Оптимизация процессов граничного трения в прецизионных парах топливной аппаратуры судовых дизелей

Одной из важнейших проблем, возникающих при эксплуатации судовых энергетических установок, является повышение надежности и долговечности двигателей внутреннего сгорания, количество и модельный ряд которых постоянно увеличивается. Топливные насосы высокого давления, обеспечивающие подачу топлива в цилиндр двигателей внутреннего сгорания, применяются как на морских дизелях, так и на дизелях, использующихся в стационарной энергетике.

Функциональным назначением топливных насосов высокого давления является дозирование и подача в определенный период в цилиндр дизеля требуемой порции топлива [4, c. 209]. В современных судовых дизелях обеспечивается давление впрыскивания топлива порядка 120…130 МПа, что накладывает особые требования на качество сопрягаемых поверхностей трения топливных насосов высокого давления (а именно прецизионной пары втулка – плунжер). В подобных условиях эксплуатации пара трения втулка – плунжер работает в режиме граничного трения, а топливо, находящееся в зазоре этой прецизионной пары, выполняет смазочные функции.

Состояние топливных насосов и форсунок является одним из критериев, определяющих длительную эксплуатацию двигателей внутреннего сгорания без существенных изменений показателей рабочего процесса. Ухудшение состояния прецизионных пар плунжер – втулка, игла – распылитель приводит к ухудшению процесса сжатия и впрыска топлива. Кроме того, при этом нарушается синхронизация движения плунжера топливного насоса высокого давления и хода поршня дизеля, приводящая к отклонениям в законе подачи топлива. Еще одним следствием ухудшения технического состояния прецизионных пар топливных насосов высокого давления является возникновение протечек топлива и уменьшение его цикловой подачи.

Энергетические непроизводительные затраты, связанные с работой кинематических пар, в механическом оборудовании составляют основную часть затрат энергии тепловых машин, поэтому разработка методов их снижения является весьма актуальной задачей.

Учитывая изложенное, требования по обеспечению надежности работы топливных насосов высокого давления должны предъявляться как к поверхностям трения (прецизионной паре плунжер – втулка), так и к топливу. Кроме того, нагнетательные поверхности плунжера и топливо необходимо рассматривать как единую трибологическую систему, работающую в режиме граничного смазывания.

Одним из традиционных методов снижения сил трения и изнашивания в прецизионных парах топливных насосов высокого давления на сегодняшний день является использование различных пленкообразующих легирующих компонентов, вводимых в состав топлива в виде присадок. Эти присадки в процессе работы сопряжения образуют на поверхностях трения малопрочные адсорбированные слои высокомолекулярных веществ, либо более прочные хемосорбированные слои соединений серы, хлора, фосфора и ряда других элементов. И в том и в другом случае обеспечивается повышение гидродинамического сопротивления и снижение контактных нагрузок.

В предлагаемом исследовании использовался метод эпиламирования контактных поверхностей.

Метод эпиламирования, примененный для прецизионной пары плунжер – втулка топливного насоса высокого давления, не получил широкого распространения в элементах судовых технических средств. Это, в том числе, связано с консервативностью судовой энергетики как науки и стремлением судового экипажа избежать дополнительных рисков, возникающих при внедрении инновационных идей. Особенно это касается таких ответственных узлов, как топливная аппаратура.

Одним из важнейших преимуществ эпиламирования является то, что оно не меняет структуру обрабатываемой твердой поверхности, а лишь модифицирует ее, придавая поверхности антифрикционные, защитные и другие полезные свойства. Учитывая, что толщина защитного слоя эпилама составляет ~0,01…0,015 мкм, можно считать, что геометрические размеры обрабатываемых деталей после эпиламирования остаются неизменными.

Эпиламы представляют собой многокомпонентные системы, включающие фторорганические поверхностно-активные вещества в различных растворителях и регулирующие добавки. Механика взаимодействия эпиламов с поверхностью твердого тела выглядит следующим образом: при эпиламировании формируется слой ориентированных молекул, радикально меняющих энергетические воздействия поверхности твердого тела. Молекулы, закрепляемые за счет сил хемосорбции, образуют структуры Ленгмюра в виде спиралей с нормально направленными к поверхности материала осями.

При покрытии металлических поверхностей раствором эпилама, его спиралевидные молекулы в состоянии захватывать электроны в тех местах поверхности, где особо высока электронная плотность, и тем самым «высаживаться» на поверхность. Места с повышенной электронной плотностью образуются на тех участкам металлической поверхности, где имеются нарушения кристаллической решетки. Молекулы эпилама вступают во взаимодействие с этими электронами, образуя совместную электронную структуру, что обуславливает особо высокое сцепление эпилама с поверхностью субстрата. Постоянно действуют и другие (более слабые) силы сцепления, например, в виде Ван-дер-Ваальсовских сил и т.п.

Нами для проведения эксперимента были использованы следующие эпиламы Polisam-05, Polisam-20МСК, Akwaline, имеющие максимальную температуру эксплуатации 450°С и допускающий кратковременную эксплуатацию до температуры 700°С.

Эксперименты в условиях морского судна выполнялись на шести цилиндровом среднеоборотном дизеле S6A2 фирмы «Mitsubishi». Эпиламированию подвергались три плунжерных пары топливного насоса высокого давления (из шести), а три плунжерных пары одного эксплуатировалась в штатном режиме.

Технология нанесения эпилама на поверхности плунжера топливных насосов высокого давления заключалась в следующем.

Первоначально поверхности визуально обследовались и в случае необходимости очищались от посторонних примесей. Далее проводилось их обезжиривание в озонобезопасном хладоне 116 (C₂F₆) путем объемного погружения с последующим высушиванием. После этого при температуре окружающей среды проводилось непосредственно эпиламирование путем погружения плунжеров в эпилам. С интервалом 2 минуты образцы извлекались из раствора и после 20-ти минутной сушки на воздухе на эллипсометрической установке (позволяющей с помощью анализа углов отражения света от чистой поверхности и от поверхности с нанесенным покрытием определить толщину слоя эпилама) измерялась толщина образованной органической пленки [1, c. 86]. Результаты этих измерений приведены на рис.1.

Рисунок 1. Зависимость толщины органической пленки от времени выдержки в различных эпиламах: 1 – Polisam-20МСК; 2 – Akwaline; 3 – Polisam-05

Как видно из рис. 1, после 6…10 мин выдержки в растворе толщина адсорбционной органической пленки на подложке стабилизируется и для разных образцов составляет h=12…20 нм.

Морские сорта топлива, используемые в судовых дизелях, представляют собой механическую смесь различных углеводородов (С–Н группы) серы и ее соединений (S–R группы), воды и золы, а также включают в свой состав органические кислоты, смолы, поверхностно-активные и другие элементы [3, с. 201]. Комплексное взаимодействие данных компонентов в условиях катализирующего воздействия металлической поверхности изменяет свойства топлива, находящегося в непосредственной близости у поверхности пары трения плунжер – втулка и создающего тонкие микронные прослойки [2, с. 49]. Эти прослойки характеризуются ориентационной упорядоченностью молекул, что приводит к анизотропии ряда их свойств. В связи с этим, топлива, как и смазочные масла, образуют на металлических поверхностях граничную фазу квазикристаллической структуры, толщина которой может достигать нескольких микрон.

Эпиламирование поверхностей способствует образованию на них более прочных граничных смазочных слоев топлива, характеризующихся как повышенной степенью упорядоченности молекул, так и толщиной. Это факт был подтвержден способом измерения оптической анизотропии граничных слоев [4, с. 210], а его результаты приведены на рис. 2. При этом под обозначением ТТ подразумевается непосредственная толщина граничного слоя «чистого» тяжелого топлива, образующегося на поверхности плунжера топливного насоса высокого давления, а под цифрами 1, 2, 3 – толщина граничного слоя топлива, образующегося на той же поверхности при ее покрытии слоем эпилама.

Рисунок 2. Изменение толщины граничного слоя топлива при эпиламировании поверхности плунжера топливного насоса высокого давления: ТТ – отсутствие покрытия (непосредственная толщина граничного слоя топлива); 1 – Polisam-20МСК; 2 – Akwaline; 3 – Polisam-05

Дальнейшие исследования рассматриваемого способа управления процессами трения за счет ориентации молекул в смазочных слоях топлива заключались в определении износа поверхностей плунжеров как подвергшихся эпиламированию, так и находящихся в обычном состоянии. В качестве покрытия поверхности плунжеров использовалась фторорганическая жидкость Polisam-20МСК. Через различные промежутки времени (длительность которых обуславливалась условиями эксплуатации, позволяющими выполнить остановку дизеля и ревизию его топливных насосов) производилось определение площади износа поверхности плунжеров (как эпиламированных, так и работающих без нанесений покрытия). После чего полученные значения для каждой группы плунжеров усреднялись, а дизели вновь вводились в эксплуатационный режим работы.

Рисунок 3. Зависимость износа I_S плунжеров топливного насоса от времени работы t судового дизеля S6A2 фирмы «Mitsubishi»: 1 – плунжера без использования эпилама; 2 – плунжера с нанесенным на их поверхность слоем эпилама

Результаты измерений приведены на рис.3, из которого следует, что реализация в граничных слоях топлива ориентированной структуры молекул и управление его толщиной за счет дополнительного эпиламирования прецизионных поверхностей позволяет в значительной степени снизить изнашивание плунжерных пар топливных насосов высокого давления, повысив, таким образом, надежность и долговечность работы данного узла дизеля. Уменьшение износа прецизионной пары трения плунжер – втулка топливного насоса высокого давления также свидетельствует о понижении энергетических затрат на обеспечение работы этих элементов и подтверждает эффективность применения метода их эпиламирования.