Обеспечение минимально неизбежных потерь энергии при поступательном движении в узлах трения судовых двигателей внутреннего сгорания

АННОТАЦИЯ

Рассмотрена возможность обеспечения минимально неизбежных потерь энергии в судовых малооборотных дизелях. Приведены результаты экспериментальных исследований, выполненных на судовом двухтактном дизеле 12K98ME-С7 MAN-B&W и его системе цилиндровой смазки. В качестве критерия оценки минимально неизбежных потерь энергии рассмотрены характеристики отработавшего цилиндрового масла: содержание в нем металлических примесей и остаточное щелочное число. Приведены результаты исследований по определению этих показателей при использовании в системе смазывания поверхностно активных присадок, способствующих повышению структурной упорядоченности граничных смазочных слоев. Экспериментально установлено: использование подобных присадок приводит к 28 %-му снижению содержания металлических примесей в отработавшем масле и 17,2 %-му росту остаточного щелочного числа, что способствуют поддержанию минимально неизбежных потерь энергии при трансформации теплотворной способности топлива в полезную работу двигателя внутреннего сгорания.

ABSTRACT

The possibility of ensuring minimally unavoidable energy losses in marine low-speed diesels is considered. The results of experimental studies that were performed on a marine push-pull diesel engine 12K98ME-C7 MAN-B & W and its cylinder lubrication system are presented. As a criterion for assessing the minimum unavoidable energy losses, the characteristics of the spent cylinder oil are considered: the content of metallic impurities in it and the residual alkaline number. The results of studies to determine these indicators when using surface active additives in the lubrication system that enhance the structural ordering of boundary lubricating layers are presented. It has been experimentally established that the use of such additives reduces the content of metallic impurities in the spent oil by 28% and increases the residual alkaline number by 17.2%. This helps to maintain minimally unavoidable energy losses during the transformation of the calorific value of the fuel into the useful work of the internal combustion engine.

Ключевые слова: судовой малооборотный дизель, неизбежные потери энергии, циркуляционная система смазывания, механические примеси, остаточное щелочное число, поверхностно активная присадка.

Keywords: marine low-speed diesel engine, inevitable energy loss, circulating lubrication system, mechanical impurities, base number of lubrication oil, surface active additive.

Энергетические комплексы речных и морских судов представляют собой многокомпонентные структурные объекты, при этом:

• их функционирование начинается с приема на борт судна рабочих жидкостей (топлива, масла, воды);
• их основной эксплуатационной задачей является преобразование потенциальной энергии рабочих жидкостей в полезную работу, обеспечивающую либо движение судна, либо вырабатывание тепловой и электрической энергии;
• завершающим этапом их производственного цикла является удаление отработавших газов и охлаждающих жидкостей в окружающую среду [1].

При этом необходимо обеспечивать не только требования по получению эффективной мощности и поддержанию экологических параметров, но и минимальный уровень неизбежных потерь при преобразовании входящей энергии в полезную работу [2, 3].

Потенциальная энергия топлива, сгораемого в цилиндре двигателя внутреннего сгорания (ДВС), с помощью кривошипно-шатунного механизма (КШМ) преобразуется в кинетическую энергию вращения коленчатого вала дизеля. При поступательном движении поршня в цилиндре дизеля возникают неизбежные потери в трибологической системе втулка цилиндра – смазочный материала – поршневые кольца [4, 5]. Передача поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала и связанного с ним потребителя энергии (винта, когда дизель выполняет функции главного двигателя, или электрического генератора, если дизель выполняет функции вспомогательного двигателя) невозможна без использования подшипников скольжения (мотылевых и рамовых), а также подшипников валопровода (упорных и опорных). Именно в этих узлах трения и возникают основные потери энергии, которые относят к категории неизбежных затрат при получении полезной работы [6, 7].

Потери энергии при передаче полезной (индикаторной) мощности к потребителю лежат в широких пределах, и могут составлять 6…10 % – в случае эксплуатации судовых ДВС на номинальном режиме, и до 100 % – при эксплуатации на холостом ходу. Минимизации этих потерь и обеспечение минимальных значений в течении длительного времени является актуальной задачей, на решение которой направлены научные исследования, проводимые как дизелестроительными корпорациями, так и отдельными научно-производственными фирмами и институтами.

Судовые ДВС являются самыми распространенными типами тепловых машин, превращающих потенциальную энергию жидкого топлива в механическую работу и передающих ее на движитель. Практически 100 % судов морского и речного флота используют судовые дизели в качестве главных двигателей. Возрастающие потребности в перевозки грузов морскими путями способствуют постройке судов повышенного тоннажа, на которых в качестве главных двигателей устанавливают малооборотные двухтактные двигатели, передающие свою полезную мощность на винт фиксированного шага [8].

Самым характерным узлом ДВС, в котором происходит поступательное движение, является цилиндропоршневая группа, а конкретно – пара трения поршневое кольцо – цилиндровая втулка. При правильной центровке деталей КШМ (поршня в крейцкопфном подшипнике или поршня и шатуна) между поршнем и втулкой цилиндра обеспечивается минимальный зазор, который полностью компенсируется за счет уплотняющего действия поршневых колец. При этом обеспечивается отсутствие воздушных и газовых протечек в объеме цилиндра и кинетическая энергия газов, образовавшихся в цилиндре при сгорании топлива, полностью используется для совершения поступательного перемещения поршня. В случае повышенного износа поршневых колец или их поломки происходит рост минимально неизбежных потерь энергии и снижение эффективных показателей работы дизеля (мощности и коэффициента полезного действия).

Обеспечение процесса энергопреобразования с минимально допустимыми необратимыми потерями при поступательном движении в узлах трения судовых ДВС возможно за счет управления реологическими характеристиками (вязкостью и реологической стойкостью) и качественными показателями (степенью упорядоченности молекул и толщиной смазочного слоя) моторного масла, разделяющего контактирующие поверхности [9-11].

Эксперименты, подтвердившие это высказывание, выполнялись на судовом малооборотном дизеле 12K98ME-С7 MAN-B&W, имеющем следующие основные характеристики:

• тип дизеля – двухтактный, крейцкопфный;
• номинальная мощность – N_ном=64080 кВт;
• номинальная частота вращения – n_ном=94 об/мин;
• количество цилиндров – 12;
• диаметр цилиндра – D=0,98 м;
• ход поршня – S=2,4 м.

Смазывание цилиндропоршневой группы дизеля обеспечивается лубрикаторной (цилиндровой) системой, в которой используются масла с щелочным числом (Total Base Number – TBN) 30…80 мгКОН/г (где КОН – содержание щелочи в масле). Принципиальная схема системы приведена на рис. 1.

В настоящее время эксплуатация пропульсивных комплексов морских судов (а, следовательно, и их энергетических установок) происходит как в обычных, так и в особых районах, к последним относятся зоны контроля эмиссии выбросов оксидов серы (SO_X Emission Control Areas) и азота (NO_X Emission Control Areas) [12, 13]. Это накладывает определенные ограничения как на используемое в этих районах топливо, так и на цилиндровое масло, щелочной показатель которого должен соответствовать содержанию серы в топливе [14]. При этом комплектация судовых систем цилиндрового смазывания производится таким образом, чтобы обеспечить возможность использования моторного масла как с обычным щелочным показателем (например, с TBN 30…40, который соответствует содержанию серы в топливе до 0,1 %), так и повышенным (например, с TBN 70…80, который соответствует содержанию серы в топливе до 3,0 %). Именно по такому принципу скомплектована система лубрикаторного (цилиндрового) смазывания дизеля 12K98ME-С7 MAN-B&W.

Рисунок 1. Схема лубрикаторной (цилиндровой) системы смазывания судового дизеля 12K98ME-С7 MAN-B&W:

1 – цистерна цилиндрового масла с высоким содержанием щелочи (TBN 70/80); 2 – цистерна цилиндрового масла со средним содержанием щелочи (TBN 30/40); 3 – расходомер; 4 – дозатор присадки; 5, 6 – расходные цистерна масла; 7 – дизель

Для исследований приведенная на рис. 1 система дооборудовалась дозатором присадки и расходомером, позволяющим производить подачу присадки с требуемой концентрацией (позиции 3 и 4). Наличие двух цистерн моторного масла (позиции 1 и 2) давало возможность использования для разных групп цилиндров смазочного материала с различными характеристиками. Эксперименты выполнялись во время океанского перехода судна продолжительностью 11…12 дней только на установившихся режимах работы дизеля. Постоянство нагрузки на дизель определялось неизменной частотой вращения коленчатого вала и постоянной цикловой подачей топлива. На протяжении всего эксперимента судовой дизель 12K98ME-С7 MAN-B&W работал на одном и том же сорте топлива RMK700 (с содержанием серы 2,7 %). Это давало возможность как в одной из цистерн, предназначенных для использования моторного масла Castrol CL 70 с TBN 70…80 (позиция 1 на рис. 1), так и в другой, предназначенных для использования моторного масла с TBN 30…40 (позиция 2 на рис. 1), временно использовать одно и то же масло Castrol CL 70 с TBN 70мгKOH/г. Однако, в масло, поступающее в дизелю из цистерны 2, дополнительно вводилась поверхностно-активная присадка, обеспечивающая образование наноструктурированных граничных смазочных слоев с бо́льшим параметром порядка и бо́льшей толщиной [15-17]. Подача масла Castrol CL 70 без присадки осуществлялась в цилиндры 1-6, а масла с присадкой – в цилиндры 7-12 дизеля 12K98ME-С7 MAN-B&W.

Отбор проб масла и их дальнейший анализ выполнялся в судовой технической лаборатории фирмы Unitor через каждые 20 часов работы дизеля в соответствии с рекомендованными технологией и последовательностью [18, 19]. При этом, 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 содержания в масле металлических примесей, Fe, ppm, и остаточное щелочное число, BN, мгKOH/г. По содержанию металлических примесей Fe, ppm, в отработавшем масле возможно оценить уровень минимально неизбежных потерь энергии при поступательном движении в паре трения поршневое кольцо – цилиндровая втулка. Чем выше значение Fe в отработавшем масле, тем больше износ данной пары трения, а следовательно больше как контактные взаимодействия, так и минимально неизбежных потерь энергии. Значение остаточного щелочного числа BN, мгKOH/г, характеризует (в том числе) гидравлическую плотность трибологической системы поршневое кольцо – смазочный слой – цилиндровая втулка. Чем выше этот показатель, тем меньшая часть газов, образующихся в цилиндре при сгорании топлива, проходит по зеркалу цилиндровой втулки через возможные неплотности между поршневыми кольцами и цилиндровой втулкой. Таким образом в цилиндре вместе с топливом сгорает меньшая часть масла, находящаяся только над верхним/верхними поршневыми кольцами. Результаты выполненных исследований приведены в таблице 1 и на рис. 2.

Таблица 1.

Результаты эксперимента

^* – в числителе при работе на масле без присадки, в знаменателе – на масле с поверхностно-активной присадкой.

а)

б)

Рисунок 2. Изменение содержания металлических примесей (а) и остаточного щелочного числа (б) в отработавшем масле при различных условиях эксплуатации дизеля 12 K98ME-С7 MAN-B&W:

1 – работа на «чистом» масле; 2 – работа на масле с поверхностно-активной присадкой

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы.

1. Минимально неизбежные потери энергии, возникающие при возвратно-поступательном движении в узлах трения судовых двигателей внутреннего сгорания (в частности при перемещении поршня в цилиндре), могут быть оценены по характеристикам отработавшего масла, взятого из его подпоршневого пространства (для дизелей, работающих по двухтактному циклу). При этом в качестве критерия целесообразно использовать содержание металлических примесей в отработавшем масле и его остаточное щелочное число. Увеличение содержания механических примесей свидетельствует о повышении уровня контактных взаимодействий в паре трения поршневые кольца – втулка цилиндра и возрастанию минимально неизбежных потерь энергии. Значение остаточного щелочного числа масла, использующегося для смазывания цилиндропоршневой группы дизеля, может характеризовать гидравлическую плотность трибологической системы поршневое кольцо – смазочный слой – цилиндровая втулка. При этом бо́льшим значениям остаточного щелочного числа масла соответствует бо́льшая гидравлическая плотность и меньшие значения минимально неизбежных потерь энергии.

2. Моторные масла, использующиеся в системах цилиндрового смазывания двухтактных дизелей, образовывают на контактных поверхностях наноструктурированный граничный смазочный слой, который характеризуется качественными показателями: толщиной и степенью упорядоченности молекул. Для увеличения этих показателей используются поверхностно-активные присадки, которые вводятся либо в общий объем системы смазывания, либо непосредственно в масляную магистраль перед дизелем.

3. Экспериментально подтверждено, что применение поверхностно-активных присадок способствует снижению содержания металлических примесей в отработавшем цилиндровом дизеле масле и повышению его остаточного щелочного числа. Для малооборотного двухтактного дизеля 12K98ME-С7 MAN-B&W (на котором проводились исследования) усредненные за время 240-ка часового эксперимента значения этих величин находится в пределах: содержание механических примесей 75  ppm, остаточное щелочное число 39 мгKOH/г (при первоначальном значении 70 мгKOH/г) – в случае работы дизеля на масле без присадки; 54 ppm, 51 мгKOH/г (при таком же первоначальном значении 70 мгKOH/г) – в случае работы дизеля на масле с использованием поверхностно активной присадки; таким образом достигается 28 %-е снижение содержание механических примесей и 17,2 %-е повышение остаточное щелочное число в отработавшем масле.

4. Управление структурой наноструктурированного граничного смазочного слоя, заключающееся в использовании поверхностно активных присадок, способствует поддержанию минимально неизбежных потерь энергии в судовых двигателях внутреннего сгорания.

Список литературы:
1. Куропятник А. А., Сагин С. В. Управление выпускными газами судовых дизелей для обеспечения экологических показателей // Автоматизация судовых технических средств: наук.-техн. сборник. – 2018. – Вып. 24. – С. 72-80.
2. Поповский А. Ю., Сагин С. В. Комплексная оценка эксплуатационных характеристик смазочных углеводородных жидкостей // Автоматизация судовых технических средств : науч.-техн. сборник. – 2014. – Вып. 20. – С. 74-83.
3. Поповский А. Ю., Сагин С. В. Оценка эксплуатационных свойств смазочно-охлаждающих жидкостей судовых технических средств // Автоматизация судовых технических средств: науч.-техн. сборник. – 2016. – Вып. 22. – С. 66-74.
4. Сагин С. В. Определение триботехнических характеристик поверхностей по степени упорядоченности пристенных слоев углеводородных жидкостей / С. В. Сагин, Ю. В. Заблоцкий // Проблеми техніки : наук.-виробн. журнал. – 2011 . – № 3. – Одесса : ОНМУ. – С. 78-88.
5. Сагин С. В. Оптимизация расхода высокощелочного цилиндрового масла судовых малооборотных дизелей // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. – 2016. № 7 (28) . URL: http://7universum.com/ ru/tech/archive/item/3385.
6. Сагин С. В. Определение диапазона стратификации вязкости смазочного материала в трибологических системах судовых дизелей / С. В. Сагин // Вісник Одеськ. нац. мор. ун-ту, 2019. – Вип. 1(58). – С. 88-98.
7. Сагин С. В. Оптические характеристики граничных смазочных слоев масел, применяемых в циркуляционных системах судовых дизелей / С. В. Сагин, Д. В. Мацкевич // Судовые энергетические установки : науч.-техн. сб. – 2011. – № 26. – Одесса : ОНМА. – С.116-125.
8. Сагин С. В. Реология моторных масел при режимах пуска и реверса судовых малооборотных дизелей // Universum: Технические науки. – 2018. – Вып. 3(48). – С. 67-71.
9. Сагін С. В. Зниження енергетичних втрат в прецизійних парах паливної апаратури суднових дизелів // Суднові енергетичні установки : наук.-техн. зб., 2018. – Вип. 38. – Одеса : НУ «ОМА». – С. 132-142.
10. Сагин С. В., Заблоцкий Ю. В. Влияние анизотропных жидкостей на работу узлов трения судовых дизелей // Проблеми техніки : наук.-виробн. журнал, 2012 . – № 4. – Одесса : ОНМУ. – С. 68-81.
11. Сагин С. В., Мацкевич Д. В. Оптические характеристики граничных смазочных слоев масел, применяемых в циркуляционных системах судовых дизелей // Судовые энергетические установки : науч.-техн. сб. – 2011. – № 26. – Одесса : ОНМА. – С.116-125.
12. Kuropyatnyk O. A., Sagin S. V. Exhaust Gas Recirculation as a Major Technique Designed to Reduce NOх Emissions from Marine Diesel Engines // OUR SEA : International Journal of Maritime Science & Technology. – 2019. – Vol. 66. – Iss. 1. – Р. 1-9. doi.org/10.17818/ NM/2019/1.1
13. Sagin S. V. Determination of the optimal recovery time of the rheological characteristics of marine diesel engine lubricating oils // Materials of the International Conference “Process Management and Scientific Developments” Birmingham, United Kingdom, January 16, 2020. – Р. 195-202.
14. Sagin S. V. Improving the performance parameters of systems fluids // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences, Vienna-2018. – № 7-8 (July-August). – Р. 55-59. doi.org/10.29013/AJT-18-7.8-55-59.
15. Sagin S. V., Kuropyatnyk О. А. The Use of Exhaust Gas Recirculation for Ensuring the Environmental Performance of Marine Diesel Engines // OUR SEA : International Journal of Maritime Science & Technology. – June 2018. – Vol. 65. – № 2. – Р. 78-86. doi.org/10.17818/NM/ 2018/2.3
16. Sagin S. V., Semenov O. V. Marine Slow-Speed Diesel Engine Diagnosis with View to Cylinder Oil Specification // American Journal of Applied Sciences, Published by Science Publication, 2016. – Vol.13. – Iss. 5. – P. 618-627. DOI: 10.3844/ajassp.2016.618.627.
17. Sagin S. V., Solodovnikov V. G. Estimation of Operational Properties of Lubricant Coolant Liquids by Optical Methods // International Journal of Applied Engineering Research. – 2017. – Vol. 12. – Num. 19. – Р. 8380-8391.
18. Zablotsky Yu. V., Sagin S. V. Enhancing Fuel Efficiency and Environmental Specifications of a Marine Diesel When using Fuel Additives // Indian Journal of Science and Technology. – December 2016. – Vol. 9. – Iss. 46. – P. 353-362. DOI: 10.17485/ijst/2016/v9i46/107516.
19. Zablotsky Yu. V., Sagin S. V. Maintaining Boundary and Hydrodynamic Lubrication Modes in Operating High-pressure Fuel Injection Pumps of Marine Diesel Engines // Indian Journal of Science and Technology, Published by Indian Society of Education and Environment, May 2016. – Vol. 9. – Iss. 20. – P. 208-216. DOI: 10.17485/ijst/2016/v9i20/94490.