Смазочные масла для судовых среднеоборотных дизелей


Категория Применение топлив в судовых дизелях

В последние годы расширяется использование мощных тронковых среднеоборотных дизелей в качестве главных двигателей морских транспортных, рыбопромысловых и других судов. В основном это объясняется высокой форсировкой этих двигателей, благодаря которой достигнуты такие цилиндровые и агрегатные мощности, которые позволяют при установке нескольких двигателей на одном судне перекрыть не только диапазон мощностей, развиваемых малооборотными дизелями, но и вторгаться в область мощностей, до сих пор монопольно принадлежавшую паротурбинным установкам. Как показывает более чем десятилетний опыт эксплуатации, среднеоборотные дизели по надежности в эксплуатации, величине моторесурса и удельному расходу топлива почти не уступают малооборотным крейцкопфным дизелям, имея значительные преимущества перед последними по габаритам, металлоемкости, удобству агрегатного ремонта и пр. Уже к 1968 г. одну треть мощности главных двигателей всех построенных в мире за этот год теплоходов составляли среднеоборотные дизели. Из 2009 теплоходов дедвейтом 2000 т и более, заказанных к постройке на всех верфях мира к 1 апреля 1974 г., на 1169 судах в качестве главных двигателей будут установлены малооборотные дизели и на 840 судах — среднеоборотные. Предполагается, что к 1985 г.

среднеоборотный дизель будет наиболее широко распространенным типом главного двигателя для судов водоизмещением до 20 000 т.

Конкурентоспособность среднеоборотных дизелей (по отношению к малооборотным) стала возможной только после применения для их работы высоковязких остаточных топлив, стоимость которых мало отличается от цены топлив, применяемых в малооборотных двигателях. Так, опыт эксплуатации около ста четырехтактных двигателей В-300 и С-420, выпускаемых фирмой Фиат, показывает их вполне надежную работу при использовании высокосернистого топлива (S^3,5%), которое после очистки его в сепараторе должно содержать не более 0,05% золы, 9% кокса, 8% асфальтовых соединений, 0,000035% натрия и 0,0015% ванадия. При использовании такого топлива износ цилиндровых втулок не превышает 0,02 мм/1000 ч, что обеспечивает моторесурс порядка 40—50 тыс. ч.

Использование для среднеоборотных дизелей тяжелых высокосернистых топлив потребовало разработки специальных смазочных масел.

Конструкция тронковых дизелей не позволяет отделить цилиндры от картера, как это имеет место в малооборотных дизелях, и поэтому неизбежен заброс на стенки цилиндра масла, вытекающего в картер из мотылевых (шатунных) подшипников коленчатого вала и других точек смазки, а также масла, стекающего из полостей охлаждения поршней. Однако у большинства среднеоборотных мощных дизелей основной системой смазки цилиндров является лубрикаторная, имеющая ряд преимуществ перед смазкой цилиндров разбрызгиванием. В цилиндр подается всегда свежее масло, имеющее более высокий уровень моторных свойств, чем масло, находящееся в картере, где часть содержащихся в масле присадок уже сработалась. Кроме того, при помощи лубрикаторов можно смазывать цилиндры двигателя перед его пуском (что имеет немаловажное значение для снижения пусковых изно-сов двигателя), а также обеспечивать необходимую подачу масла при реверсах двигателя и его работе на малой частоте вращения.

Использование в среднеоборотных дизелях двух различных по своим свойствам масел — циркуляционного и цилиндрового является нецелесообразным из-за неизбежного смешивания этих масел как в картере, так и на стенках цилиндра.

Выполнение смазочным маслом для среднеоборотных дизелей, работающих на высокосернистых топливах, совокупности функций, которые в малооборотных двигателях выполняют два различных по своим свойствам масла (циркуляционное и цилиндровое) , предъявляет к ним и соответствующие требования.

Масла для среднеоборотных дизелей должны:
— обладать высокими смазочными свойствами как в высокотемпературной, так и в низкотемпературной зонах двигателя;
— препятствовать появлению на трущихся поверхностях задиров, натиров и других дефектов;
— предохранять детали двигателя от коррозионного износа;
— не образовывать на деталях цилиндро-поршневой группы лаков и нагаров и отложений шлама в картере;
— не корродировать цветные металлы и антифрикционные сплавы подшипников;
— предохранять детали двигателя от стояночной коррозии (ржавления) при длительной остановке двигателя;
- не образовывать стойкой эмульсии с пресной и морской водой; содержать стабильные присадки, не выпадающие из масла при длительном хранении, сепарации, фильтрации и „попадании в масло воды;
— при сгорании не образовывать большого количества золы, являющейся основным источником высокотемпературных отложений в двигателе; кроме того, во избежание повышенного износа деталей зола должна обладать возможно меньшей абразивностью.

Над разработкой- масел, удовлетворяющих перечисленным требованиям, на протяжении последних 8—10 лет работали научно-исследовательские центры ведущих нефтяных зарубежных компаний. В нашей стране создание такого масла началось позже. Основная трудность заключалась в подборе присадок, которые придали бы маслу необходимый уровень моторных свойств: антиокислительных, противокоррозионных, нейтрализующих, моющих, антипенных и других.

Высокое содержание серы в топливах, применяемых для работы среднеоборотных дизелей, предъявляет, в первую очередь к смазочному маслу, требование полной нейтрализации конденсатов серной кислоты, образующихся в цилиндрах двигателей. В противном случае неизбежен коррозионный износ цилиндровых втулок, поршней и поршневых колец и коррозия подшипников и других деталей.

Нейтрализация растворов серной кислоты, конденсирующихся на деталях цилиндро-поршневой группы среднеоборотного дизеля, достигается меньшей щелочностью масла, чем у масла в малооборотном дизеле, даже при работе сравниваемых двигателей на топливах с одинаковым содержанием серы. Для среднеоборотных тронковых двигателей, работающих на тяжелых сернистых топливах, „применяют масла со щелочностью в 20—30 мг КОН/г, т. е. в 2—3 раза меньшей, чем щелочность высокощелочных цилиндровых масел для малооборотных двигателей. Такие масла получили условное название среднещелочных. Возможность их использования связана со значительно большим количеством масла, поступающего на стенки цилиндра среднеоборотного дизеля, и более частой его сменой по сравнению с малооборотным дизелем. Более частая смена масла, кроме того, способствует уменьшению тепловой нагрузки на него, что, в свою очередь, позволяет повысить температуру поршневых колец и их канавок. В среднеоборотных двигателях эти температуры могут достигать 220—240°С без опасности пригорания поршневых колец.

Одной из причин, из-за которых нежелательно применять для среднеоборотных дизелей высокощелочные масла (помимо более высокой цены на эти масла — фактора весьма существенного), является их высокая зольность. Повышенное содержание золы в маслах для среднеоборотных дизелей, которые в подавляющем большинстве являются четырехтактными, приводит к изъязвлению седла и посадочного пояса выпускных клапанов, может вызвать образование значительных зольных отложений в камере сгорания, на лопатках газовых турбин, на поршне и других деталях.

Кроме того, повышенное содержание золы в масле может усилить абразивный износ цилиндровых втулок и поршневых колец двигателя.

Наряду с необходимыми нейтрализующими свойствами масла для среднеоборотных дизелей должны обладать и высокими антинагарными свойствами, которые достигаются вводом в масло эффективных противонагарных присадок, обладающих сильными моющими и диспергирующими свойствами.

Наличие в масле для среднеоборотных дизелей диспергирующих присадок не исключает сепарацию и фильтрацию масла, необходимые для улавливания из него крупных частичек загрязнений, которые могут образоваться в масле при плохой работе топливной аппаратуры, пропуске газов клапанами и поршневыми кольцами, длительной работе при малой частоте вращения и в ряде других случаев. Присутствие в масле активных дисперсан-тов может значительно снизить образование, при неблагоприятных условиях работы двигателя, большого количества нерастворимых в масле загрязнений, но не полностью их устранить.

В среднеоборотных дизелях масло подвергается действию высоких температур не только в зоне поршневых колец, но и при охлаждении днища поршия, температура которого достигает 250°С. Если на входе в полости охлаждения поршня температура масла составляет 50°С, то па выходе она достигает 100°С, причем можно считать, что средний теплоотвод в охлаждающее масло составляет около 50ккал/л.с.-ч. Высокие температуры металлических поверхностей, с которыми соприкасается масло, вызывают ускоренное окисление его углеводородов. При этом окисление имеет место как при работе на малосернистом топливе, так и в том случае, когда растворы серной кислоты, конденсирующиеся на деталях цилиндров двигателя, работающего на сернистом топливе, полностью нейтрализованы щелочными присадками масла. Однако требования к антиокислительным свойствам масел для среднеоборотных дизелей, работающих на остаточных топливах, более высокие, чем при работе этих двигателей на маловязких дистил-лятных сортах. Температуры деталей цилиндра при работе на разных — по вязкости и другим показателям — топливах при условии хорошего распыливания и смесеобразования мало отличаются друг от друга. Но случаи нарушения работы топливной аппаратуры (загорание распылителей форсунок, осмоление форсуночных игл и плунжеров топливных насосов высокого давления) и газовых турбин (нагары на лопатках и в проточной части) при работе на остаточном топливе встречаются значительно чаще, что вызывает повышение температуры деталей цилиндра, а следовательно, и большую скорость окисления смазочного масла.

После смены масла в двигателе в первый период его работы происходит быстрое срабатывание присадок. „Присадки, являясь полярно активными соединениями, адсорбируются на поверхности металла, частичках нагара, продуктах износа и неполного сгорания топлива, иа других нерастворимых в масле веществах, препятствуя их слипанию (коагуляции) в крупные агломераты и предотвращая оседание последних на деталях двигателя. Кроме того, присадки адсорбируются на фильтрующих элементах фильтров тонкой очистки, а часть присадок расходуется на нейтрализацию кислот, попадающих в масло при работе двигателя на сернистом топливе.

Срабатывание присадок проявляется снижением щелочности масла, если в качестве детергентных присадок в масло были введены металло-органические соединения щелочно-земельных элементов, которые придают маслу наряду с моюще-диспергирую-щими свойствами также и нейтрализующие.

Одновременно со снижением щелочности масла возрастает количество нерастворимых в нем веществ, в числе которых находятся и продукты срабатывания присадок. Последние, наряду с другими загрязнениями и некоторым количеством активных, непро-реагировавших присадок, уносятся из двигателя вместе с маслом, проникающим в камеру сгорания через поршневые кольца, с утечками масла в подшипниках, направляющих клапанов и в других соединениях. Утечка масла и расход его на угар восполняются доливками свежего масла, которые повышают уровень концентрации присадок и снижают концентрацию загрязнений в масле. Однако доливки свежего масла не в состоянии приостановить в течение довольно значительного периода работы двигателя снижение щелочности масла и увеличение накопления в нем загрязнений, пока они не достигнут определенных уровней. Уровни стабилизации щелочного числа масла и нерастворимых в нем веществ зависят от исходной щелочности и диспергирующих свойств масла, содержания в топливе серы, конструкции двигателя, степени изношенности его деталей, условий эксплуатации и ряда других факторов. Абсолютное значение уровней стабилизации несущественно. Важно лишь, чтобы количество активной присадки в масле было достаточным для предотвращения интенсив-пых износов и загрязнений в двигателе, так как в противном случае должна быть произведена смена масла. Опыт эксплуатации упомянутых выше двигателей В-300 и С-420 показывает, что масла, имевшие исходную щелочность 20—25 мг КОН/г, через несколько сот часов работы (после их заливки) в двигателе могут снизить щелочность на 50—80% без потери ими нейтрализующих свойств, необходимых для работы на топливах, содержащих до 3,5% серы. Срок службы масел в этих двигателях достигает Ю—12 тыс. ч.

Увеличение срока службы масла путем применения смазочных масел с высокой концентрацией присадок является неоправданным.

Если изменение щелочности свежего масла достигается изменением концентрации одних и тех же присадок, то можно по величине щелочности работающего масла судить не только о его нейтрализующих, но и противонагарных свойствах, а также определить скорость срабатывания присадки.

Характер изменения щелочности залитого в двигатель свежего масла, при периодических его доливках, в зависимости от времени работы Т показан на рис. 1. Пунктиром показано общее направление изменения щелочности.

Таким образом, если работа двигателя протекает при постоянных параметрах, например в номинальном режиме, при неизменном уровне масла в картере, поддерживаемом частыми небольшими доливками, и установившемся постоянном расходе масла, то уровень его щелочности достигает стабилизации, определяемой уравнением, после того как двигатель израсходует трехкратное количество первоначально залитого масла.

Как видно, только очень небольшое количество содержащейся в топливе серы превращается в кислоту, которую нейтрализуют щелочные присадки масла. Можно считать, что в тронковых двигателях только около 0,1% серы, находящейся в топливе, вызывает срабатывание щелочных присадок масла, вступая с ними в химическую реакцию. Остальные 99,9% серы в виде серного (S02) или сернистого (SO3) ангидридов покидают двигатель вместе с продуктами сгорания топлива.

Рис. 1. Характер изменения щелочности масла при работе двигателя с периодическими доливками масла

В современных среднеоборотных дизелях срок службы средне-Щелочных масел практически неограничен, так как при правильном проектировании системы смазки, достаточной емкости масляной системы (не менее 1 л/л. е.).и хорошей очистке масла, пополнение системы смазки свежим маслом приводит к стабилизации Щелочности и загрязненности масла нерастворимыми в нем продуктами на безопасном уровне. Известен опыт работы среднеще-лочных масел в среднеоборотных дизелях без смены в течение 30 000 ч и более.

В настоящее время в нашей стране ВНИИ НИ и ЦНИИМФ закончили разработку и проводят эксплуатационные испытания масел М-10ДЦЛ со щелочностью 20 и 30 мг КОН/г, которые специально созданы для среднеоборотных мощных дизелей, устанавливаемых в качестве главных двигателей на судах морского транспорта, рыбопромыслового и технического флотов.


Читать далее:

Категория Применение топлив в судовых дизелях