Судовые малооборотные дизели оборудованы автономной лубрикаторной системой смазки цилиндров, что позволяет смазывать ЦПГ маслами, отличными по своим свойствам от масел, используемых в циркуляционной системе смазки двигателя. По сравнению с ними цилиндровые масла должны обладать высокими моющими и нейтрализующими свойствами, более высокой вязкостью, лучшей смазочной способностью, повышенной термоокислительной стабильностью и рядом других необходимых свойств.
Эти требования к цилиндровым маслам обусловлены как условиями работы масла в цилиндре малооборотного двигателя, так и специфичностью лубрикаторной системы смазки цилиндров.
Тонкая пленка масла, находящаяся на зеркале цилиндра, поршне и поршневых кольцах, подвергается с одной стороны нагреванию металлом смазываемых поверхностей, температура которых доходит до 180—230 °С и выше, с другой — нагреву работающими в цилиндре газами. Эта пленка состоит из адсорбированных на поверхности металла молекулярных слоев масла, молекулы которых при умеренных* температурах строго ориентированы к поверхности металла. Повышение температуры, вызывающее усиление теплового движения молекул, приводит к нарушению порядка ориентации молекулярных слоев, тем большему, чем сильнее нагрето масло и чем более отдалены эти слои от поверхности металла.
С нарушением порядка ориентации молекул снижается прочность адсорбированной на металле масляной пленки и, следовательно, ухудшаются смазочные свойства масла. Эти свойства в условиях граничного трения, имеющего место между поршневыми кольцами и зеркалом цилиндра на большей части пути поршня, для цилиндровых масел имеют первостепенное значение.
Повышение температуры резко ускоряет происходящие в пленке масла окислительные процессы, что вызывает рост углеродистых отложений на деталях цилиндро-поршневой группы. Приближенно можно считать, что увеличение на 10 °С температуры масла вдвое ускоряет окисление его углеводородов. При этом изменяется состав продуктов окисления: уменьшается количество низкомолекулярных соединений и возрастает содержание высокомолекулярных — смол, асфальтенов, оксикислот и др.
Среди продуктов окисления углеводородов масла наиболее нежелательными являются оксикислоты и асфальтены. Эти кислородсодержащие соединения при дальнейшем нагревании конденсируются в клейкую массу, покрывающую поверхности поршня, поршневых колец и цилиндровой втулки лаковой пленкой. Химический состав лаковой пленки зависит в основном от температурных условий, в которых происходит ее образование. В ней могут находиться продукты глубокого окислительного крекинга — карбены и карбоиды, продукты глубокой окислительной полимеризации — смолы, асфальтены, высокомолекулярные кислоты. Толщина лаковой пленки может колебаться в широких пределах: от тонкого слоя, предохраняющего поверхности трения от непосредственного контакта и защищающего детали цилиндра от коррозии, до плотных отложений значительной толщины, вызывающих нарушения в работе двигателя. Особенно большой вред приносит лакообра-зование в зоне поршневых колец. При слое лака толщиной около 0,1 мм кольца могут пригореть.
Являясь плохим проводником тепла, лак ухудшает условия теплопередачи. Так, образование на внутренней поверхности поршня лаковой пленки толщиной 0,15 мм более чем на 40% уменьшает теплоотдачу через поршень. Лак цементирует осаждающиеся на поверхности металла продукты неполного сгорания топлива, продукты износа, механические примеси, попавшие в цилиндр двигателя вместе с топливом и воздухом, и другие твердые частички, которые не уносятся из цилиндра вместе с выпускными газами, образуя плотные абразивные нагары.
Нагары, так же как и лаки, ухудшают отвод тепла от деталей двигателя. При этом имеет значение не только толщина слоя нагара, но и его теплопроводность, которая может колебаться в широких пределах. Известны случаи, когда вследствие большого перепада температур со стороны нагреваемой и охлаждаемой поверхностей головки поршня, вызванного отложениями нагаров, в ней образовывались трещины.
Откладываясь в канавках для поршневых колец, на выпускных и продувочных окнах, в камере сгорания и выпускных трактах, нагары препятствуют нормальному протеканию рабочего процесса в двигателе и могут вызвать серьезные нарушения в его работе.
Существенное влияние на окисление смазочного масла в цилиндре двигателя оказывает излучение горящего топлива. Спектр излучения охватывает не только видимую область, но и область ультрафиолетового и инфракрасного излучения. В химическом отношении наиболее активными являются ультрафиолетовые лучи, ускоряющие реакции окисления, расщепления и уплотнения органических соединений. Интенсивность окисляющего действия лучистой энергии горящего топлива на пленку масла возрастает с увеличением цикловой подачи топлива, т. е. с ростом цилиндровой мощности двигателя.
Окислительные реакции в цилиндре двигателя протекают при переменном давлении газовой среды, причем наиболее активной стадией окисления углеводородов масла является воздействие на масляную пленку сжимаемого воздушного заряда, так как в этом случае значительно повышается парциальное давление кислорода. В современных малооборотных дизелях давление в конце сжатия возросло до 60×98066 Па и более, что является одной из основных причин быстрой окисляемости работающего в цилиндре масла.
Увеличение размеров цилиндра и повышение удельной мощности сопровождаются ростом абсолютной величины зазора между стенками цилиндра и поршневыми кольцами. Это вызвано увеличением допусков при механической обработке деталей ЦПГ и их монтаже, а также повышением механических и тепловых нагрузок во время работы двигателя. Горячие газы, проходящие с высокой скоростью через зазоры между поршневыми кольцами и цилиндровой втулкой, оказывают большее влияние на окисление находящейся на стенках цилиндра пленки масла, чем другие факторы. Проведенные фирмой Зульцер исследования показали, что протекание газов через зазор величиной 10 мкм не оказывает существенного влияния на окисление масляной пленки. При величине зазора 20 мкм прорывающиеся газы отдают такое количество тепла, что на кольцах происходит образование коричневой лаковой пленки. При еще большем зазоре на кольце появляется нагар, состоящий из продуктов полимеризации масла и несгорев-ших частиц топлива. Поэтому в дизелях с большими диаметрами цилиндров и высоким наддувом следует ограничить предельный износ цилиндровых втулок до величины 0,4—0,5% диаметра цилиндра.
До использования в малооборотных дизелях высокосернистых остаточных топлнв смазка их цилиндров обеспечивалась применением хорошо очищенных минеральных масел (без присадок), вырабатываемых преимущественно из нафтеновых нефтей вязкостью от 13 до 24 сСт при 100 °С.
Масла, содержащие больше остаточных компонентов, или чисто остаточные масла, в связи с их более низкими противонагар-ными свойствами вызывают повышенные отложения нагаров на выпускных окнах, и поэтому их применение ограничивается преимущественно двигателями с прямоточно-клапанной продувкой. Для малооборотных дизелей с контурной продувкой для смазки цилиндров должны применяться менее вязкие масла (13—16 сСт при 100°С), которые хотя и уступают по смазочной способности более вязким маслам, но менее склонны к отложениям лаков и нагаров на деталях ЦПГ.
При работе на высокосернистых топливах условия работы смазочного масла в цилиндре двигателя значительно ухудшаются вследствие сильного окислительного воздействия, оказываемого на пленку масла сернокислыми продуктами сгорания этих топлив.
Высококачественные цилиндровые масла, даже вырабатываемые из отборных нефтей, с применением самых совершенных методов очистки масел, не в состоянии обеспечить необходимую чистоту деталей цилиндро-поршневой группы двигателя. Через короткие промежутки времени закоксовываются выпускные и продувочные окна, поршневые кольца теряют подвижность, зеркало цилиндра покрывается лаком. Для очистки от отложений цилиндры разбирают через одну-две тысячи часов работы двигателя, т. е. через периоды, в несколько раз меньшие, чем при работе малооборотных дизелей на малосернистых дис-тиллятных топливах. Кроме того, резко усиливается коррозионный износ цилиндровых втулок и поршневых колец, от электрохимической коррозии поверхностей трения конденсатами серной кислоты.
Весьма наглядным доказательством коррозионного характера износа малооборотного дизеля при его работе на сернистом топливе является отсутствие противоизносного эффекта при закалке поверхности стенок канавок для колец в поршне или их хромировании.
Увеличению износа способствует накопление в нагарах, образующихся на деталях цилиндра, серы, которая усиливает абразивное действие нагаров.
Попытка использовать для смазки цилиндров малооборотных дизелей высоколегированные масла, применяемые в циркуляционных системах смазки высокооборотных форсированных дизелей, не дала желаемых результатов.
Наиболее эффективным средством снижения износа и нагаро-образований в цилиндрах малооборотных дизелей, работающих на остаточных сернистых топливах, явилось создание специальных высокощелочных цилиндровых масел. Эти масла содержат присадки, способные нейтрализовать образующиеся в цилиндре растворы серной кислоты, предохраняя тем самым детали двигателя от коррозионного износа, смывать ранее образовавшиеся нагары и препятствовать отложениям новых, а также придают маслу ряд других необходимых эксплуатационных свойств. Щелочность современных цилиндровых масел для малооборотных дизелей достигает значений 60—70 мг КОН/г масла и даже выше, превосходит в несколько раз щелочность масел, применяемых для работы наиболее форсированных тронковых двигателей. Необходимость в столь высокой щелочности вызывается спецификой смазки цилиндров малооборотного дизеля — небольшим количеством масла, подаваемого в цилиндр, ограниченным количеством точек смазки, трудностью равномерного распределения масла по зеркалу цилиндра.
Рис. 1. Влияние щелочности масла на износ цилиндровых втулок при работе малооборотного дизеля на топливе с содержанием серы 3,1% (0-1; 0-2; 0-3 — десятые доли)
Наряду с применением высокощелочных масел для борьбы с коррозионным износом нельзя допускать, чтобы детали ЦПГ двигателя имели слишком низкие температуры, так как в противном случае неизбежна обильная конденсация на стенках цилиндра растворов серной кислоты, и даже масло с самой высокой щелочностью не сможет защитить смазываемые поверхности от коррозии. Рекомендуется не понижать ниже 280°С температуру газов на выходе из цилиндра, чего можно достичь регулированием температуры продувочного воздуха при работе малооборотного дизеля на малой частоте вращения. В настоящее время нефтяные компании наиболее развитых капиталистических стран вырабатывают широкий ассортимент цилиндровых масел для судовых малооборотных дизелей, работающих как на высокосернистых, так и на малосернистых топливах. В нашей стране промышленный выпуск высокощелочных цилиндровых масел начался в 1971 г. До этого времени малооборотные судовые дизели при работе на топливах, содержащих свыше 1,0—1,5% серы, смазывались зарубежными цилиндровыми маслами, выпускаемыми фирмами Шелл, Мобил, Кастрол, Бритиш Петролеум и другими. При использовании малосернистых топлив для смазки цилиндров применялось, и все еще находит применение, масло отечественного производства М-16Д (ТУ-38-10191—71). Это масло имеет щелочность около 10 мг КОЦ/г и было разработано для смазки тронковых двигателей. По своим моторным свойствам (недостаточные моющие свойства, низкая термоокислительная стабильность и др.) масло М-16Д не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к цилиндровым маслам для малооборотных дизелей.
В 1964 г. была закончена разработка первого отечественного высокощелочного масла М-16Е (МРТУ-12Н № 119—64). Это масло, разработанное ВНИИ НП и ЦНИИМФом, имело щелочность около 30 мг КОН/г, достигнутую введением в масло 25% присадки MACK (многозольный алкилсалицилат кальция). Эта присадка, помимо нейтрализующей способности, придает маслу хорошие моющие и диспергирующие свойства, высокую термоокислительную стабильность, обладает антикоррозионным действием, не вымывается водой. Помимо присадки MACK, в масло М-16Е для улучшения его противозадирных и противоизносных свойств была введена присадка Л3-23к в количестве 0,5%. Стендовые испытания на дизелях БМЗ Бурмейстер и Вайн 7ДКРН 74/160 и длительные эксплуатационные испытания масла М-16Е на двигателях Зульцер 6RD76 и 550VTBF110 Бурмейстер и Вайн при их работе как на малосернистых, так и на высокосернистых топливах показали высокие моторные свойства этого масла, не уступающие свойствам масла Мобилгард 593. Масло имеет вязкость 16 сСт при 100°С, достигнутую компаундированием базовых масел МС-20 и ДС-11 из сернистых нефтей. Выбор такого уровня вязкости обусловлен стремлением достичь оптимальных эксплуатационных свойств, учитывая также, что высоковязкие остаточные масла склонны к образованию больших количеств отложений в цилиндрах, а масла меньшей вязкости могут не обеспечить достаточную прочность масляной пленки в критических режимах работы сопряжения поршневое кольцо — зеркало цилиндра.
Рис. 2. Влияние температуры охлаждающей воды на износ цилиндровых втулок
Промышленный выпуск масла М-16Е не был налажен из-за того, что присадка MACK начала вырабатываться промышленностью только в 1974 г. Поэтому было признано целесообразным приступить к разработке нового отечественного высокощелочного масла на базе присадок, уже освоенных нефтеперерабатывающей промышленностью.
Разработка нового высокощелочного цилиндрового масла осуществлялась ВНИИ НП и ЦНИИМФом в четыре последовательных этапа на основе согласованных технико-экономических требований. В начале были проведены лабораторные исследования с целью разработать состав масла, отвечающего поставленным требованиям. После проверки лабораторными методами важнейших свойств ряда сочетаний выбранного базового масла с различными комбинациями функциональных присадок для дальнейшей проверки была отобрана композиция присадок, придающая маслу высокий уровень антинагарных, антиокислительных, нейтрализующих, противоизносных и противозадирных свойств, а также обеспечивающая достаточную защиту деталей двигателя от ржавления (стояночной коррозии).
Полученные результаты послужили основанием для выработки образца масла в опытно-промышленном масштабе и его испытания на малооборотном судовом дизеле в стендовых условиях, что являлось третьим этапом намеченной программы.
Физико-химические показатели качества опытных партий масла, подвергшиеся стендовым и эксплуатационным испытаниям, приведены в табл. 22.
Стендовые испытания опытного масла были проведены на дизеле БМЗ-Бурмейстер и Вайн 6ДКРН 74/160—2. Испытания проводились на смеси топлив ДТ-1 и дизельного, содержание серы в которой составляло 0,8%. В качестве эталона для сравнения было принято масло Мобилгард 593. Результаты стендовых испытаний показали, что по противоизносным и антинагарным свойствам масло М-16Е находится на уровне масла Мобилгард 593 и может быть рекомендовано к эксплуатационным испытаниям на судах.
Эксплуатационные испытания опытных партий масла М-16Е проводились на дизелях МАН K6Z57/80C и Зульцер 9RD90.
При эксплуатационных испытаниях в качестве эталонов для сравнения были приняты масла Шелл Алексия 40 (двигатель K6Z57/80C) и Мобилгард 593 (дизель 9RD90). Опытным маслом смазывали два цилиндра каждого двигателя, остальные цилиндры — эталонным.
Перед началом испытаний была проведена моточистка двигателей с разборкой всех цилиндров. Противоизносные свойства масел оценивали путем измерения износа цилиндровых втулок и поршневых колец. Износ втулок определяли методом вырезанных лунок и микроизмерениями штихмасом. Износ колец оценивали по увеличению зазора в замках, зазора (по высоте) между кольцом и канавкой, а также по потере кольцами массы.
При оценке противонагарных свойств опытных масел учитывали величину поверхности, покрытой углеродистыми отложениями, их твердость, толщину и цвет. Оценивали отложения, которые образовались на боковой поверхности головок поршней, в кольцевых канавках, на поршневых кольцах, юбках поршней, в выпускных и продувочных окнах, газовыпускных трактах, лопатках и проточной части газовых турбин. Одним из основных критериев при оценке антинагарных свойств опытного масла являлась подвижность поршневых колец.
Кроме того, оценку эксплуатационных свойств опытного масла проводили по результатам анализов отработавшего цилиндрового масла, пробы которого регулярно отбирали из подпоршневых полостей цилиндров двигателей на протяжении всего периода испытаний.
Продолжительность испытаний опытного масла на дизеле МАН K6Z57/80C составила 4135 ч. Двигатель весь период испытаний работал на дизельном топливе (ГОСТ 305—73) со средним содержанием серы 0,6%.
Рис. 3. Износ цилиндровых втулок дизеля 6KZ57/80C и А при смазке маслами М-16Е-30 (—) и Шелл. Алексия 40
Рис. 4. Уменьшение толщины поршневых колец дизеля Зульцер 9RD90 при смазке маслами М-16Е-30 (—) и Мобилгард 593 (——)
Износы цилиндровых втулок при работе на обоих маслах были малыми, они не превысили 0,02 мм/1000 ч. Износ поршневых колец также был незначительным. К массе колец их износ составил за 1000 ч работы 0,12 и 0,15% на маслах М-16Е и Шелл Алексия 40 соответственно.
В целом результаты испытаний показали, что опытное масло обеспечило вполне удовлетворительную работу дизеля МАН K6Z57/80C на дизельном топливе. По сравнению с маслом Шелл Алексия 40 оно имело равные противоизносные и лучшие моющие свойства.
Эксплуатационные испытания опытного масла на дизеле Зуль-цер 9RD90 продолжались в течение 3108 ч и проводились на высокосернистом тяжелом топливе — экспортном мазуте ( + 10 °С), содержавшем 0,1 Г—0,13% золы, 0,15% механических примесей и 2,0—2,3% серы. Перед началом испытаний была установлена равная подача масла во все цилиндры двигателя — 0,7 г/э. л. с.-ч.
По окончании испытаний были осмотрены цилиндры, смазывавшиеся маслом М-16Е и Мобилгард 593. Осмотр цилиндровых втулок и поршней не выявил заметной разницы в их состоянии. Все поршневые кольца были подвижными. Зеркало цилиндровых4 втулок было в хорошем состоянии. На стенках выпускных окон находился небольшой слой твердого, хрупкого нагара толщиной до 5—6 мм. Износ поршневых колец (рис. 56) и цилиндровых втулок на сравниваемых маслах был практически одинаков.
Эксплуатационные испытания опытного масла М-16Е-2 на дизелях МАН K6Z57/80C и Зульцер 9RD90 показали, что оно обеспечивает надежную смазку цилиндров судовых малооборотных дизелей при их работе как на малосернистом дизельном топливе, так и на топливе, содержащем 2—2,3% серы. По своим противо-износным и моющим свойствам масло М-16Е-2 находится на уровне зарубежных цилиндровых масел Мобилгард 593 и Шелл Алексия 40.
Разработанные ВНИИ НП и ЦНИИМФом в 1970 г. технические условия на масла М-16Е (ТУ 38-1-01-53—70) предусматривают выпуск двух марок масел: среднещелочного М-16Е-30 со щелочностью не менее 30 мг КОН/г для смазки цилиндров дизелей, работающих на топливах с содержанием серы до 2%, и высокощелочного М-16Е-60 со щелочностью не менее 60 мг КОН/г — для работы на топливах, содержащих свыше 2% серы.
Оба сорта масла содержат аналогичные присадки, но в различных концентрациях. При необходимости допускается смешивание масел М-16Е-30 и М-16Е-60 в любых соотношениях. Результаты применения этих масел на судах Черноморского, Новороссийского, Балтийского, Дальневосточного и других пароходств показывают, что отечественные цилиндровые масла М-16Е-30 и М-16Е-60 отвечают современным требованиям, обеспечивая качественную смазку деталей цилиндро-поршневой группы судовых малооборотных дизелей при их работе на различных сортах нефтяного топлива.