В практике эксплуатации малооборотных судовых дизелей имеют место случаи, когда при сочетании высокощелочных масел и малосернистых топлив на поверхностях трения цилиндровых втулок и поршневых колец появляются натиры, царапины, задиры и другие повреждения, которые в конечном счете приводят к их интенсивным износам, а иногда вызывают и более тяжелые последствия. Высокие износы втулок и колец систематически наблюдались, например, на двигателях Фиат 909S (суда типа «Леонардо да Винчи») при их работе на отечественном малосернистом топливе ДТ (Ssg:0,5%) и смазке цилиндров высокощелочными маслами. При этом наибольший износ имел место на участках поверхности цилиндровых втулок, расположенных на одной вертикали с масло-подводящими отверстиями, т. е. в местах с обильным поступлением смазки.
Причиной, вызывающей износ, фирма Фиат считает применение высокощелочных масел при работе дизелей на малосернистом топливе. В лаборатории этой фирмы на двухцилиндровом экспериментальном дизеле с диаметром цилиндров 900 мм и цилиндровой мощностью 2500 э. л. с. были проведены специальные исследования. Для работы двигателя применялись как вырабатываемое в СССР малосернистое топливо ДТ, так и иностранные сорта остаточных высокосернистых топлив. Цилиндры смазывались высокощелочными маслами различных марок. Результаты этих исследований показали, что при использовании для работы экспериментального дизеля малосернистых топлив и высокощелочных масел имели место повышенные износы деталей ЦПГ. По мнению специалистов фирмы Фиат [29], большой избыток щелочности над кислотностью приводит к образованию в цилиндре твердых абразивных нагаров, вызывающих повышенные износы.
Итальянской фирмой Аджип, производящей смазочные масла, была разработана специальная антиокислительная присадка к цилиндровому маслу, не теряющая своей эффективности при высоких температурах, и создано цилиндровое масло Аджип-ОМА-МП со щелочностью 35 мг КОН/г, содержащее наряду с другими присадками и упомянутую. Это масло успешно применяется при работе дизелей Фиат 909S как на малосернистом, так и на высокосернистом топливах. Однако то, что масло Аджип-ОМА-МП оказалось-наиболее подходящим для смазки двигателей Фиат 909S, еще не свидетельствует о справедливости предположения, что причиной возникновения интенсивных износов деталей ЦПГ является образование в цилиндрах абразивных нагаров. Эксперименты показывают, что твердость нагаров не уменьшается, а возрастает с увеличением содержания серы в топливе, так как сера, накапливаясь в нагарах, делает их более абразивными. Твердость нагаров возрастает также с ростом теплового состояния двигателя, которое не может иметь места при переходе двигателя на работу с высокосернистого на малосернистое топливо. Противоречит упомянутому выше предположению и то обстоятельство, что попытки использования для смазки цилиндров двигателей Фиат 909S масел с невысокой щелочностью или чисто минеральных масел не увенчались успехом.
Полученные фирмой Фиат выводы о несовместимости высокощелочных масел с малосернистыми топливами заставили и другие зарубежные нефтяные компании в свою очередь заняться этой проблемой.
В лаборатории англо-голландской нефтяной компании Шелл для работы небольшого крейцкопфного дизеля Болнес при его смазке цилиндровым маслом со щелочностью 70 мг КОН/г последовательно применяли топлива с различным содержанием серы. Во время испытаний изменяли до высоких значений тепловую нагрузку поршня и фиксировали температуру канавки верхнего поршневого кольца. Было отмечено, что при температуре этой канавки 390°С и работе на малосернистом топливе по истечении некоторого времени происходит довольно резкое снижение частоты вращения двигателя. При использовании высокосернистого топлива такого явления не наблюдалось. Также не происходило снижение частоты вращения при работе на малосернистом топливе и добавлении в высокощелочное цилиндровое масло специальных противоокислительных присадок, способных выполнять свои функции при повышенных температурах смазываемых .поверхностей.
Единственной причиной, которая могла вызвать снижение частоты вращения двигателя, является повышение затраты мощности на преодоление сил трения между поршневыми кольцами и цилиндровой втулкой вследствие ухудшения условий смазки между деталями цилиндро-поршневой группы. Повреждений зеркала цилиндра и поршневых колец не происходило, так как на двигателе-был установлен регулятор, перекрывавший подачу топлива при уменьшении частоты вращения более чем на 15%. Без наличия такого регулятора образование задиров, натиров и повышенных износов было бы неизбежным.
Для объяснения причин, вызвавших ухудшение условий смазки, были выдвинуты две гипотезы.
Согласно первой, при недостатке или отсутствии в цилиндре корродирующих кислот не происходит химической полировки микрошвов, образующихся при трении поршневых колец о втулку цилиндра. Эти микрошвы при длительном применении малосернистого топлива и высокощелочиого масла превращаются в глубокие задиры, повреждающие поверхности трения.
Согласно второй гипотезе, при сочетании малосернистого топлива и высокощелочного масла происходит сильное окисление последнего. Оно является следствием отсутствия в цилиндре крепких кислот, которые разлагают гидроперекиси, образующиеся в начальной фазе окисления углеводородов масла. Гидроперекиси вызывают быструю полимеризацию углеводородов масла, что приводит к его сгущению, вследствие образования в нем смолистых веществ. Сгущенное масло снижает подвижность поршневых колец и ухудшает равномерность распределения масла по зеркалу цилиндра. По этим причинам усиливается пропуск газов через поршневые кольца, происходит выгорание масляной пленки на зеркале цилиндра, появляются очаги сухого трения, которые вызывают повреждения поверхностей трения.
С ростом температуры деталей ЦПГ скорость процессов окисления масла, как известно, резко возрастает. Поэтому при повышении температуры поршня и стенок цилиндра из-за неполного сгорания топлива (плохое смесеобразование, падение давления наддува, недостаточная компрессия и пр.) или ухудшения отвода тепла (повышенные отложения или коррозия цилиндровой втулки или поршня со стороны их охлаждения, снижение скорости циркуляции охлаждающей жидкости и пр.) опасность возникновения задиров деталей ЦПГ и повышенных износов при использовании малосернистых топлив и высокощелочных масел возрастает.
С точки зрения этой гипотезы, особенно нежелательно сочетание малосернистых топлив и высокощелочных масел в форсированных дизелях, в которых, в условиях нормальной эксплуатации, детали ЦПГ имеют повышенные температуры. Однако проще устранить причины, вызывающие повышение температуры деталей цилиндра, чем переходить на масло с низкой щелочностью. И только в случае длительной или постоянной работы на топливе с содержанием серы не менее 1,0% рекомендуется переходить на смазку цилиндров маслами с невысокой щелочностью.
Первая гипотеза является не очень убедительной. Она не может объяснить, почему в результате длительного применения высокощелочных масел и малосернистых топлив, когда в цилиндрах дизелей всегда имеется избыточная щелочность, не происходит высоких износов или повреждений цилиндровых втулок и поршневых колец. Таких явлений, например, не наблюдалось в Эстонском и Северном морских пароходствах, где в течение ряда лет дизели МАИ K6Z57/80c и Бурмейстер и Вайн 50VTBF110 и 62VTBF140 работали на дизельном тонливе с содержанием серы 0,2—1,0% при смазке маслами Шелл Алексия 40 (щелочность 70 мг КОН/г) и Мобилгард 593 (щелочность 40 мг КОН/г).
Вторая гипотеза не может объяснить, почему цилиндры двигателей, работающих на малосернистом топливе и смазывающиеся высокощелочными маслами, не имеют увеличенных углеродистых отложений. Если избыточная щелочность препятствует разложению гидроперекисей, должно иметь место усиленное окисление углеводородов масла и, следовательно, повышенные отложения в цилиндре лаков и нагаров.
Проведенный в лабораторных условиях эксперимент, когда температура канавки верхнего поршневого кольца была поднята до 390 °С, т. е. до такой температуры, при которой ни одно смазочное масло на минеральной основе не обеспечивает смазку пар трения, не может служить доказательством несовместимости малосернистых топлив и высокощелочных масел. В малооборотных дизелях температура верхней канавки поршня не превышает 200—220°С, достигая при неблагоприятных условиях эксплуатации 250—270 °С.
Фирма Бритиш Петролеум считает, что причиной повреждений цилиндровых втулок и поршневых колец малооборотных дизелей при их работе на малосернистом топливе и смазке цилиндров высокощелочными маслами являются, как это на первый взгляд ни кажется парадоксальным, слишком малая величина износа этих деталей. При наличии в цилиндре большой избыточной щелочности /полностью нейтрализуются агрессивные продукты сгорания топлива и тем самым не имеет места коррозионный износ. Износ, вызываемый трением колец о зеркало цилиндра, также весьма низок вследствие высоких антифрикционных свойств высокощелочных масел, как правило, содержащих специальные про-тивоизносные присадки. В результате очень малого износа происходит полировка трущихся поверхностей до такой степени чистоты, что почти полностью исчезают поры между микровыступами и микровпадинами, которые имеются в условиях нормального износа и заполняются смазочным маслом. Отсутствие резерва масла в виде заполненных им пор металла, при неблагоприятных условиях смазки (высокие давления кольца о стенку цилиндра, повышенные температуры втулки или поршня, местный прорыв газов через замки колец и пр.) приводит к разрушению или испарению граничного слоя смазки, что сопровождается натирами, задирами и высокими износами цилиндровых втулок и поршневых колец.
По мнению фирмы, вследствие крайне редких случаев повреждений цилиндровых втулок и поршневых колец, вызываемых сочетанием малосернистого топлива и высокощелочного масла, нет никакого смысла переходить на смазку цилиндров маслами с невысокой щелочностью, за исключением случаев длительной или постоянной работы двигателя на малосернистом топливе.
Предложенная теория подтверждается практикой эксплуатации. Так, на главном двигателе теплохода «Джордано Бруно», дизеле Фиат 909S, при его работе на моторном топливе ДТ с содержанием серы 0,4—0,7% и смазке цилиндров маслом Мобилгард 593 через 6—8 суток работы двигателя исчезал матовый цвет втулойч и колец, они заполировывались до зеркального блеска. Вскоре на них появлялись риски, вначале мелкие, затем более глубокие, начинался быстрый износ поршневых колец, что было заметно по исчезновению на них фасок. После замены поршневых колец для прекращения износа были применены дисульфидмолибденовые препараты путем добавления их в лубрикаторы, вдувания в виде порошка между втулкой и поршнем, натиранием рабочих поверхностей и пр., а также чешуйчатый графит. Результаты были отри-дательными — после обкатки двигателя в течение 200—250 ч на кольцах и втулках вновь появлялся зеркальный блеск и ненормально высокие износы поршневых колец возникали в той же последовательности.
Наиболее эффективным средством борьбы с этими износами явилась обработка зеркала цилиндра наждачным камнем. Поверхность втулки обрабатывалась наждачным кругом путем нанесения на нее прерывистых пятен. Эти пятна имели длину 10—20 мм, высоту 10—12 мм и глубину 0,04—0,07 мм. По высоте они располагались в шахматном .порядке, расстояния между отдельными пятнами были небольшими: на стороне выхлопа 10—20 мм, на стороне продувки 20—30 мм. Такой способ обработки, получивший название «тельняшки», обеспечивал удовлетворительную работу двигателя в течение 2000—3000 ч. Характерно, что применение противоизносных средств, какими являются дисульфидомолибде-новые препараты и коллоидный графит, не вызвало прекращения высокого износа поршневых колец.
Однако случаи интенсивных износов, подобно описанному выше, встречаются значительно чаще при работе двигателей на различных, по содержанию серы, сортах топлива, в том числе и высокосернистых, и смазке цилиндров как высокощелочными маслами, так и чисто минеральными. И наоборот — еще более часто в эксплуатации встречаются случаи очень малых износов деталей ЦПГ малооборотных дизелей, на протяжении ряда лет работающих на малосернистом топливе, при смазке цилиндров высокощелочными маслами.
Таким образом, изложенная выше гипотеза не объясняет, почему случаи появления высоких износов, натиров, задиров и пр. при работе малооборотных дизелей на малосернистых топливах и смазке цилиндров высокощелочными маслами встречаются на практике очень редко, хотя условия для их возникновения, согласно этой теории, возникают часто.
Работой японских ученых было установлено, что высокощелочные нейтрализующие присадки вызывают в судовых дизелях интенсивный износ в случае значительного повышения температуры деталей ЦПГ [34]. При использовании только моющих присадок такого явления не наблюдалось. Исследованиями было также установлено, что причиной повышенных износов при применении масел с нейтрализующими присадками являлась их пониженная, по сравнению с моющими присадками, термическая стабильность, а также значительно худшая растекаемость по поверхности металла («смачиваемость»), что препятствует образованию необходимой смазочной пленки на поверхностях трения.
Повышенный износ поршневых колец двигателя ГАЗ-51 при его работе на малосернистом топливе и смазке маслом, содержащим высокощелочную сульфонатную присадку ПМС-Я, в условиях высокотемпературного режима наблюдался Ю. С. Заславским. Причиной повышенного износа автор считает усиленное окисление масла при высоких температурах.
Приведенный выше обзор показывает, что наиболее вероятной причиной возникновения интенсивных износов ЦПГ малооборотных дизелей, работающих на малосернистых топливах, при смазке цилиндров высокощелочными маслами является недостаточная термическая стабильность последних в условиях повышенных температур. Быстрая окисляемость масла сопровождается частичной или полной потерей им смазочных свойств, в частности худшим растеканием масла по поверхности металла. Таким образом, улучшением высокотемпературных свойств масла путем введения в него соответствующих присадок можно устранить интенсивные изно-сы деталей ЦПГ малооборотных дизелей, смазываемых высокощелочными цилиндровыми маслами, вне зависимости от содержания серы в применяемом топливе.
По такому пути пошла итальянская фирма Аджип, разработавшая упомянутое выше цилиндровое масло Аджип ОМА-МР, которое содержит, наряду с нейтрализующей присадкой, еще и антиокислительную присадку, не теряющую своей эффективности при повышенных температурах.
Несмотря на достаточно высокую щелочность этого масла (35 мг КОН/г), его применение в сочетании с малосернистым топливом, как показал многолетний опыт работы дизелей Фиат 909S на судах Черноморского и Новороссийского морских пароходств, не вызывает повышенных износов, имевших место при смазке цилиндров этих двигателей высокощелочными маслами других фирм.
Применение высокощелочных масел для смазки цилиндров двигателей, длительное время работающих на малосернистых топливах, является экономически нецелесообразным ввиду их высокой стоимости. Поэтому за рубежом некоторые нефтяные компании создали более дешевые масла с невысокой щелочностью, специально разработанные для смазки цилиндров судовых малооборотных дизелей, работающих на малосернистых топливах. К их числу следует отнести масло Шелл Алексия Д, фирмы Мобил — Мобилгард 412 и 512 и масло 220 MX фирмы Бирма—Кастрол. Некоторые показатели качества этих масел помещены в табл. 25.
Нефтеперерабатывающая промышленность нашей страны не выпускает специальных малощелочных цилиндровых масел для судовых малооборотных дизелей. Используемое для этой цели на судах морского транспортного и рыбопромыслового флота масло М-16Д было разработано для смазки высокофорсированных трон-ковых дизелей, работающих на сернистых топливах. Длительный опыт использования этого масла в качестве цилиндрового в судовых малооборотных дизелях показал, что его применение вызывает повышенные износы цилиндровых втулок и поршневых колец, повышенные нагарообразования, местный износ цилиндровых втулок на участках, расположенных на одной вертикали с маслопод-водящими каналами. Последние вызываются абразивным действием очень твердых нагаров, образующихся при применении масла М-16Д на головках поршней против точек по’двода смазки. По данным Северного морского пароходства, при смазке цилиндров двигателей Бурмейстер и Вайи 550VTBF110 маслом М-16Д, при их работе на дизельном топливе с содержанием серы 0,77%, износ цилиндровых втулок оказался вдвое большим, чем при смазке маслом Мобилгард 593, а в двигателях с более высокой фор-сировкой (562VT2BF140) в золе нагаров, снятых с поршня при смазке цилиндров маслом М-16Д, оказалось в 10 раз больше железа, чем при смазке маслом Мобилгард 593.
Длительный опыт использования масла М-16Д в качестве цилиндровой смазки на судах Черноморского пароходства говорит о том, что наиболее подверженными интенсивным износам являются дизели с повышенной тепловой нагрузкой (суда типа «Муром», «Коммунист», «Славянск», «Берислав», «Бийск», «Белорецк»).
Изложенное выше показывает целесообразность изготовления нефтеперерабатывающей промышленностью нашей страны малощелочного масла для смазки цилиндров судовых малооборотных дизелей, работающих на малосернистых топливах. Работы в этом направлении проводятся.