и др.). Между ними ведется острая конкурентная борьба за рынки сбыта нефтепродуктов. Поэтому исследовательские центры компаний постоянно изыскивают пути улучшения качества масел за счет совершенствования их состава. Особое внимание уделяется вопросам экономии моторных масел в процессе их применения на судах, а также перспективам регенерации их эксплуатационных свойств. С этой целью дизелестроительными фирмами совместно и производителями смазочных материалов разрабатываются режимы смазывания, обеспечивающие минимально возможную подачу масла к зонам контакта, а также проектируются специальные установки, позволяющие восстанавливать эксплуатационные свойства масел [2, с. 47].

Основные функции масел сводятся к обеспечению надежной работы узлов трения, уменьшению трения и вызываемого им износа; предотвращению износа во всех иных его формах; удалению из зоны трения загрязняющих элементов; охлаждению путем отвода теплоты от трущихся поверхностей; обеспечению плотности в зоне кольцевого уплотнения поршней; предотвращению коррозии.

Проблемы, связанные с необходимостью разработки новых цилиндровых масел, возникли еще в начале 60-х годов прошлого века и были связаны с появлением на морских судах МОД с наддувом и переводом их работы на экономически выгодные топлива повышенной вязкости. Ответом на ужесточившиеся условия работы масел, а также на необходимость придании им соответствующих свойств, было создание рядом нефтяных компаний специальных цилиндровых масел в состав которых в обязательном порядке вводили соединения щелочи. Ее содержание определяется в мг гидроокиси калия КОН на 1 грамм масла, а величина может достигать 100 мгКОН/г.

Высокощелочные цилиндровые масла второго поколения (Mobilgard 570, Shell Alexia 50, Castrol S/02 и др.) с уровнем щелочных чисел 60…70 мгКОН/г длительное время успешно применялись в форсированных судовых МОД в условиях эксплуатации на топливах вязкостью 120…320 сСт при 50°С с содержанием серы до 3…4 %. Эксплуатация судовых дизелей на подобных сортах топлива и масла проводилась вплоть до начала нынешнего столетия, когда флот стал пополняться судами с длинноходовыми моделями двухтактных дизелей, высокофорсированными четырехтактными дизелями, а кроме того, ужесточились требования к экологическим параметрам работы судовой энергетической установки в целом и двигателей внутреннего сгорания в частности.

В настоящее время мировое судоходство, судовое дизелестроение, а также тенденции в изменении способов переработки нефти и качества топлив, поставляемых для флота, вступили в новый этап развития, задачи которого состоят в значительном повышении экономичности энергетических установок и обеспечении возможности использования в них сверхтяжелых топлив, полученных с привлечением вторичных продуктов переработки нефти. Следствием такого развития явилось создание длинноходовых и сверх длинноходовых моделей МОД, для которых характерно отношение хода поршня к диаметру цилиндра до 4,0…4,3, а в самых последних моделях до 5,0. Длинноходовые малооборотные дизели отличаются от двигателей с традиционными соотношениями хода поршня к диаметру цилиндра сниженной частотой вращения на номинальной мощности, что обеспечивает более высокий индикаторный коэффициент полезного действия двигателя и пропульсивный коэффициент полезного действия всей установки. Высокая экономичность таких двигателей достигнута и благодаря повышению максимального давления сгорания и улучшению индикаторного процесса. Все эти изменения прямо касаются формирования масляной пленки на поверхности смазываемых деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ). Так, при равных рабочих объемах цилиндра длинноходового МОД и обычного в первом случае необходимо смазывать на 15…25 % большую площадь цилиндровой втулки. Увеличение максимальных давлений и температур в верхней части цилиндра приводит к повышению требований к маслу в отношении предотвращения образования отложений и износа [5, с. 52].

Основные проблемы применения цилиндровых масел в длинноходовых МОД и пути их решения показаны в табл. 1.

Таблица 1.

Возможные проблемы, возникающие при эксплуатации ЦПГ длинноходовых МОД

Анализ современных тенденций развития МОД показывает, что для обеспечения необходимой долговечности и надежности современных двигателей к цилиндровому маслу предъявляются особые требования, во многом более жесткие, чем те, которые выдвигались для МОД предшествующих моделей. Эти свойства должны обеспечивать равномерность распределения масла по втулке цилиндра. В длинноходовых МОД в связи с уменьшением частоты вращения увеличено (по сравнению с обычными дизелями) время нахождения масляной пленки до ее обновления на поверхности втулки, в результате чего масло должно выдерживать большую термическую нагрузку, выполняя необходимые функции. Одной из важнейших задач является обеспечение толщины и прочности смазочной пленки в условиях низких скоростей поршня, например, при движении судов на экономичных ходах, что довольно широко распространено в современном судоходстве.

В оценке условий работы цилиндрового масла не менее важным фактором, чем прогресс в развитии малооборотных дизелей, является качество применяемых топлив. В течение последних 10…15 лет особенности применения топлив в судовых энергетических установках претерпели значительные изменения – снизилось потребление топлив, полученных с использованием вторичных процессов: термического и каталитического крекинга, вискрекинга и др. Интенсификация переработки нефти повлекла за собой утяжеление остаточных и дистиллятных компонентов.

Для работы двигателей внутреннего сгорания судовых энергетических установок используются топлива, которые традиционно делятся на тяжелые и легкие (дизельные). Эта классификация базируется на удельном весе, а точнее плотности топлива, которая для дизельных топлив при 20^оС лежит в пределах 840…860 кг/м³, а для тяжелых до 980 кг/м³.

Топлива для судовых дизелей представляют собой сложные соединения горючих элементов, молекулярное строение которых еще недостаточно изучено, и включают в себя минеральные примеси и влагу. Элементарный химический анализ этих топлив не раскрывает химической природы входящих в них соединений и поэтому не может дать достаточно полного представления об их свойствах, но позволяет рассчитать тепловой и материальный баланс горения топлива. Среди большого числа компонентов, входящих в состав топлива, наиболее отрицательное воздействие на техническое состояние и экологические параметры работы дизеля оказывает сера [7, с. 271], для компенсации воздействия которой на детали ЦПГ в системах цилиндрового смазывания применяют масла с содержанием щелочи до 70…100 мгКОН/г масла.

Судовые МОД и системы обработки топлива современных судов модифицированы на применение сверхтяжелых топлив с вязкостью до 750 сСт при 50 °С и плотностью до 1010 кг/м³. Особенности условий работы цилиндрового масла на поверхностях деталей ЦПГ при использовании высоковязких топлив определяются более длительным сгоранием топлива на линии расширения, высокой степенью термического воздействия на масляную пленку, попаданием на ее поверхность относительно большого количества сажи в результате неполноты сгорания, попаданием капелек несгоревшего топлива на пленку из-за увеличения дальности распыления топлива большой плотности. Такой процесс смешивания частиц, находящихся на поверхности цилиндра, оказывает отрицательное воздействие на смазывающие свойства масла, способствует снижению его термической и термоокислительной стабильности, а также интенсифицирует сернистый износ как ЦПГ, так и проточной части турбокомпрессоров и выпускного тракта дизелей [4, с. 43].

Использование тяжелых и сверхтяжелых топлив в крейцкопфных дизелях предопределяет ужесточение требований к ряду свойств цилиндрового масла. Прежде всего, это касается обеспечения нейтрализующей способности, высокой термо-окислительной стабильности и антинагарных свойств масла. Изменяющиеся как по направлению, так и по величине нагрузки на ЦПГ приводят к постоянным переходам режимов смазывания из гидро-динамического в граничный и наоборот [6, с. 206; 8, с. 7].

ЦПГ дизелей относится к объектам постоянного контроля технического состояния. В современных условиях эксплуатации судовых дизелей выполнение частых визуальных инспекций цилиндровых втулок не всегда представляется возможным. Прежде всего, это связано с периодом безостановочной работы главных двигателей морских судов (например, длительность океанских переходов может достигать 20…30 суток), а также с большими трудозатратами на их выполнение. Поэтому для диагностирования технического состояния цилиндровой группы применяются косвенные методы. Самым распространенным и доступным для условий морского судна является определение щелочного числа и количества металлических примесей в масле, взятом из подпоршневых пространств дизеля. Для этой цели используются судовые лаборатории, такие как Cylinder Scrape-Down Oil Analysis, Unimarine Cylinder Scrape-Down Oil Analysis, Shell Analex Alert, Signum onboard test kit of ExxonMobil, Parker Kittiwake Cold Corrosion Test Kit, Digi TBN Test Kit и некоторые другие [5, с. 621].

Современные методы диагностирования, анализируют уровень коррозии цилиндровых втулок судовых дизелей, на основе определения остаточного щелочного числа масла (base number – BN), взятого из подпоршневых пространств. При этом по величине BN возможно дать оценку состояния ЦПГ. Состояние коррозии цилиндровых втулок, разделяется на три основные группы:

1.   BN = 17…45 – цилиндровые втулки эксплуатируются в допустимом режиме, их износ не превышает допустимого значения;
2.   BN = 10…16 – цилиндровые втулки подвергаются повышенному коррозионному воздействию, что может способствовать интенсификации процесса изнашивания;
3.   BN – до 10 – в цилиндре дизеля происходит сернистая коррозия, способствующая увеличению износа ЦПГ.

При эксплуатации дизеля в условиях 1-го режима (BN = 17…45) цилиндровая масляная система не подвергается регулировке, и удельный расход цилиндрового масла считается оптимальным для данного режима работы.

Условия 2-го режима (BN = 10…16) свидетельствуют о недостаточном количестве масла, поступающего на поверхность цилиндровой втулки и для восстановления требуемого значения BN необходимо регулирование подачи цилиндрового масла.

Работа дизеля на третьем режиме (с показателем BN<10) относится к аварийным условиям, свидетельствует о повышенном износе цилиндровой группы и считается недопустимой. При этом необходимо не только регулирование подачи цилиндрового масла, но и регулирование интенсивности охлаждения цилиндровых втулок, а также перевод дизеля на режим пониженной нагрузки.

Основными показателями количества подачи цилиндрового масла на цилиндровые втулки являются АСС фактор (adaptive cylinder oil control) и расход масла FR (feed rate). Величина АСС фактора принимается по экспериментальным данным, в зависимости от значений PQI (Particle Quantity Index) – количества металлических частиц и BN в анализах масла, взятого из подпоршневого пространства. Для судовых малооборотных дизелей ACC = 0,2…0,35.

Рекомендуемый расход масла рассчитывается по формуле, (г/(кВт×ч)

где: S (sulfur) – количество серы в топливе, %.

При этом, необходимо учитывать что рекомендуемый расход масла не должен быть ниже 0,6 г/(кВт×ч). На современных морских судах, оснащенных малооборотными дизелями, установлены системы автоматического управления (в частности система LUBECS), которые поддерживают минимальный расход цилиндрового масла 0,6 г/(кВт×ч)) независимо от режима работы дизеля.

Для технического состояния цилиндровой группы дизеля по анализам масла, взятого из подпоршневого пространства, выполнялись исследования на судовом дизеле 12K98ME-C7 фирмы DOOSAN–MAN-B&W, установленном в качестве главного двигателя судне APL Southampton дедвейтом 131358 тонн. Основные характеристики дизеля:

номинальная мощность – 54120 кВт;

номинальная частота вращения – 97 об/мин;

количество цилиндров – 12;

диаметр цилиндра – 980 мм.

Во время проведения экспериментальных исследований дизель работал на одном и том же сорте топлива марки RMK 700 со следующими характеристиками

плотность при 15^oC, кг/м³ – 990;

вязкость, сСт, при 50^oC – 700;

температура вспышки (min), ^oC – 60;

содержание серы, % – 2,5…2,7.

Смазывание цилиндров дизеля обеспечивалось маслом Mobilgard570 со следующими показателями:

плотность при 15^oC, кг/м³ – 820;

температура вспышки, ^oC – 256;

вязкость, сСт, при 40^oC – 229;

вязкость, сСт, при 100^oC – 21;

щелочное число (total base number – TBN), мгKOH/г – 70.

Задачей исследования было определение оптимального расхода цилиндрового масла с одновременной диагностикой технического состояния ЦПГ дизеля.

Исследования по определение оптимальной подачи цилиндрового масла выполнялись только на установившихся режимах работы дизеля. Постоянство нагрузки на дизель определялось неизменными частотой вращения коленчатого вала и цикловой подачей топлива.

Для каждого цилиндра дизеля устанавливалось свое значение подачи цилиндрового масла. Отклонение ее величины по цилиндрам не превышало 5 % от среднего значения. Из подпоршневого пространства каждого цилиндра выполнялся отбор проб отработавшего масла с последующим определением в судовой технической лаборатории значений BN и PQI. Эксперименты были выполнены для десяти циклов с интервалом отбора проб 24 часа. Усредненные значения полученных результатов эксперимента показаны на рис.1.

а)                                                     б)

Рисунок 1. Определение оптимального значения подачи цилиндрового масла по величине BN (а) и PQI (б) для судового дизеля 12K98ME-C7

Из зависимостей, представленных на рис. 1 видно, что уровень подачи масла, установленный для 9-го цилиндра, обеспечивает наибольшее значение BN при минимальном количестве PQI. По результатам испытаний было определено оптимальное значение АСС-фактора и в дальнейшем (с учетом содержания серы в топливе) рассчитан рекомендуемый расход масла FR.

Во время эксперимента на судовом малооборотном дизеле 12K98ME-C7 фирмы DOOSAN–MAN-B&W контролировался и ряд других параметров, динамика изменения которых приведен в таблице 2. В таблице отображены исследования на примере 9-го цилиндра главного двигателя, который характеризовался оптимальными значениями BN и PQI. Аналогичные результаты были получены для всех 12-ти цилиндров дизеля, однако, для уменьшения объема статьи в качестве примера указан только 9-й.

Из результатов, представленных в табл. 2, отдельно отметим величины АСС-фактора, Feed Rate и Min Feed Rate.

Исследование показало, что оптимальный расход цилиндрового масла для дизеля, использующего топливо с высоким содержанием серы, достигается нахождением оптимальной величины ACC-фактора. Это значение определяется для каждого двигателя в отдельности и зависит от его технического состояния и особенностей системы цилиндровой смазки. Значение АСС-фактора является постоянным и расход цилиндрового масла Feed Rate при переходе на различные топлива зависит только от содержания в нем серы.

Таблица 2.

Определение оптимального расхода цилиндрового масла судового дизеля 12K98ME-C7 фирмы DOOSAN–MAN-B&W

Min Feed Rate – расчетный минимальный расход масла на смазывание цилиндров двигателя. Его значение ограничивается минимально допустимым расходом, установленным фирмой-производителем. В случае работы дизеля на сверхмалых нагрузках (в проведенном эксперименте 61, 63, 66, 68 об/мин) в цилиндр дизеля подается ограниченное количества цилиндрового масла в одном впрыске. На данных режимах расчетное значение FR составляет 0,462…0,554 г/(кВт×ч). В связи с этим происходит принудительная подача масла на каждом 12-ом ходу поршня до обеспечения величины 0,6 г/(кВт×ч). На данных режимах работы судовой экипаж имеет возможность изменения величины Feed Rate только в сторону увеличения значения подачи масла.

С целью дополнительного контроля результатов исследований, а также в связи с периодическими проверками состояния ЦПГ со стороны судовладельца, выполнялась сдача проб отработанного масла для анализа в независимую береговую исследовательскую лабораторию. Основными параметрами, по которым производилась диагностика состояния цилиндровых втулок, были содержание в отработавшем масле металлических примесей (Fe), ванадия (V), никеля (Ni), кремния (Si), определяемых в мг/кг, а также величины BN и PQI. При этом наработка как главного двигателя, так и цилиндровых втулок составляла 9610 и 10809 часов работы и соответствовала датам 22.11.14 и 21.01.15 (табл. 2). В результате были получены соразмерные судовым исследованиям значения, что подтвердилось корректность и адекватность предложенной методики, а также правильность настройки системы подачи цилиндрового масла.

По результатам исследований в береговой лаборатории были также построены диаграммы, отражающие значения основных характеристик отработанного масла (рис. 2).

Рисунок 2. Значения BN (base number), Fe (Iron), V (Vanadium), PQI (Particle Quantity Index), Ni (Nickel), Si (Silicon) в пробах масла, взятого из подпоршневого пространства судового дизеля 12K98ME-C7 фирмы DOOSAN–MAN-B&W:

1 – после 9610 часов работы; 2 – после 10809 часов работы

Полученные результаты береговой лаборатории, в контрольных датах, показали увеличение BN, уменьшение PQI и Fe в анализах подпоршневого масла, подтвердив правильность регулирования подачи масла в судовых условиях. Изменения в значениях Ni, Si, V характеризуют ухудшение качества используемого топлива.

Результаты исследований по оптимизации расхода цилиндрового масла позволили определить оптимальный ACC фактор для конкретного двигателя 12K98ME-C7 фирмы DOOSAN–MAN-B&W и принять его равным 0,27. Это позволило безопасно эксплуатировать ЦПГ дизеля при его работе на топливе с содержанием серы до 3% и определить оптимальный расход цилиндрового масла. Данные факторы обеспечили экономически эффективный режим работы дизеля при минимальном коррозионном износе цилиндровых втулок.