Влияние угара моторного масла на интенсивность его старения в судовом дизеле с высоким наддувом

DOI: 10.24143/2073-1574-2019-1-71-77 УДК 621.43.013:629.3

ВЛИЯНИЕ УГАРА МОТОРНОГО МАСЛА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ЕГО СТАРЕНИЯ В СУДОВОМ ДИЗЕЛЕ С ВЫСОКИМ НАДДУВОМ

М. И. Тарасов, Л. А. Семенюк

Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского, Владивосток, Российская Федерация

Ключевые направления процесса старения масла тесно взаимосвязаны с его угаром, и это в очередной раз подтверждено моторным экспериментом. Подвергнутая идентификации по увеличению концентрации нерастворимых примесей степень окисления моторного масла идентифицирует термоокислительную деструкцию присутствующих углеводородов. Рассмотрены результаты моделирования процесса износа деталей цилиндропоршневой группы судового дизеля. Посредством применения теории планирования эксперимента выявлен диапазон минимального изнашивания, при этом зависимость ориентирована на значения показателей качества применяемых горюче-смазочных материалов, форсировку двигателя и величину угара моторного масла. Отмечено изменение значений в основных направлениях старения масла вследствие уменьшения его угара. Выявлен угар моторного масла, при котором эксплуатации дизеля сопутствуют меньшие нагаро- и лакообразование на его поршнях и скорость изнашивания элементов цилиндропоршневой группы; наблюдается превосходное состояние моторного масла по составу продуктов старения. Скорость старения масла определяли на протяжении каждого этапа испытаний, анализируя результаты проб. Представлены матрица планирования эксперимента и результаты её обработки. Выведены уравнения для применения в работе тронкового дизеля, с помощью которых возможно произвести расчёт общей и удельной скорости старения моторного масла, имея в качестве исходных данных значения угара масла, качества применяемых горюче-смазочных материалов и форси-ровки двигателя. Рекомендовано применять моторное масло марки М-14-Г2 (цс) для эффективной и продолжительной работы судовых двигателей, обладающих средним и низким наддувом. Для работающих на топливах глубокой переработки нефти судовых форсированных двигателей допустимо использование масел марок М-14-Д2 (цл 20) и М-14-Д2 (цл 30) как обладателей высоких показателей нейтрализующих и моторных свойств.

Ключевые слова: судовой дизель, старение масла, угар моторного масла, расход моторного масла, идентификация загрязнения, экспериментальное моделирование.

Для цитирования: ТарасовМ. И., Семенюк Л. А. Влияние угара моторного масла на интенсивность его старения в судовом дизеле с высоким наддувом // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2019. № 1. С. 71-77. DOI: 10.24143/2073-1574-2019-1-70-77.

Введение

В настоящее время, когда в сфере морского транспорта снова актуализируются проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов, поиск эффективных решений выходит на новый уровень. Одним из возможных путей решения создавшихся проблем становится процесс повышения экономичности по расходу моторного масла (ММ) во время эксплуатации судовых трон-ковых дизелей. Большой интерес представляет исследование зависимости воздействия угара масла на его старение в дизелях с высоким наддувом, эксплуатируемых на топливах, обладающих высокой вязкостью.

Методы и результаты исследования

Для моделирования представляющей интерес зависимости был применён дизель VASA 20 (6ЧН20/28) (мощность Ре = 1 000 кВт; частота вращения вала n = 1 000 мин1; форсировка дизеля рте = 2,4 МПа). В соответствии с рекомендациями [1] были приняты режимы нагружения. Унифицированные масла из групп Г-Д (ГОСТ 12337-84) были приняты в качестве смазочного материала. Процесс очистки ММ проходил посредством применения полнопоточного фильтра, в котором в качестве фильтрующего элемента применялся Н-15, обладающий номинальной тонкостью отсева: 35-40 мкм. В системе смазки дизеля масса ММ составила 480 кг.

По прошествии каждых 25 ч эксплуатации дизеля проводился набор проб масла для анализа и осуществлялся его долив для компенсации возникающего угара. Сохраняющийся угар ММ продолжительностью в 250 ч присутствовал на всём этапе проводимых испытаний [2]. Путём изменения величины рабочих зазоров и конструкций деталей цилиндропоршневой группы увеличивали эффективность действия маслосъёмных колец двигателя с целью регулирования угара. Применяя весовой метод, контролировали угар ММ.

Используя метод центрифугирования согласно ГОСТ 20684-95 и ориентируясь на показатель концентрации нерастворимых примесей (НРП), мы произвели оценку состояния ММ - с. В работающем масле проводили контроль его кислотно-щелочных свойств К и Щ согласно ГОСТ 11362-96. Рассматривая отношения интегральной интенсивности покрытия карбонилсо-держащих соединений С=О к группе С=С (ароматических ядер) выявили степень окисления СО. Используя методы хроматографии и диализа, выявили содержание смол (См).

Анализируя результаты проб ММ, изымаемых на протяжении каждого этапа испытаний, мы смогли определить скорость старения масла. В процессе построения кинетических кривых старения ММ нашёл своё применение метод наименьших квадратов. Возможность перехода к удельным показателям А, была осуществлена посредством учёта параметров цилиндра периодичности контакта на втулке образованной масляной плёнки с рабочими газами.

Некомпозиционный план второго порядка был использован при обработке данных, полученных в ходе эксперимента. В табл. 1 приведены значения интервалов и уровней варьирования факторов.

Таблица 1

Уровни и интервалы варьирования факторов

Кодовое обозначение Интервал варьирования Уровень факторов

Фактор Нижний -1 Основной 0 Верхний +1

Форсировка дизеля рте на режиме испытаний, МПа Х1 0,75 0,5 1,25 2

Качество масла М, ранг Х2 1 -1 0 1

Качество топлива Кт, отн. ед. Хз 0,8 0,2 1 1,8

Удельный угар масла gY, г/(кВт-ч) Х4 1,5 1 2,5 4

С целью создания более полной картины современных эксплуатирумых в Дальневосточном бассейне форсированных судовых двигателей с повышенной и средней частотой вращения промежуток варьирования рте был принят 0,5-2,0 МПа. Двигатель эксплуатировался по своей нагрузочной характеристике. Так как математическое ожидание нагрузки (мощности) необходимо было выдержать по значениямрте - 0,5; 1,25 и 2,0 МПа, ориентируясь на рекомендации [1], подбирали режимы работы.

В табл. 2 приведена матрица планирования эксперимента и результаты её обработки.

Таблица 2

Матрица планирования эксперимента и результаты её обработки

№ Хо Х1 Х2 Хз Х4 Ащ Ак А НРП А См Асо

1 1 1 1 0 0 117,6 156,5 131,0 74,7 183,3

2 1 1 -1 0 0 30,9 112,1 123,3 17,3 424,9

3 1 -1 1 0 0 95,2 49,4 35,8 159,5 321,5

4 1 -1 -1 0 0 39,1 60,6 133,2 79,7 186,9

5 1 0 0 1 1 62,8 147,0 256,6 513,8 263,8

6 1 0 0 1 -1 21,1 166,5 214,3 252,1 30,1

7 1 0 0 -1 1 67,3 160,2 283,2 171,1 99,5

8 1 0 0 -1 -1 14,4 59,4 93,8 421,2 57,6

9 1 0 0 0 0 47,3 75,3 103,8 167,0 103,4

10 1 1 0 0 1 151,4 273,3 219,9 198,6 471,9

11 1 1 0 0 -1 25,7 98,1 104,0 208,5 120,5

12 1 -1 0 0 1 110,4 129,2 267,6 315,4 315,0

Окончание табл. 2

№ Хо Х1 Х2 Хз Х4 Ащ Ак Анрп А См Асо

13 1 -1 0 0 -1 65,0 121,0 11,2 32,4 213,6

14 1 0 1 1 0 54,0 87,7 182,3 86,8 195,1

15 1 0 1 -1 0 55,4 88,4 95,8 125,4 31,1

16 1 0 -1 1 0 12,8 127,8 216,4 417,6 82,3

17 1 0 -1 -1 0 23,1 47,3 237,9 85,6 246,4

18 1 0 0 0 52,4 83,9 115,7 185,2 114,7

19 1 1 0 1 0 70,2 183,7 192,2 413,0 190,8

20 1 1 0 -1 0 24,7 228,0 76,1 106,1 246,7

21 1 -1 0 1 0 18,7 138,1 62,6 100,1 181,7

22 1 -1 0 -1 0 39,9 66,6 125,0 206,7 73,8

23 1 0 1 0 1 142,1 130,5 184,2 207,0 364,0

24 1 0 1 0 -1 70,3 56,0 215,1 10,9 15,9

25 1 0 -1 0 1 47,1 77,4 355,0 142,5 212,0

26 1 0 -1 0 -1 20,0 59,6 107,4 266,8 292,2

27 1 0 0 0 0 47,4 75,4 104,0 167,4 103,7

Используемому моторному маслу М-14-Д (цл 20) присвоен код ранга (0). Ранги (-1) и (1) были закреплены за моторными маслами М-14-Г2 (цс) и М-14-Д2 (цл 30) соответственно. Используя теорию [3], качественную характеристику употребляемого топлива принимаем как показатель Кт.

В проводимом эксперименте расход ММ на угар обозначался как удельный показатель £у, г/(кВтч). Его воздействие на интенсивность старения масла весьма ощутимо.

В центре плана эксперимента, согласно матрице планирования, было предусмотрено проведение трёх опытов, выполненных параллельно, для последующего расчёта дисперсии воспроизводимости. Ориентируясь на формулы, задействованные в работе [4], мы обозначили коэффициенты. В проведённых опытах № 9, 18, 27, а также во всех точках плана для возможности вычисления дисперсии адекватности и воспроизводимости вычисляли суммы квадратов отклонений расчётных значений у.

По окончании приведения исходных факторов к их натуральному виду мы создали модели старения масла в виде:

АЩ = 137,30 - 136,69^те - 1,25М + 46,78Кт - 36,64gy + 10,20pmeM + 27,80pmeKr + +17,85pmegy + 7,45Mgy + 25,71pme2 - 40,77КТ2 + 6,92gy2;

АК = 184,75 - 191,72pme - 21,43М + 47,65Кт - 63,69gy + 18,53pmeM - 48,25ртеКт + 37,11pmegy -- 25,38МКт + 9,45Mgy - 25,07Kgy + 80,52pme2 - 25,12М2 + 48,13Кт2 + 12,44gy2;

АНРП = 28,72 + 170,16pme + 11,08М - 110,17Кт - 43,90g + 35,04pmeM + 74,3%p„^ - 31,23pmegy + + 33,75МКт - 46,42Mgy - 30,65КТgy - 57,21pme¿ + 34,76М2 + 57,98Кт2 + 31,84gy2;

АСм = 529,88 + 167,32pme - 46,46М - 673,80Кт - 147,10gy + 172,30pmeКТ - 65,09pmegy -- 115,81МКт + 53,40Mgy + 106,63КТgy - 70,76pme2 - 69,58М2 + 130,69Кт2 + 28,33gy2;

Асо = 480,12 - 529,26pme - 152,07М + 136,74Кт - 170,76gy - 125,40pmeM - 68,25pmeKr + + 55,56pmegy + 102,54МКт + 71,39Mgy + 39,96КТgy + 198,81pme2 + 64,96М2 - 65,83Кт2 + 23,34gy2.

В табл. 3 приведены результаты обработки матрицы планирования эксперимента.

Таблица 3

Результаты обработки матрицы планирования эксперимента

A* / Ы Ащ Ак Анрп А См Асо

b0 49,03 78,20 107,83 173,20 107,27

b1 4,35 40,57 17,59 10,37 28,80

b2 30,13 6,98 -27,42 -28,77 -27,82

b3 1,23 16,74 17,72 55,61 15,73

b4 30,38 29,75 68,39 29,71 83,03

b\2 7,65 13,90 26,28 -5,60 -94,05

Окончание табл. 3

А** / b¡* Ащ Ак А НРП А См Асо

bi3 16,68 -28,95 44,63 103,38 -40,95

bl4 20,08 41,75 -35,13 -73,23 62,50

b23 2,23 -20,30 27,00 -92,65 82,03

b24 11,18 14,18 -69,63 80,10 107,08

Ьз4 -2,80 -30,08 -36,78 127,95 47,95

bll 16,62 45,29 -32,18 -39,80 111,83

b22 6,47 -25,12 34,76 -69,58 64,96

Ьзз -23,93 30,80 37,11 83,64 -42,13

b44 17,72 27,99 71,63 63,74 52,52

* A¡ - удельная скорость старения ММ по г-ому направлению, приходящаяся на единицу поверхности ометаемой поршнем цилиндровой втулки с учётом времени контакта газов с масляной плёнкой.

**b¡ - коэффициент уравнения регрессии.

Анализируя полученные уравнения, ориентированные на различные направления процесса старения масла, мы установили, что степень глубины его окисления максимально зависит от качества. Замечено, что при увеличении степени окисления и кислотности ММ величина фактора pme также имеет большое значение. По всем направлениям старения ММ, в частности по параметру загрязнения НРП, ключевое значение имеет качество используемого топлива. Имеет место достаточно специфичная зависимость параметры Аг (gy). Когда наблюдаются снижения интенсивности старения масла до минимального уровня, становится явным присутствие характерной зоны угара.

Подразумевая, что работа судового двигателя была стабильной, принимаем допустимым в масле содержание НРП, присадок и других продуктов старения. При использовании ММ в двигателе VASA 20 с фиксированием различного угара к моменту стабилизации показателей масла у большей части зависимостей Cidgy) наблюдаются точки экстремума. В диапазоне угара от 1,5 до 2,5 г/(кВтч) зафиксированы минимальные значения продуктов глубокого окисления, концентрации НРП, смол и кислотности, однако значение параметра щёлочности максимально. На рис. можно наблюдать выявленное увеличение кислотности ММ, смолообразования и степени окисления при резком снижении щёлочности в периоде уменьшения угара масла gy с 2,5 до 0,7 г/(кВтч).

1 - 1 ^ ? ? ? gy, г/(кВт ч) Удельный угар масла

Зависимость скорости старения масла (по параметру окисления) от его угара при эксплуатации дизеля на основном режиме

Возникновение этого процесса в промежутке от 2,5 до 0,7 г/(кВтч) можно обосновать тем, что маслообмен предельно низок. При этом, если проводить сравнение удельной скорости старения и угара масла, можно отметить, что второй процесс более интенсивен [5, 6].

Ввиду усугубления процесса старения масла по основным его направлениям, отсутствует возможность даже при увеличении маслообмена изменить значение угара от оптимального до 4 г/(кВтч). Всё вышеперечисленное имеет отрицательное влияние на показатели сгш, Щш, Кш. Снижение щёлочности Щ, увеличение загрязнения масла НРП и его окисление СО наиболее ярко выражены при повышении gr Одновременно несущественные отклонения получают параметры См и К .

Наибольшее расхождение показателей, участвующих в эксперименте и заложенных для процесса моделирования сгш (см. рис.), не превысило 12 %. Если при проведении этапа наблюдалась стабилизация, то натурным определением закреплялось экспериментальное значение сгш. Если на этапе стабилизация не наблюдалась, то расчёт показателей выполняли по полученным замерам, с учётом идентификации экспонент.

Заключение

Подводя итог проведённых испытаний на двигателе VASA 20 с использованием разных масел, заключаем, что применение ММ, которые входят в группу Г2, недопустимо для двигателей, обладающих высоким наддувом. Для эффективной и продолжительной работы судовых двигателей, обладающих средним и низким наддувом, на дистиллятных топливах рекомендуем применять ММ М-14-Г2 (цс) с показателем щелочности 9-10 мгКОН/г. Следует отметить, что для работающих на топливах глубокой переработки нефти судовых форсированных двигателей допустимо применение масел марок М-14-Д2 (цл 20) и М-14-Д2 (цл 30) как обладателей высоких показателей нейтрализующих и моторных свойств. Также при снижении gy ниже 2 г/(кВт-ч) износ деталей цилиндропоршневой группы происходит интенсивней ввиду увеличения в работающем масле грубодисперсных НРП.

По результатам прошедшего экспериментального моделирования выведены уравнения, применив которые для работы тронкового дизеля, возможно провести расчёт общей a, и удельной А, скорости старения ММ, имея исходными данными значения угара масла, качества применяемых горюче-смазочных материалов и форсировки двигателя. При использовании кинетических уравнений экспоненциального типа становится возможным создание прогноза состояния ММ в функции от времени его работы с ориентировкой на скорость процесса старения.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Кича Г. П., Перминов Б. Н., Надежкин А. В. Ресурсосберегающее маслоиспользование в судовых дизелях: моногр. Владивосток: Изд-во МГУ им. адм. Г. И. Невельского, 2011. 372 с.

2. Кича Г. П., Тарасов М. И. Конструктивные эксплуатационные методы снижения угара моторного масла в судовых дизелях // Науч. проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2017. № 3-4. С. 138-143.

3. ГаукГ. А. Влияние угара моторного масла на интенсивность его старения в судовом дизеле // Науч. проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2010. № 2. С. 239-243.

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

5. Надежкин А. В., Кича Г. П., Семенюк Л. А. Оптимизация режимов комбинированной очистки моторного масла в судовых дизелях методами вариационного исчисления // Мор. интеллектуал. технологии. 2017. № 3. T. 2. С. 93-101.

6. Маницын В. В., Соболенко А. Н. Анализ повреждений рамовых подшипников двигателей 8NVD-2U на промысловых судах // Вестн. Гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С. О. Макарова. 2016. № 6. С. 150-155.

Статья поступила в редакцию 29.12.2018

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Тарасов Максим Игоревич - Россия, 690059, Владивосток; Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского; аспирант кафедры судовых двигателей внутреннего сгорания; nadezkin@msun.ru.

Семенюк Людмила Анатольевна — Россия, 690059, Владивосток; Морской государственный университет им. адмирала Г. И. Невельского; аспирант кафедры судовых двигателей внутреннего сгорания; selyan11@yandex.ru.

EFFECT OF WASTE ENGINE OIL ON AGEING INTENSITY IN A MARINE DIESEL ENGINE WITH HIGH BOOST

M. I. Tarasov, L. A. Semeniuk

Maritime State University named after G. I. Nevelskoy, Vladivostok, Russian Federation

Abstract. The key directions of the oil aging process are closely interrelated with its fumes and this is once again confirmed by the motor experiment. The degree of oxidation of the engine oil subjected to identification by increasing the concentration of insoluble impurities identifies the thermo-oxidative destruction of the present hydrocarbons. The results of modeling the process of wear of parts of the cylinder-piston group of marine diesel are considered. Through the application of the theory of experiment planning, the range of minimum wear is revealed, the dependence is focused on the values of the quality indicators of the used fuels and lubricants, the engine boost and the amount of engine oil burn. The change in the values in the main directions of oil aging as a result of reducing its fumes was noted. There has been revealed engine oil burnout in which the operation of the diesel engine is accompanied by less carbon and varnish formation on its pistons and the wear rate of the elements of the cylinder-piston group, the engine oil being in excellent condition in terms of the composition of aging products. Oil aging rate is determined at each stage of trial, according to sample analysis. There is given the matrix of experiment planning, as well as results of its processing. There are established the equations usable in trunk diesel operation that help to analyze general and specific rate of motor oil ageing, the initial values being values of oil waste, properties of fuels and lubricants and engine forcing. Motor oil of M-14-r2 grade (circulating system) has been recommended to use for efficient and durable operation of ship diesels with average and low boost. For high powered engines operating on deep refining fuels it is possible to use the following oil grades: M-14-,fl,2 (cl 20) u M-14-,fl,2 (cl 30) with high neutralizing and motor qualities.

Key words: marine diesel, oil aging, oil waste, oil consumption, identification of pollution, experimental modelling.

For citation: Tarasov M. I., Semeniuk L. A. Effect of waste engine oil on ageing intensity in a marine diesel engine with high boost. Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine Engineering and Technologies. 2019;1:71-77. (In Russ.) DOI: 10.24143/2073-1574-20191-71-77.

REFERENCES

1. Kicha G. P., Perminov B. N., Nadezhkin A. V. Resursosberegaiushchee masloispol'zovanie v sudovykh dizeliakh: monografiia [Resource-saving use of oil in ship diesels: monograph]. Vladivostok, Izd-vo MGU imeni admirala G. I. Nevel'skogo, 2011. 372 p.

2. Kicha G. P., Tarasov M. I. Konstruktivnye ekspluatatsionnye metody snizheniia ugara motornogo masla v sudovykh dizeliakh [Structural operational methods of lowering motor oil waste in ship diesels]. Nauchnye problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka, 2017, no. 3-4, pp. 138-143.

3. Gauk G. A. Vliianie ugara motornogo masla na intensivnost' ego stareniia v sudovom dizele [Motor oil waste impact on its ageing intensity in marine diesel engine]. Problemy transporta Sibiri i Dal'nego Vostoka, 2010, no. 2, pp. 239-243.

4. Spiridonov A. A. Planirovanie eksperimenta pri issledovanii tekhnologicheskikh protsessov [Experiment planning in studying technological processes]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1981. 184 p.

5. Nadezhkin A. V., Kicha G. P., Semeniuk L. A. Optimizatsiia rezhimov kombinirovannoi ochistki motornogo masla v sudovykh dizeliakh metodami variatsionnogo ischisleniia [Optimization of motor oil combined refining modes in marine diesels using methods of variation calculus]. Morskie intellektual'nye tekhnologii, 2017, no. 3, vol. 2, pp. 93-101.

6. Manitsyn V. V., Sobolenko A. N. Analiz povrezhdenii ramovykh podshipnikov dvigatelei 8NVD-2U na promyslovykh sudakh [Analysis of main bearing damages in 8NVD-2U type engines on catching vessels]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2016, no. 6, pp. 150-155.

The article submitted to the editors 29.12.2018

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Tarasov Maxim Igorevich — Russia, 690059, Vladivostok; Maritime State University named after G. I. Nevelskoy; Postgraduate Student of the Department of Ship Internal Combustion Engines; nadezkin@msun.ru.

Semeniuk Liudmila Anatolievna — Russia, 690059, Vladivostok; Maritime State University named after G. I. Nevelskoy; Postgraduate Student of the Department of Ship Internal Combustion Engines; selyan11@yandex.ru.