Расход масла в двигателе и срок его службы зависят от многих факторов: конструкции двигателя и его форсировки; изношенности смазываемых деталей; совершенства системы смазки и состояния уплотнений; качества применяемого масла; емкости масляной системы и кратности циркуляции; условий эксплуатаций двигателя и культуры его технического обслуживания и др.
Общий расход смазочного масла складывается из расхода масла на периодические доливки его в систему смазки двигателя и расхода на смену масла. В дизелях, где цилиндры смазываются при помощи автономных смазчиков — лубрикаторов, что имеет место во всех малооборотных и большей части современных среднеоборотных дизелей, в общий расход смазочного масла включают также масло, заливаемое в лубрикаторы. Вопросы смазки цилиндров и расхода цилиндрового масла (дозировки) рассмотрены в главе VI, и поэтому в дальнейшем изложении они не рассматриваются.
Периодические доливки масла в циркуляционную систему смазки двигателя необходимы для восполнения потерь масла на угар и его утечки через неплотности масляной системы, а также неизбежных потерь, имеющих место при сепарации масла и его фильтрации. Потери масла на угар суммируются из потерь на выгорание масла, проникающего в камеру сгорания, и потерь на испарение, которое происходит наиболее интенсивно при омывании маслом нагретых деталей двигателя.
В малооборотных дизелях циркуляционное масло не участвует в смазке цилиндро-поршневой группы, и поэтому заметное испарение масла происходит только в двигателях с масляным охлаждением поршней, так как температура подшипников и других смазываемых циркуляционным маслом деталей двигателя не превосходит 60—70 °С. Поэтому в малооборотных дизелях удельный расход циркуляционного масла в 2—3 раза меньше, чем цилиндрового, и не превышает 0,2—0,3 г/э. л. с.-ч.
В тронковых двигателях, где смазка цилиндров осуществляется только разбрызгиванием масла из картера, количество попадающего на стенки цилиндра масла не регулируется, и при частоте вращения, близкой к номинальной, в цилиндр попадает значительно больше масла, чем это необходимо. Часть этих излишков масла сбрасывается маслосъемными кольцами обратно в картер, а часть, вследствие насосного действия колец, перетекает в над-поршневое пространство, где сгорает или уносится газами, догорая в выпускном тракте двигателя или в атмосфере. Большое влияние на угар масла оказывает работа маслосъемных колец. При недостаточно продуманной конструкции этих колец, их повышенном износе, забивке углеродистыми отложениями и т. д. расход масла на угар может повыситься на 50—100%. Также значительно возрастает количество масла, попадающего в камеру сгорания двигателя, при изношенных цилиндровых втулках и компрессионных кольцах, при повышенных зазорах в кольцевых канавках поршня, при закоксовывании поршневых колец или ограниченной их подвижности.
Увеличение расхода масла свидетельствует о неисправности двигателя, которая требует устранения не только по причине экономии смазочного масла. С увеличением угара масла интенсивнее протекают процессы лако- и нагарообразования на деталях цилиндро-поршневой группы двигателя и в выхлопном тракте, включая газовую турбину. Отложение нагаров в проточной части и на лопатках газовой турбины может привести к помпажу. При увеличенных зазорах между кольцами поршней и цилиндровой втулкой происходит повышенное перетекание газов из рабочей полости цилиндра в картер, что снижает мощность двигателя и усиливает процессы старения масла. Кроме того, горячие газы, проходя с большой скоростью через зазоры между цилиндровой втулкой, поршневыми кольцами и поршнем, сдувают или окисляют до лакообразного состояния пленку масла, находящуюся на зеркале цилиндра и кольцах. Выгорание масляной пленки сопровождается увеличением износов деталей цилиндра и может явиться причиной возникновения интенсивных износов.
В тронковых среднеоборотных дизелях с лубрикаторной смазкой цилиндров заброс масла из картера в цилиндры носит ограниченный характер, и поэтому эти двигатели, по сравнению с высокооборотными, имеют значительно меньший удельный расход масла. Так, если в высокооборотных двигателях расход масла достигает 8-—10 и более г/э. л. с.-ч, то в современных среднеоборотных дизелях он составляет 1,0—1,3 г/э. л. с.-ч, а в некоторых (Пил-стик РС-4-570) — до 0,8—0,9 г/э. л. с.-ч.
Расход масла на угар в тронковых двигателях в значительной степени определяется испаряемостью масла. Последняя зависит от температуры смазываемых или охлаждаемых деталей, нагрева масла горячими газами и фракционного состава масла.
Испаряемость масла возрастает с ростом нагрузки на двигатель и по другим причинам (повышение температуры охлаждающей воды, затяжной процесс сгорания топлива в цилиндре и т. д.), вызывающим более высокий нагрев масла в двигателе. Поэтому тепловые перегрузки двигателя всегда сопровождаются повышенным угаром масла и ростом углеродистых отложений на деталях. При одинаковом нагреве испаряемость будет выше у масла, содержащего больше низкокипящих фракций. Так, испаряемость фракции трансформаторного масла из сернистых нефтей, имеющей пределы выкипания 308—326°С при атмосферном давлении, составляет 18,5% при 100°С за 60 мин, а фракции с пределами выкипания 350—354°С — только 2,6%.
На испаряемость масла оказывают влияние и сроки его замены в двигателе. С увеличением этих сроков расход масла на угар снижается. Это объясняется тем, что в начальный период работы масла его испарение протекает более интенсивно, чем в последующий, когда относительное содержание в масле низкокипящих фракций понижается.
Косвенным критерием испаряемости масел служит температура его вспышки — чем она ниже, тем больше в масле содержится низкокипящих фракций и тем сильнее его испаряемость. Отечественные моторные масла, применяемые в судовых дизелях, содержат фракции, кипящие при более низких температурах, чем зарубежные. Так, например, температура вспышки масел М-12Б, М-10В2 и других, используемых в циркуляционных системах смазки главных и вспомогательных судовых дизелей, согласно техническим условиям на их изготовление, нормируется 200—210°С (в открытом тигле), в то время как зарубежные масла аналогичного назначения, например Мобилгард 300, Шелл Мелина 30, Кастрол 215М, имеют температуру вспышки соответственно 227, 230 и 246 °С.
С увеличением вязкости масла возрастает содержание в нем высококипящих фракций и поэтому расход масел на угар снижается. Проведенные М. И. Браславским исследования показывают, что при переходе двигателей 6НФД-48 и 4НФД-24 с масла вязкостью 12 сСт (М-12В) на смазку маслом вязкостью 16 сСт (М-16В) расход масла снизился соответственно на 25 и 34%.
Помимо применения для смазки двигателя масел с оптимальным фракционным составом, снижения расхода масла на угар можно достигнуть также уменьшением уровня масла в картере. Однако при этом следует иметь в виду, что уменьшение подачи масла в цилиндр двигателя может вызвать усиление коррозионного износа деталей ЦПГ (особенно при работе двигателя на высокосернистом топливе и применении масла с невысокой щелочностью), а также ухудшение уплотняющих функций масла и отвода тепла от смазываемых деталей. При установлении оптимального расхода масла на угар необходимо исходить из условия наименьших затрат на эксплуатационные расходы судна, связанные со стоимостью топлива и масла, затратами на замену изношенных деталей, ремонт и техническое обслуживание двигателя.
Критерием, определяющим срок службы масла, является качество выполнения маслом его функций. Срок службы может измеряться десятками тысяч часов, как это имеет место в крейцкопф-ных малооборотных дизелях, и несколькими сотнями часов в высокооборотных форсированных двигателях тронкового типа.
В настоящее время общепризнанным является положение, что длительность работы масла в двигателе сама по себе не может служить основанием для смены масла. Устанавливаемые заводом-строителем двигателя нормы периодичности для замены масла плохо согласуются с изменениями его физико-химических свойств в процессе работы, не учитывают возможности использования новых, более эффективных сортов масел и, как правило, значительно занижены. Например, согласно инструкции Первомайского завода, смена масла М-12Б и М-10В2 в судовом дизеле 6ЧН 25/34 должна производиться через 750 ч, в то время как на судах морского транспортного флота эти масла заменяют через 3—4 тыс., а на отдельных судах через 5—6 тыс. ч и более. Одной из возможных причин заниженных сроков смены масла, указываемых заводом-строителем, является и то обстоятельство, что они установлены для работы двигателя на номинальной мощности, в то время как на судах их мощность используется только на 40—60%. С понижением нагрузки на двигатель снижается интенсивность процессов старения масла и, следовательно, увеличивается срок его службы.
Замена масла в двигателе должна производиться только в том случае, когда в результате ухудшения некоторых функциональных свой.ств масла существует непосредственная опасность роста изнашивания или коррозии деталей двигателя или усиления отложения на них лаков и нагаров. При этом следует иметь в виду, что ни один отдельно взятый показатель не может достаточно полно характеризовать глубину изменения качества масла, за исключением случаев значительного попадания в масло топлива или воды, если последняя не может быть из него удалена. Поэтому при пользовании предельными значениями показателей качества масла необходимо учитывать и опыт эксплуатации двигателя на данном сорте масла, так как было бы ошибочным устанавливать одинаковые браковочные показатели для двигателей различной конструкции и форсировки, работающих на разных топливах и маслах, при несопоставимых условиях эксплуатации.
В судовых дизелях, в зависимости от их конструкции, форсировки и качества используемого топлива, применяются моторные масла групп Б, В и Г с различными уровнями нейтрализующих и противонагарных свойств, которые достигаются вводом в масла различных по эффективности присадок или одинаковых присадок, но с разной концентрацией их в масле. Требования к другим свойствам масел, необходимым для обеспечения нормальной эксплуатации двигателя (антикоррозионным, противозадир-ным, антиизносным, противопенным, деэмульгирующим и пр.), являются примерно одинаковыми для всех групп моторных масел, которыми смазываются судовые дизели.
Если не рассматривать случаи, требующие немедленной замены масла (разжижение масла топливом, образование водомасля-ной эмульсии и др.), обеспечить длительную работу масла в двигателе можно только в том случае, когда концентрация активных присадок в масле будет поддерживаться на достаточно высоком уровне, обеспечивающем наличие в масле необходимого для нормальной работы двигателя запаса нейтрализующих и противонагарных свойств. В противном случае может произойти полное срабатывание нейтрализующих и диспергирующих присадок, которое, при отсутствии тщательного контроля за изменением физико-химических свойств масла, может остаться незамеченным для персонала, обслуживающего двигатель. При полном срабатывании этих присадок в масле могут появиться минеральные или органические кислоты, вызывающие коррозию черных и цветных металлов, усиленные отложения на деталях двигателя лаков и нагаров и образование шлама в картере.
Наиболее интенсивное срабатывание присадки происходит в начальный период работы двигателя после замены в нем масла. Являясь полярно-активными соединениями, присадки адсорбируются на поверхности деталей двигателя, на покрывающих их углеродистых отложениях, частично отмывая и диспергируя их, на нерастворимых в масле загрязнениях, препятствуя их коагуляции (слипанию) и осаждению на поверхности металла, на фильтрующих элементах масляных фильтров, а также расходуются на нейтрализацию продуктов окисления углеводородов масла и конденсатов сернистой и серной кислот, образующихся в цилиндрах двигателя при его работе на сернистом топливе.
Длительность периода интенсивного срабатывания присадок определяется многими факторами — эффективностью и количеством введенных в масло присадок, качеством топлива, конструкцией и форсировкой двигателя, расходом масла на угар, емкостью масляной системы и др. В этот период, исчисляемый десятками, а иногда и сотнями часов, происходит непрерывное снижение содержания в масле активных присадок, что наиболее доступно определяется по уменьшению щелочности масла. При каком-то определенном значении щелочного числа наступает длительный период, когда падение щелочности масла компенсируется периодическими доливками свежего масла в масляную систему двигателя.
Уровень, на котором происходит стабилизация щелочного числа масла, главным образом определяется запасом нейтрализующих свойств свежего масла, содержанием серы в топливе и величиной доливок масла. Он может быть близок к исходной щелочности при работе двигателя на малосернистом топливе и смазке маслом с высокой щелочностью и слишком мал, даже снизиться до нуля, при работе на высокосернистом топливе и применении масла со слабыми нейтрализующими свойствами. В последнем случае в масле могут появиться крепкие минеральные кислоты, что вызовет необходимость заменить его маслом с более сильными нейтрализующими свойствами. Считается, что щелочность работающего масла не должна падать ниже двойного процентного содержания в топливе серы. Так, при работе на топливе, имеющем 0,8% серы, минимальная щелочность циркуляционного масла должна составлять 1,6 мг КОН/г.
Наинизший уровень стабилизации в работающем масле активной присадки, определяемый по щелочному числу масла, должен устанавливаться исходя из выполнения маслом не только нейтрализующих, но и противонагарных свойств. В масле всегда должно находиться такое количество активных присадок, которое предотвращало бы как коррозионный износ, так и образование на деталях двигателя и в картере чрезмерных углеродистых отложений.
Как указывалось выше, нельзя отождествлять щелочное число масла с его противонагарными свойствами. При одинаковой щелочности, достигнутой различными видами присадок, масла могут в значительной степени отличаться своими моющими и диспергирующими свойствами. Масла со слабо выраженными щелочными свойствами могут обладать высокой способностью предотвращать образование на деталях двигателя углеродистых отложений, если в качестве детергентов используются беззольные присадки, например сукцинимиды. И наоборот — если щелочность достигнута введением в масло высокощелочных металлоорганиче-скпх присадок, их противонагарные свойства могут быть весьма низкими.
Таким образом, минимально допустимый уровень стабилизации щелочного числа масла должен устанавливаться не только исходя из условий работы масла в двигателе и содержания серы в применяемом топливе, но и с учетом противонагарных свойств масла, или, точнее, соответствия этих свойств щелочному числу масла.
В условиях эксплуатации потеря маслом диспергирующих свойств — способности масла поддерживать нерастворимые в нем примеси в мелкодисперсном состоянии и тем самым предотвращать образование на деталях двигателя лаков и нагаров, оценивается методом бумажной хромотографни (метод «пятна»). Если при достигнутом уровне стабилизации щелочного числа масло сохраняет свою способность (за счет периодических доливок свежего масла для компенсации угара и других потерь) диспергировать загрязнения, оно может работать практически без смены неограниченно долгое время.
Количество находящихся в масле тонкодиспергировапных примесей будет постепенно нарастать, пока не стабилизируется на определенном уровне. На этом уровне установится динамическое равновесие между примесями, попадающими в масло (продукты старения масла, изнашивания и коррозии, сработавшаяся присадка, частички несгоревшего топлива, пыль, окалина и пр.) и уносимыми из масла в результате его угара или удаления средствами очистки масла.
Уровень стабилизации примесей, нерастворимых в масле, зависит от его диспергирующих свойств, скорости поступления в масло загрязнений, качества очистки масла фильтрами, сепараторами или центрифугами, расхода масла на угар и объема масляной системы двигателя.
При высоком уровне диспергирующих свойств масла не только снижаются отложения лаков и нагаров на деталях двигателя и шлама в его картере, но повышается уровень стабилизации присадок в масле. Это вызывается тем, что с ростом тонкости диспергирования примесей уменьшается их количество, задерживаемое фильтрами и другими средствами очистки, а следовательно, снижается расход активных присадок, адсорбированных на поверхности загрязнений, удаляемых из масла. Однако чрезмерно высокие диспергирующие свойства масла также нежелательны. При очень малых размерах примеси не будут задерживаться фильтрами, сепараторами или центрифугами и их содержание в масле может достичь таких концентраций, которые вызовут ухудшение его смазочных свойств и отвода тепла от деталей двигателя. Поэтому общее количество находящихся в масле нерастворимых примесей должно быть ограничено.
Согласно действующей на морском транспорте инструкции по браковочным показателям масла, содержание в нем нерастворимых (в петролейном эфире) примесей не должно превышать 3,0%.
При регулярной и эффективной очистке масла от загрязнений и отсутствии у него чрезмерных диспергирующих свойств содержание в масле нерастворимых примесей, даже при очень длительном сроке его работы, не достигает указанного уровня. Поэтому, в отличие от нейтрализующих и диспергирующих свойств масла, ухудшение его смазочной способности, если исключить случаи разбавления масла топливом или водой, не является причиной замены масла. Более того, существует мнение, что накопление в масле, до известных пределов, примесей органического происхождения (продукты окисления, уплотнения и конденсации углеводородов масла, продукты неполного сгорания топлива и др.) способствует снижению износов деталей двигателя. Объясняют это тем, что находящиеся в масле частички загрязнений неорганического происхождения (продукты износа и срабатывания присадок, пыль и пр.) покрываются адсорбированными на их поверхности пленками органических примесей (в силу высокой полярности последних), что снижает их абразивное действие. А так как с увеличением продолжительности работы масла в двигателе количество органических примесей в нем возрастает, то это влечет за собой снижение износов деталей. Проведенные авторами сравнительные эксплуатационные испытания на судовых вспомогательных дизелях 6425/34 трех различных по своим диспергирующим свойствам масел М-10Г2ЦС, Шелл Мелина 30 и М-10В2 не подтвердили эту гипотезу.
Очевидно, оптимальная эффективность диспергирующих свойств масла должна соответствовать высокому уровню стабилизации его щелочного числа при невысоком содержании в масле нерастворимых примесей. Последнее может быть достигнуто такой тонкостью диспергирования, при которой примеси не будут коагулировать и осаждаться на деталях двигателя, но в то же время будут задерживаться фильтрами и сепараторами. Следовательно, диспергирующие свойства масла должны выбираться с учетом эффективности средств очистки масла в двигателе, а конструкция масло-очистителей должна соответствовать качеству масла, на котором работает двигатель.
На уровень стабилизации нерастворимых в масле примесей оказывает влияние величина угара масла: чем она выше, тем большее количество масла доливают в систему смазки двигателя и тем ниже уровень стабилизации загрязнений. Из этой зависимости нельзя, конечно, делать вывод, что для снижения содержания в масле загрязнений необходимо увеличить расход масла на угар. Экономически это будет неоправданно. Более целесообразно увеличить емкость масляной системы двигателя, что позволит понизить кратность циркуляции масла, скорость образования в нем продуктов его окисления и относительное содержание нерастворимых в масле примесей. Кроме того, при увеличенном объеме масла создаются благоприятные условия для более эффективной очистки масла от загрязнений в фильтрах и сепараторах.
Выше рассматривалось влияние различных факторов на расход масла в двигателе и сроки его смены. Многие из них, как, например, конструкция маслосъемных поршневых колец, емкость масляной системы двигателя, эффективность средств очистки масла и др., находятся вне сферы влияния персонала, обслуживающего двигатель. К ним можно также причислить и выбор рациональных сортов топлива и смазочного масла, который производится службой теплотехники пароходства.
Уменьшение расхода масла на двигатель может быть достигнуто повышением культуры обслуживания двигателя за счет соблюдения следующих мероприятий:
— поддержания оптимального уровня масла в картере. Этот уровень должен устанавливаться с учетом его влияния на угар масла, изнашивания деталей и нагарообразования на них, а также обеспечения минимальных эксплуатационных расходов;
— предупреждения повышения температуры деталей цилиндра выше нормального уровня, что может иметь место при плохой работе топливной аппаратуры, пригорании поршневых колец, нарушениях в работе системы охлаждения двигателя и пр.;
— уменьшения потерь масла при сепарировании и фильтрации, что может быть достигнуто выбором правильного режима работы сепаратора, своевременной сменой или очисткой фильтрующих элементов;
— устранения всех неплотностей в масляной системе двигателя; устранения возможности попадания в масляную систему двигателя топлива или воды;
— своевременного контроля за качеством работающего масла; своевременного проведения профилактических осмотров и ремонтов двигателя.
Применение для работы двигателя смазочного масла, соответствующего конструктивным особенностям двигателя, его форси-ровке, качеству применяемого топлива и условиям эксплуатации, а также выполнение вышеизложенных рекомендаций по техническому обслуживанию двигателя позволят снизить расход масла и тем самым сократить эксплуатационные затраты.