автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Повышение эффективности комбинированной очистки моторного масла в судовых дизелях полно- и частичнопоточным фильтрованием

На правах рукописи

Таращан Николай Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМБИНИРОВАННОЙ ОЧИСТКИ МОТОРНОГО МАСЛА В СУДОВЫХ ДИЗЕЛЯХ ПОЛНО- И ЧАСТИЧНОПОТОЧНЫМ ФИЛЬТРОВАНИЕМ

Специальность 05.08.05 — Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток - 2014

005557764

005557764

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Морской государственный университет им. адм. Г. И. Невельского»

Научный руководитель - заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Кича Геннадий Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Лебедев Борис Олегович, заведующий кафедрой термодинамики и судовых энергетических установок Новосибирской государственной академии водного транспорта, г. Новосибирск;

доктор технических наук, профессор Горелик Геннадий Бенцианович, профессор кафедры двигателей внутреннего сгорания Тихоокеанского государственного университета, г. Хабаровск

Ведущая организация — ФГОУ ВПО «Дальневосточный государственный технический рыбохозяйственный университет», г. Владивосток

Защита состоится 10 декабря 2014 года в 14.00 часов в ауд. 241 на заседании диссертационного совета Д223.005.01 при Морском государственном университете им. адм. Г. И. Невельского по адресу: 690059, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая 50а, УК-1, факс (423) 241-49-68, e-mail: ofTice@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на официальном сайте http://msun.ru/ru/csi_dissovet_ref_taraschan Морского государственного университета им. адм. Г. И. Невельского.

Автореферат разослан 10 октября 2014 г.

Отзывы на автореферат присылать в 2-х экземплярах, заверенных печатью организации. Просьба в отзыве указывать фамилию, имя, отчество лица, представившего отзыв, почтовый адрес, телефон, адрес электронной почты, наименование организации и должность.

Ученый секретарь диссертационного совета

Резник А. Г.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований по повышению эффективности тонкой очистки моторного масла (ММ) в судовых дизельных энергетических установках (СДЭУ) обусловлена необходимостью обеспечения экономичности и ресурса судовых форсированных дизелей, в том числе средней и повышенной частоты вращения, при конвертировании их на низкосортные и альтернативные топлива. При использовании в тронковых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) топлив глубокой переработки нефти - моторного, флотского и топочного мазутов — возрастают загрязнение и абразивность нерастворимых продуктов (НРП), поступающих в ММ, что интенсифицирует его старение и изнашивание двигателя. Ослабление адгезионной, усиление каталитической и диспергирующей активности нерастворимых примесей при применении в масле зольных присадок с высокими эксплуатационными свойствами приводят к ухудшению разделяемое™ дисперсионных систем.

Необходимость повышения эффективности тонкой очистки ММ в судовых дизелях продиктована возрастанием химмотологической нагрузки на их смазочные системы (СС), обусловленном качеством и спецификой применяемых горюче-смазочных материалов (ГСМ). Рост цилиндровой и агрегатной мощности, полная автоматизация судовых ДВС, длительная безразборная эксплуатация их с диагностикой остаточного ресурса, применение долгоработающих ММ предопределили первостепенность создания комбинированной системы тонкой очистки масла (КСТОМ) с высокими функциональными свойствами.

Степень разработанности темы исследования. Практика комбинированного фильтрования реализована в основном использованием в полнопоточных фильтрующих элементах (ФЭ) крупно- и мелкопористых вставок. В первом случае незначительно улучшается гидравлика полнопоточных фильтров тонкой очистки масла (ФТОМП), во втором - глубина очистки масла от мелкодисперсных загрязнений.

Обоснование конструктивных особенностей и параметров частичнопоточного фильтра (ФЧП) и его элементов в КСТОМ выполнено в большинстве случаев лишь в рамках эмпирического подхода. Взаимодействие его с полнопоточным фильтром не рассматривалось. Зарастание и блокировка пор ФЭ отложениями при идентификации их фракционного коэффициента и полноты отсева не учитывались. Моделирование эффективности комбинированного масляного фильтра (ФМК) с использованием единого подхода важно для учета взаимодействия ФЭ полного и частичного потоков при очистке ММ для полной реализации возможностей и преимуществ в функциональном действии элементов каждой группы.

Объектом исследования являются системы очистки ММ судовых форсированных тронковых дизелей, функционирующих с использованием низкосортных топлив в составе комплекса «дизель - эксплуатация — топливо — масло - очистка» (ДЭТМО).

Предмет исследования — процессы очистки ММ в ДВС фильтрованием в взаи-. модействии со звеньями комплекса ДЭТМО.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности тонкой очистки ММ в судовых дизелях комбинированным фильтрованием, увеличивающим срок службы масла и надежность защиты двигателя от изнашивания при применении низкосортных топлив.

Исходя из перспектив развития двигателестроения и необходимости повышения качества очистки ММ в форсированных дизелях в исследовании поставлены следующие задачи:

1 Осуществить мониторинг эффективности полнопоточной тонкой очистки масла в судовых дизелях и определить область рационального использования комбинированного фильтрования.

2 Уточнить теорию очистки ММ комбинированным фильтрованием, раскрыв в условиях работающего двигателя сложное стохастическое взаимодействие нерастворимых примесей в масле с отсеивающими их полипоровыми структурами различных фильтровальных материалов (ФМ) полно- и частичнопоточных ФЭ, загрязняемых отложениями.

3 Осуществить экспериментальное моделирование эффективности функционирования комбинированного фильтра в СС дизеля и разработать рекомендации по выбору его параметров с учетом форсировки двигателя и качества применяемых ГСМ.

4 Разработать научно-технические решения, направленные на повышение эффективности тонкой очистки ММ в судовых дизелях комбинированием полно- и час-тичнопоточного фильтрования с полным использованием достоинств каждого из них.

5 Оценить эффективность фильтрования ММ в судовых дизелях КСТОМ и дать рекомендации по их выбору и использованию.

6 Обосновать критерии (показатели) для сравнения эффективности очистки ММ в ДВС комбинированным фильтрованием с системой, сочетающей достоинства очистки фильтрованием и центрифугированием.

Научная новизна исследований состоит в следующем:

— сформулированы принципы комбинированного фильтрования, реализацией которых достигнута одновременно надежная защита двигателя от изнашивания и на-гаро- и лакообразования, а также глубокая очистка ММ от продуктов, интенсифицирующих его окисление, что тормозит старение и способствует увеличению срока службы масла;

— разработаны новые научно-технические решения по повышению эффективности комбинированной очистки ММ в судовых дизелях за счет использования полно- и час-тичнопоточной схем включения маслоочистителей (МО) в СС, совершенствования конструкций комбинированных фильтров и ФЭ;

— по результатам экспериментального моделирования оптимизированы номинальная тонкость отсева и интенсивность очистки комбинированного фильтра в зависимости от форсировки дизеля и качества применяемых топлив и масел, минимизирующие изнашивание двигателя, расход ММ и ФЭ;

— на детерминированном и стохастическом подходах созданы капиллярные модели фильтрования, позволяющие не только рассчитывать переменную эффективность комбинированного фильтра при очистке ММ с учетом накопления отложений и блокировки пор ФМ, но и определять их поровую структуру, параметры функционирования ФЭ, при которых достоинства и преимущества очистки по полно- и частич-нопоточной схемам реализуются наиболее полно;

— обоснованы критерий и показатели определения области рационального использования комбинированного фильтрования при очистке ММ в судовых дизелях, функционирующих в комплексах ДЭТМО разных составов.

Теоретическая значимость работы обусловлена использованием аналитического подхода для идентификации эффективности комбинированного фильтрования. Это значительно расширяет возможности разработанных капиллярных моделей в условиях очистки масел фильтровальными материалами с нерегулярной поровой структурой (ФМНПС), используемыми в ФЭ как полно-, так и частичнопоточного назначения.

Ценность выполненных теоретических разработок по комбинированному фильтрованию состоит в том, что полученные стохастическая (СКМ) и детерминированная капиллярные модели (ДКМ) позволяют оценить эффективность ФМК при любом сочетании звеньев комплекса ДЭТМО. Кроме того, их можно использовать для расчета конструктивных и эксплуатационных параметров комбинированных фильтров и ФЭ на стадии проектирования дизеля, его СС и подбора ММ. Главным достоинством разработанных моделей очистки масла является их нацеленность на идентификацию эффективности комбинированного фильтрования с возможностью определения условий функционирования, состава и параметров ФМК, при реализации которых достигается наибольший технико-экономический эффект.

Практическая значимость разработок высокоэффективного комбинированного маслоочистительного комплекса (КМОК) состоит в обеспечении надежной экономичной работы судовых форсированных тронковых дизелей средней и повышенной частоты вращения с сохранением моторесурса при использовании низкосортных топ-лив и соответствующих им масел с высокими эксплуатационными свойствами.

Уточнены и расширены типоразмерные ряды комбинированных фильтров, полно- и частичнопоточных ФЭ с параметрами, обеспечивающими высокую надежность защиты трибосопряжений двигателей от попадания абразивных примесей с размерами частиц более 25 мкм и глубокую, с удельной интенсивностью 30-150 г/(м2-ч), очистку ММ от мелкодисперсных нерастворимых продуктов износа двигателя и срабатывания присадок, катализирующих его старение. Срок службы ФЭ при этом составляет не менее 500 ч.

Методология и методы исследования. Работа базируется на комплексном подходе к повышению эффективности КСТОМ. Применяли математическое и экспериментальное моделирование, теорию планирования экспериментов. Задачи фильтрования решали численными методами, в том числе сеточным — методом конечных разностей.

Процесс старения ММ в судовых экспериментах при работе дизеля контролировали такими методами, как диализ, хроматография, фотометрия, инфракрасная и эмиссионная спектроскопия. Качественно-количественный состав НРП, эффективность МО определяли центрифугированием, оптической и электронной микроскопией, в том числе с автоматизированным счетом частиц, лазерной нефелометрией.

Моторные испытания ФМК и других МО в дизелях выполняли по ОСТ 24.060.09-89. Износ деталей ДВС определяли с помощью метода искусственных баз (приборы УПОИ-6 и УПОИВ-2), взвешиванием на аналитических весах ВЛА-200, микрометражем, снятием профилограмм и спектральным анализом на установке МФС-7. Нагаро- и лакообразование в дизелях оценивали по модифицированному методу 344Т ЦНИДИ.

Положения, выносимые на защиту:

1 Результаты обобщения опыта использования в судовых тронковых дизелях ФТОМП с определением области функционирования комплексов ДЭТМО, в которой применение комбинированного фильтрования является рациональным.

2 Уточненные детерминированная и стохастическая капиллярные модели фильтрования, позволяющие оценивать эффективность и подбирать параметры комбинированной полно- и частичнопоточной очистки ММ с учетом зарастания и блокировки пор ФМ отложениями.

3 Результаты экспериментального моделирования эффективности ФМК с оптимизацией номинальной тонкости отсева и интенсивности очистки по экономическому критерию с возможностью выбора этих параметров в зависимости от форсировки дизеля, качества применяемых топлив и масел.

4 Научно-технические решения по комплексному повышению эффективности комбинированного фильтрования масел в судовых форсированных тронковых дизелях при конвертировании их на низкосортные топлива.

5 Результаты сравнительных эксплуатационных испытаний на судах ФМК и рекомендации по комплектации ими дизелей с высоким надувом.

6 Критерий и показатели выбора условий работы КМОК, при которых предпочтение отдается комбинированному фильтрованию.

Высокая степень достоверности результатов исследований достигнута:

— использованием фундаментальных законов, апробированных классических методов гидродинамики и механики сплошных сред и дисперсионных систем;

— широкой апробацией расчетных зависимостей и хорошей сходимостью их с экспериментальными данными;

— адекватностью моделей и регрессионных зависимостей, доказанных по различным критериям;

— соблюдением принципов комплексного подхода, постулатов и основных положений теории планирования экспериментов при их корректном проведении;

— использованием в экспериментах современной поверенной на эталонах и прошедшей метрологическую аттестацию измерительной аппаратуры.

Личный вклад соискателя состоит в разработке стохастической и детерминированной капиллярных моделей фильтрования, учитывающих влияние отложений в ФЭ на их эффективность. Им же осуществлена переориентировка моделей очистки на подбор поро-вых структур ФМ, которые при комбинированном фильтровании ММ обеспечивали бы взаимодействие ФЭ полного и частичного потоков для реализации преимуществ и достоинств элементов каждой группы.

Диссертант самостоятельно разработал и реализовал на практике представленные в диссертации новые научно-технические решения по повышению эффективности комбинированного фильтрования ММ в судовых дизелях. Им же осуществлен мониторинг эффективности полнопоточных и комбинированных масляных фильтров на судах.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались на региональных, российских и международных конференциях и семинарах: «Двигатель 2007», посвященный 100-летию школы двигателестроения МГТУ им. Н. Э. Баумана (М.: Ml ТУ, 2007); «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС» (СПб.: СПбГУВК, 2007); «Современные проблемы и пути их решения в науке, транспорте, производстве» (Одесса: ОНМУ, 2007); Fibrat 7, 9, 11 и 13 «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток: ДВО PAT, 2007, 2009, 2011 и 2013); «Актуальные проблемы развития поршневых ДВС» (СПб.: СПбГМУ, 2008); Двига-

тель 2008 и 2011 «Актуальные проблемы развития и эксплуатации поршневых двигателей в транспортном комплексе Азиатско-Тихоокеанского региона» (Хабаровск: ТОГУ, 2008 и 2011); 51-я и 52-я Всеросс. науч. конф. «Военно-специальные вопросы» (Владивосток: ТОВМИ, 2008 и 2009); «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» (СПб.: СПбГУВК, 2009); «Актуальные проблемы освоения биологических ресурсов мирового океана» (Владивосток: Дальрыбвтуз, 2010); Двигатель 2013 «Актуальные проблемы создания и эксплуатации тепловых двигателей в условиях Дальневосточного региона России» (Хабаровск: ТОГУ, 2013).

Реализация результатов работы. Основные разработки диссертанта по ресурсосберегающему маслоиспользованию нашли применение при модернизации систем тонкой очистки масла (СТОМ) дизелей на судах Дальневосточного бассейна. Они реализованы при выполнении целевой комплексной программы Приморского края «Рациональное использование и экономия топливно-энергетических ресурсов на транспорте». Производство ФЭ высокого функционального уровня для комбинированного фильтрования ММ в ДВС по разработкам диссертанта освоило ООО «Клоска Фильтр» (г. Находка, Приморский край).

Результаты исследований по диссертации используются в учебном процессе МГУ им. адм. Г.И. Невельского. Курс «Применение топлив и смазочных материалов на судах» при изучении взаимодействия звеньев ДЭТМО, функционирующих в составе СДЭУ, читаемый для судомеханической специальности, частично базируется на разработках диссертанта.

Публикации по теме диссертации представлены 29 печатными работами, включая 6 статей в рецензируемых российских научных журналах, входящих в перечень ВАК, 12 статей в сборниках трудов высших учебных заведений, 11 докладов в материалах российских и международных конференций и один патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и пяти приложений. Содержание работы изложено на 210 страницах машинописного текста, включая 14 таблиц, 32 рисунка и списка литературы из 125 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований по комбинированной очистке ММ в ДВС. Констатируется низкая степень разработанности КСТОМ на основе фильтрования. Перечислены цель и задачи работы, выделены ее новизна, теоретическая и практическая значимость. Кратко изложены методология и методы выполненных исследований, сформулированы основные положения диссертации, выносимые на защиту. Показана степень достоверности исследований и указано, где осуществлялась апробация и внедрение результатов работы.

Подходы, на которых базируется работа, изложены в исследованиях по ресурсосберегающему топливо- и маслоиспользованию и повышению эффективности эксплуатации СДЭУ: В. Ф. Большакова, Г. Б. Горелика, JI. И. Двойриса, Б. О. Лебедева, Э. М. Мохнаткина, О. А. Никифорова, М. К. Овсянникова, В. Л. Певзнера, Г. А. Смирнова, В. А. Сомова, В. В. Щагина. Теоретической основой исследований при разработке ФМК послужили труды И. А. Аравина, М А. Григорьева, В. А. Жужикова, Г. П. Кичи, В. П. Коваленко, Т. А. Малиновской, Д. М Минца, В. В. Нацежкина, Б. Н. Перминова, К. В. Рыбакова, Ю. М Шехтмана, И. М Федоткина, J. L. Butler, R. Е. Collins, A. R. Dunn, S. Kuwabara, R. RajagopaJan, L. A. Spielman, J. A. Tichy.

В первой главе обоснована цель и поставлены задачи исследования по теме диссертации. Дан краткий анализ состояния вопроса по комбинированному фильтрованию ММ в судовых дизелях. Проведен мониторинг эффективности в судовых форсированных тронковых дизелях наиболее распространенной СТОМ на основе полнопоточного тонкого фильтрования. Показано, что в ДВС последнего поколения с повышенным наддувом, особенно работающих на высоковязких остаточных топливах, эта система не удовлетворяет возросшим требованиям к очистке ММ с высокими моюще-диспергирующими и стабилизирующими свойствами.

ФТОМП не способны обеспечить глубокую очистку масла от зольных мелкодисперсных НРП, поэтому интенсифицируется старение ММ и снижается срок его службы. Указанные недостатки полнопоточного масляного фильтра (ФМП) при использовании в форсированных дизелях устраняются комбинированным фильтрованием. Область рационального применения ФМК выявлена на основе обобщения опыта очистки масла полнопоточным фильтрованием и проведением судовых экспериментов. Установлено, что при удельной скорости загрязнении масла НРП более 0,05 г/(кВт-ч) и его угаре ниже 2 г/(кВт-ч) ФТОМП не удовлетворяет требованиям очистки ММ групп Г2 и Дг. Этот фильтр не обеспечивает необходимую для продолжительной работы СТОМ глубину очистки масел с показателем диспергирующе-стабилизирующих свойств Мдсс > 18.

Анализ теоретических методов расчета кинетики накопления НРП в ММ при работе в ДВС с комбинированным фильтрованием показал:

— использование в большинстве случаев эмпирических зависимостей для учета переменной эффективности МО по мере их работы в СС двигателя;

— наибольшее влияние на полноту отсева загрязнений фильтром оказывает накопление в порах ФМ отложений, действие которого на фильтровальный процесс не рассматривалось;

— необходимость учета в разрабатываемых расчетных схемах очистки масла совместного действия всех механизмов отсева, гидродинамики потоков в полипоровых структурах и физико-химических особенностей дисперсионной среды (ДС) при комбинированном фильтровании такой сложной суспензии, как загрязненное продуктами старения работающее в дизеле ММ.

Вторая и третья главы диссертации посвящены разработке С КМ и ДКМ с реализацией их в кинетической модели. Последняя позволяет рассчитывать переменные показатели эффективности ФМК и накопление в масле работающего дизеля НРП с учетом зарастания капилляров и блокировки пор применяемых ФМНПС.

В основу гидравлики ФЭ при движении суспензии через капилляры ФМ заложено уравнение Стокса в частных производных. Рассматривается установившееся движение вязкой жидкости (масла) в цилиндрических капиллярах при граничном условии обращения в ноль скорости ДС по контуру поры. Зона отсева ДФ при прохождении суспензии через капилляры определяется идентификацией скорости и траектории движения частиц с учетом действия на них внешних сил и пристенных эффектов.

Механизм взаимодействия жидкости и частицы (рис. 1) при движении через капилляр представлен кинетическим уравнением

= + + + 0)

где Ма - масса частицы, кг; й - вектор скорости частицы, м/с; ¿Р, - векторы сил, действующих на частицу, Н; т - время процесса фильтрования, с.

Силами , , обуславливаемыми

градиентами давления (по координате ¿) и скорости ДС (в направлении г), из-за их малости пренебрегаем. Выразив ван-дерваальсову (адгезии) химмото-логическую (электрокинетического взаимодействия) ,¥1Я, тяжести & , Архимеда (подъемную) ¿Рк и Стокса (сопротивления движению частиц) Рс силы через известные зависимости, получили в проекциях на г, 8, г систему уравнений.

Решив ее в квазистационарной постановке, вывели следующие выражения (параметры представлены в безразмерном виде) для скорости движения частиц в капилляре (см. рис. 1):

Рисунок 1 - Схема действия сил на отфильтровываемую частицу ДФ при движении суспензии в капиллярах

I

N.

ехр[-2£0Д«в-гр-1)] А^зту^шв,

/е

_ собу

- + 2

1-

'г*

(2)

(3)

(4)

где иг, щ и иг — скорость частицы по координате г, 0 иг, м/с; Л^а, Ь!ал и Ыщ - адгезионная, химмотологическая и гравитационная (подъемная) группы отсева, выраженные через отношение соответствующих сил к силе вязкого сопротивления; /Г'/о>/г ~ коэффициенты, учитывающие дополнительное сопротивление движению частицы, вызываемое пристенными эффектами; (3Г = 1(Г20 - постоянная Гаммакера, Дж; Ей, Ещ - параметры, учитывающие химмотологическое (электрокинетическое) взаимодействие частицы и капилляра.

Группы отсева применительно к фильтрованию через капилляры имеют следующее выражение:

а_. м =

N.

' 12тс ' гА 9цмигт '

где га— диаметр частиц, м; Рэф — эффективная плотность частицы, кг/м3, — вязкость масла, Па-с; g — ускорение свободного падения, м/с2; г^ - средняя осевая скорость ДС в капилляре, м/с; и — поверхностные потенциалы частицы и капилляра, В; е - диэлектрическая проницаемость ДС; ко—обратная длине Дебая—Хаккеля величина.

Стохастическая капиллярная модель фильтрования. Особенностью полученной модели является сочетание точного аналитического описания на основе физических законов движения частиц НРП в капилляре с вероятностными методами идентификации их перемещения за счет диффузии (броуновского движения). Утверждается, что случайные воздействия на частицы при движении дисперсной фазы (ДФ) в капилляре является дельта-коррелированной функцией времени. Поэтому фильтрование можно считать простым марковским процессом и выражать его эффективность через многомерную плотность вероятности. Причем, по терминологии Маркова, применительно к фильтрованию плотность вероятности отождествляется с относительной концентрацией частиц в рассматриваемой точке фазового пространства, а поток вероятности О,— с их перемещением по указанной координате. Задачей оценки эффективности фильтрования является определение вероятности достижения частицами границ заданного фазового пространства и их уноса. Объединение конвективных и диффузионных членов, ответственных за перенос ДФ в капилляре, осуществлено с помощью уравнения Колмогорова — Фоккера—Планка.

Стохастическому процессу стационарного фильтрования по капиллярной модели в координатах г, 0, г (см. рис. 1), если пренебречь диффузионным переносом частиц в направлении 8 и г, поставлена в соответствие следующая краевая задача:

д(й,лу) д(й01У) д(йг1У) | д,, е (У^|_0.

7<1г г с1% г сСг I дг

С^-и.Ш + В^Т

-

с1г

= 0;

7=0 \ У Г=0

= 1,

(5)

где IV и Ог-плотность и поток вероятности; Оф = — коэффициент диффу-

зии по координате г, определяемый по соотношению Эйнштейна.

Краевые условия определены из условия полного захвата (отсева) частиц, поступающих в капилляр и осаждающихся на его стенках, а также отражения их при достижении координаты г = Ос возвратом в фазовое пространство. Условие IV = 1 означает, что плотность вероятности РР равномерно распределена

в объеме поступающей на фильтрование ДС и ее значение на входе в капилляр по его фронту равно 1.

Фракционный коэффициент отсева частиц радиусом гЛ при фильтровании суспензии через капилляры диаметром О определится потоком вероятности Сг в направлении г на длине г (толщине Лфм) поры цилиндрической формы

2 я

/Л

-"^-. (6)

о о

где безразмерная координата г и толщина ФМ соответствуют г = г/г,, Афм = йфм /гё .

Задача (5) решалась численными, в частности, сеточными методами, которые обеспечивают безусловную устойчивость и консервативность решения. Для этого в поперечных сечениях капилляра строилась сеточная область из клеток квадратной или сегментной формы. Рассматриваемое дифференциальное уравнение заменялось в узлах рассматриваемой сетки соответствующими конечно-разностными уравнения-

и

ми. Затем на основании заданных граничных условий устанавливали значения искомого решения в граничных узлах рассматриваемой области.

Детерминированная капиллярная модель фильтрования. Принципиальное отличие разработанной модели от существующих состоит в учете действия всех внешних сил на отфильтровываемую частицу при движении суспензии в капилляре, в то время как ранее учитывали ее отсев только за счет эффекта касания. Считалось, что ДФ движется по линиям тока фильтруемой жидкости и осаждение частиц в капиллярах происходит из пристенного ее потока на расстоянии ¿//2. В предлагаемой ДКМ новый результат в оценке эффективности фильтрования ДФ получен за счет комплексного учета действия ситового и адгезионного захвата, седиментации и диффузии.

Простота и универсальность методики расчета фракционного коэффициента отсева по ДКМ достигнута использованием при идентификации фильтрования обобщенного показателя «безразмерная координата отсева» с^. Она интегрирует действие всех задерживающих механизмов и формирует зону отсева порового пространства, из которой частицы полностью осаждаются. Величина показывает, насколько отклоняется под действием внешних сил траектория движения ДФ от линии тока ДС.

Такой подход ранее был реализован в ячеистой модели фильтрования. Однако применительно к капиллярной модели, где иная гидродинамика потока, чем при внешнем обтекании волокон ФМ, это сделано впервые. Кроме того, на формирование £(/ учтено влияние накопления отложений в капилляре, что ранее не исследовалось. Идентификация б а проводилась по широкой гамме ФМ монопоровой и полипоровой структур. Безразмерная координата отсева определялась сравнением экспериментальных данных по ф¡¡о с расчетными, полученными по модели с захватом частиц за счет эффекта касания при рассмотрении движения ДФ по линиям тока фильтруемого масла.

Предварительным экспериментом были выявлены основные факторы, влияющие на исследуемый процесс: относительный диаметр капилляра £), толщина фильтровального материала (ФМ) Афм, диспергирующе-стабилизирующие свойства масла Мдсс, критерий Рейнольдса 11сл при движении суспензий по капилляру, загрязненность ФМ отложениями . Факторы О и Лфм задавали относительно размера (1, загрязненность определяли по грязеемкости ФМ.

При планировании опытов использовалась V* реплика 25-2 от полного факторного эксперимента, заданная генерирующими соотношениями Х4 = х5 = х2х3. Функцию отклика определили по результатам автоматизированного микроскопиро-вания на установке АОТИК-2 проб масла, загрязненного кварцем (5уд = 0,56 м2/г), до и после фильтрования через ФМ при заданном сочетании варьируемых факторов.

Результаты эксперимента выражали через показательно-степенной позином

ел = 1 — ехр

^0,294^0,462 фм

М и,782 р »0,0534 —0,0716 ДСС О £фм

Адекватность модели (7) доказана по критерию Фишера. Достоинством полученной модели по Ъа следует считать ее универсальность, что позволяет корректировать зону отсева в капиллярах широкой размерной группы, характерных для ФМНПС, используемых в ФЭ как полно-, так и частичнопоточного назначения.

(7)

Фракционный коэффициент отсева определяется как отношение потока через зону отсева к общему расходу жидкости через капилляры. Для мелкого монодисперсного загрязнителя фракционный коэффициент отсева капиллярами диаметром И запишется следующим образом:

I = 41

-4

(8)

И ) У И ) У Б Для крупнодисперсного загрязнителя с распределением ДсГ) диаметра частиц по закону Вейбулла зависимость (8) трансформируется в выражение

Фв = 4|

■¿иа Б

-зТя

еА в

1 - + 4б, - ^ - (4 - 6а, + - 2

щ

еА

П

И

г л21 ° 1

ехр А; ,

(9)

где Ьа - параметр масштаба распределения Вейбулла при допущении, что его параметр формы находится в диапазоне р^ = 1,7-2,4.

В том же интервале значении параметра формы рв распределенияД£>) по Вейбул-лу с параметром масштаба 6д полнота отсева рассчитывается по формуле

\2 _ / . \3 /_ . ч / . ч4

ЧЧ

= 2

3

--71

4

1 г з

212

егГ| ^ 2 6п

/ , л

2 Ьг,

-.2 ( 1. > еА 4 ехр Гз ьЛ

/ , Ьв ) 1*0

(10)

В приложении диссертации с использованием специальных табулированных функций приведены расчетные зависимости для фракционных коэффициентов и полноты отсева при различных законах распределения диаметров частиц и капилляров. В основу их положено выражение (8). Выводы построены на следующих формулах:

/ф

_0_

Цп».

| £>4/(Л)сЮ

Фф= /ф^И^И. 01,12)

Сопоставление результатов расчета отсева ДФ разного состава по СКМ и ДКМ показало, что стохастический подход оправдан для дисперсионной системы и поровых структур при соотношениях <1/й < 0,4 и т^/тяд />уЬл< 0,3. В этом случае погрешность расчета по сравнению с экспериментальными данными не превышает 15 %. СКМ более точны при оценке отфильтровывания мелкодисперсной фазы загрязнений. ДКМ намного проще в реализации. Погрешность расчета и фд по обеим моделям применительно к комбинированному фильтрованию при сравнении их с экспериментальными данными находится в диапазоне 2-26 %.

Кинетическая капиллярная модель фильтрования ММ позволяет рассчитывать накопление в нем НРП с учетом переменной эффективности функционирования

ФМК из-за срабатывания присадок и старения масла, а также зарастания и блокировки пор ФМНПС отложениями. Новизна и достоинство ее состоит в возможности:

- на едином подходе рассчитывать фракционный коэффициент и полноту отсева как полно-, так и частичнопоточного фильтра при накоплении в них отложений;

- представлять кинетику очистки и накопления примесей в работающем ММ дизеля при переменном дисперсном и фракционном составах загрязнителя;

- находить связь задерживающей способности капилляров с гидродинамическими режимами фильтрования с выявлением основных закономерностей фильтрования;

- устанавливать распределение загрязнений в ФМ по зонам отсева с возможностью учета зарастания пор отложениями и закупорки отдельных из них крупными частицами ДФ.

Особенностью разработанной кинетической модели очистки ММ фильтрованием является учет зарастания и блокировки пор отложениями и влияния этих продуктов на отсев частиц. Изменение поровой структуры ФМ из-за накапливающихся отложений сказывается на отфильтровывании НРП примесей. Предложен простой метод учета поровой структуры ФМ через начальное распределение капилляров по размерам и локальную скорость зарастания пор из-за осаждения ДФ, которая переменна по времени фильтрования и зависит от перепада давлений на полнопоточном фильтре (ФПП) и текущей пропускной способности ФЧП, концентрации и дисперсного состава загрязнителя.

Переход от начального распределения пор к текущему осуществлялся через соотношение

/тИ = /0

/ > /

в = /о

1 в)

V

В

51)

(АРф. АЛфм.с.Рф.'1)

(13)

где ЪВ/В — относительное уменьшение диаметра капилляра; Дрф- перепад давлений на фильтре, Па; Рф - доля загрязнений, откладывающихся на поверхности ФМ, по отношению к общему накоплению отложений; с — концентрация НРП в масле, отн. ед.; т - период фильтрования, ч.

Разбив период фильтрования х на циклы продолжительностью Ат, в каждом из которых основные параметры процесса принимаются постоянными, получили выражение для относительной скорости зарастания поперечного сечения пор с исходным диаметром В на г'-м и в целом за п циклов фильтрования суспензии с крупнодисперсным загрязнителем:

5/Л =1_ 1 " АРф(,-1) (!~ РФ(,-1)) ДмЧРмс.-1Ат В)п ¿Г 32цмД2^м((._1)Рф

о

( .1 > 2 -4 га<1 3 + ( .1Л

У2

(14)

где Хф - отношение массы отложений к количеству содержащих НРП в них; Рм, Рф - плотность масла и отложений, кг/м3.

Накопление отложений каждой группы пор диаметром 01 на /-м цикле фильтрования при любом законе распределения частиц ДФ составляет

71Д/'ф(,-1) - Рф(,-1)) 0д<-1)рьАфс'-1Ат А

=- 12я„ А ---(15)

128^м"ф(/-1)рф о

Масса НРП, приводящих к блокировке пор диаметром Рц^ц, определялась следующим образом

где Л'п// 1) — число пор диаметра До-о на единицу поверхности ФМ при фильтровании на /-м цикле, м~2; Рддм) - доля крупных (с1 > Д О частиц, осаждаемых на поверхности ФМ, при фильтровании через поры Одм).

Уменьшение относительного числа пор диаметром £>дм) на /-м цикле фильтрования при закупоривании их крупными частицами составляет

ТО-и-оЫ^

б5Ябу- Д(,-„_

5Р„ =

V.)

(17)

где р</- плотность частиц ДФ, кг/м3.

Диаметр пор у'-й группы в конце /-го цикла фильтрования рассчитывался на основе выражения

я£>?л. Ж

(18)

Кинетика очистки и старения ММ рассчитывалась по уравнениям (14) и (18) с учетом зависимости

/„ \ .. _ \

с, = с,_, ехр

£?фплФфпп(/-1) + (бфчпФфчп),,, + Ку2у

Дт

+

100а

1-ехр

бфш,фф™(/_1) + (бф-тФфчп)^, + Кубу

Оф,.ФфпИ)+(бф.,Фф,),_| + КА

Дх

(19)

где с,_ 1, с, - концентрация на /-1 и /-м циклах, % мае.; а - скорость загрязнения масла НРП, г/ч; 2фппффпп(;-1), (бфчпффчп(м)), Ку2у - интенсивность очистки ММ полно- и час-тичнопоточным фильтром на /-м цикле и удаления НРП при угаре масла, г/ч; йо - вместимость СС, г.

Сравнение расчетных и экспериментальных данных (рис. 2) велось для условий комбинированной очистки ММ в дизеле 6ЧН25/34: Рен~ 260 кВт, пя = 8,3 с-', КувУ = 328 г/ч, а = 10,5 г/ч, С0 = 320 кг, с0 = 0,035 %, Арфо = 18 кПа. В ФМК-4/2 использовались полно- и частичнопоточные поверхностные ФЭ типоразмера 6,4 из материалов ДРКБ и БМУ-15 с номинальной тонкостью отсева 40 и 15 мкм. Очиститель ФМК имеет 2 полно- и 2 частичнопоточных ФЭ. Фильтрование осуществлялось при /„ = 60-70 °С и вязкости масла 40-50 сСт. Его загрязнитель на начальном этапе работы идентифицировался распределением Вейбулла с показателями масштаба

1,2 мкм и формы ра =2.

Адекватность кинетической модели фильтрования ввдна из сопоставления расчетных и экспериментальных данных по накоплению НРП в масле при его комбинированной очистке фильтрованием (см. рис. 2). Сумма квадратов отклонения значений с в пробах от расчетной и экспериментальной кривых практически одинакова.

В главе 4 представлены разработки по комбинированному фильтрованию ММ и дана оценка его моторной эффективности в судовых дизелях. Совершенствование комбинированного фильтрования ММ осуществлено на основе использования следующих принципов:

— разграничения и рационального распределения функций ФМК между ФЭ полного и частичного потоков;

— подбора поровых структур ФЭ с максимальным снижением «грязевой» нагрузки на полнопоточные элементы и повышением интенсивности очистки ФЭЧП до полного удаления из ММ продуктов, катализирующих его окисление и способствующих нагарообразованию в дизеле;

— оптимизации поровых структур и поверхностей фильтрования полно- и частичнопоточных ФЭ для длительного сохранения гидравлического сопротивления первых на низком уровне и достижения вторыми высокой грязеемкости и срока службы.

Обоснование требований к параметрам ФМК с позиций моторной эффективности их при функционировании в СС судовых дизелей осуществлялось в два этапа На первом из них экспериментальным моделированием в дизеле 2410,5/13 определяли влияние тонкости отсева А„ и интенсивности очистки 2ффф комбинированного фильтра на изнашивание дизеля и срок службы ФЭ. На втором по результатам эксплуатационных испытаний комбинированных МО на судах модель достраивалась для учета влияния на рассматриваемые параметры на Я и 7ф3 от форсировки дизеля, качества применяемых топ-лив и масел.

Моторный эксперимент на лабораторном стенде был реализован с использованием ортогонального центрального композитного плана второго порядка. Уровни варьирования фактора Д„ ФПП составляли 15, 30 и 45 мкм, удельная интенсивность очистки ФЧП, приходящаяся на единицу искусственного загрязнения масла НРП, изменялась в пределах 0 — 80 с ^ = 0ффф/а = 40 на основном уровне.

Оценку износа дизеля осуществляли по интегральному показателю И(%) относительно износа на базовом этапе (Д„ = 30 мкм, gv = 40) по следующим деталям: цилиндровым втулкам, поршневым кольцам и вкладышам подшипников. При получении модели ГфЭ(Д„, glf) факторы варьировались на тех же уровнях.

Ортогонизация экспериментальных данных на первом этапе испытаний достигнута выбором «звездного» плана с преобразованием квадратичных членов регрессивного уравнения.

Рисунок 2 - Процесс загрязнения и очистки моторного масла в дизеле 6ЧН25/30

Рисунок 3 - Кинетика старения масла М-10-Г2(цс) п дизеле 6ЧСПН18/22

Второй этап испытаний проводился на дизеле Уаза20 (4ЧН20/28). Объединение моделей осуществлялось методом узловой точки в центре плана (Д„= 30 мкм, gv = 40, М = 0, Кт = 1,1, р^ =1,25 МПа). При моделировании комплекса ДЭТМО с ФМК фор-сировку дизеля задавали средним эффективным давлением на уровне до 0,5, 1,25 и 2 МПа. Качество топлива определяли показателем К„ который представлял средневзвешенную величину от его зольности 3„ содержания серы значений параметров фракционного Ф и группового Г составов. Он рассчитывался по формуле

кт=4—+ 4—+А—+Л-—>

т 1 ? 1 ф (Ь г

-Л« ^ ^б 1 б

где А, - коэффициент весомости; = 0,1 %, 5тб = 2%,Фб = 0,4, Гб = 0,5 - показатели

базового топлива, относительно которых задается Кт.

Показатели топлива Ф и Г характеризуются соответственно долей нефтепродукта, выкипающего при температуре выше 350 °С, и суммарным относительным содержанием асфальто-смолистых веществ и ароматической группы углеводородов в горючем. Варьирование Кт осуществлялось на уровнях 0,2,1,1 и 2. Эксплуатационные свойства М задавались рангом масла, который при значении (—1) обобщенно характеризовал моторные свойства нефтепродукта М-10-Г2(цс). Ранг (0) соответствовал маслам М-10(14)-Дг(цл20), а его значение (+1) - М-14-^(цл30).

При представлении факторов в натуральном виде функции отклика И, 7фЭ (%) идентифицированы следующими выражениями:

И = (286,1 - 10,09ДН - 3,134£ф -11Мрте + 40,74Кт - 50,25М +

+0,0303Дн&р + 0,596Дн/?те - 1,358АнКт + 1,675ДкМ+0,1873Д^ +

+0,01386^^)^53<'481Д8"М; (20)

Гфэ = (54,92 - 2,233Ди +1,199*, + 0,0235ДнЯф + 0,07634Д> -

-0,01243^)^^1.«". (21)

Адекватность моделей (20) и (21) подтверждены по различным критериям. Анализ большого массива данных по рассматриваемым показателям, полученным при контроле моторной эффективности ФМК на судах, показал хорошую сходимость расчетных и экспериментальных данных. Расхождение результатов расчета и опытов составляло 6-12 %.

Условные эксплуатационные расходы дизеля Э, на которые влияет эффективность комбинированного фильтрования, можно представить зависимостью

Э=АиИ+ВТТ^\0\ (22)

где А и — коэффициент, обуславливающий расходы на сменно-запасные части, моточистку и другие коррелирующие с износом (показателем И) дизеля затраты; ВТ — коэффициент, определяющий затраты на ФЭ и масло, связанные с эффективностью ФМК и СС в целом, хорошо коррелирующие с 7фЭ.

Оптимизация выражения (22) по показателям Д„ и проводились с использованием метода неопределенных множителей Лагранжа путем перебора всех комбинаций независимых переменных, варьируя их определенным образом. Оптимальные значения тонкости отсева и удельной интенсивности очистки ММ в ДВС могут определяться по следующим формулам:

_ 10,09 + 5, ШВЭ - (0,0303 + 0,0405Л,) - 0,596+1,358КТ -1,675М ч*~ 0,3742 + 0,0308Д:) '

_ 3,134+ 4.292Я, -(0,0303+ 0,0406ВЭ)ДЯ 8™01 ~ 0,0276 + 0,0474Вэ '

Параметр grmx характеризует максимальное значение интенсивности когда дальнейшее увеличение его в реальных условиях эксплуатации ДВС приводит к стабилизации Э.

Влияние параметров комплекса ДЭТМО на Дор( следующее. При среднем уровне рассматриваемых факторов АоР1= 34,2 мкм. При увеличении грязевой нагрузки на ФПП отключением ФЧП этот показатель повышается до 41,1 мкм. Интенсификация частичнопоточного фильтрования до gl<, = 80 уменьшает Лор, до значений 27,4 мкм. При увеличении дисперги-рующе-стабилизирующих свойств масел Д^ смещается более чем на 11 мкм - с 39,9 до 28,7 мкм. Диапазон изменения этого показателя при ухудшении качества топлив с Кт= ОД до 2 и составляет 32-37 мкм. Форсирование дизеля почти не сказывается на оптимальной тонкости отсева, которая находится в пределах 32,5-36,5 мкм. Значение при варьировании значениями факторов комплекса ДЭТМО составляет 46-174 %, что указывает на высокую роль ФМК в эффективном функционировании СС и в целом дизеля.

Новые научно-технические решения по повышению эффективности очистки ММ в дизелях состояли в совершенствовании схем СТОМ, конструкций МО и ФЭ. Наиболее высокий результат показала система очистки с установкой дроссельных распределителей перед ФПП и ФЧП. В первом случае это позволяет поддерживать постоянное давление перед потребителями масла независимо от перепада давлений на фильтре. Во втором - задать оптимальный расход масла через ФЧП и тормозить снижение его пропускной способности по мере загрязнения ФЭ.

ФМК предусматривает фильтрование полного и частичного потоков с соотношением числа ФЭ 2:1, 1:1 и 1:2. Типоразмерный ряд ФЭ для комбинированного фильтрования масел расширен до возможности использования их не только в разработанных ФМК, но и в корпусах серийно выпускаемых ФТОМП отечественного и зарубежного производства, используемых на судах.

Конструкция ФЭ поверхностного типа в виде многолучевой звезды модернизирована Ее фильтрующую перегородку для придания жесткости предложено гофрировать совместно с полиэтиленовой сеткой, которая создает условия для дренажа потока и предотвращает слипание лучей шторы. Это мероприятие способствует повышению пропускной способности, грязеемкости и срока службы ФЭ.

Моделирование состава и параметров ФМК наиболее распространенных на Дальневосточном бассейне судовых форсированных дизелей позволило осуществить рациональную комплектацию их СС маслоочистителями. Для наиболее тяжелых условий работы предложено использовать ФМК, ФЭ которых используют материалы ДРКБ-40 и КФМ-10 соответственно для фильтрования полного и частичного потоков. В дизелях с облегченным режимом загрязнения масла нерастворимыми примесями ФЭПП и ФЭЧП рекомендовано оснащать ФМ типа БМУ-30 и НКФМ-20.

Эксплуатационные испытания в судовых дизелях Д112 (8ЧСПН18/22) и Уаха20 (4ЧН20/28) с ФМК, комплектация которых оптимизирована по разработанной методике, показали высокую эффективность комбинированного фильтрования масла. Состояние масел, подверженных комбинированной очистке, в конечных пробах отбора при отработке 2 тыс. ч было в 1,3-1,8 раза лучше, чем при полнопоточном их фильтровании (табл. 1).

(24)

очистки,

Увеличение эффективности очистки масла при переходе с полнопоточного на комбинированное фильтрование в дизеле Уаза20 выражено более весомо, что вызвано использованием тяжелого высоковязкого топлива (топочного мазута М-100) и очень высокой форсировкой (рте = 2 МПа). Двигатель Д112 работал на дизельном топливе, и его форсировка по среднему эффективному давлению была гораздо ниже — 1,67 МПа.

Сравнение эффективности ФМК и ФМП при работе в СС дизелей ДЦ112 и УаБа20 (табл. 1) показало преимущество комбинированного фильтрования практически по всем показателям. Интенсивность очистки масла от НРП возросла в 4,2-6 раз. Это вызвало снижение максимального загрязнения ММ этими продуктами почти в полтора раза.

Таблица 1 — Моторная эффективность маслоочистительного комплекса на основе комбинированного фильтрования в судовых дизелях с высоким наддувом

Дизели

Показатель ДД112 (6ЧСПН18/22) Vasa20 (4ЧН20/28)

ФМП-3 ФМК-4/2 ФМП-4 ФМК-6/3

Состояние моторного масла

Концентрация НРП, %

общих 1,7 ±0,3 1,2 ±0,2 1,8 ±0,3 1,3 ±0,2

зольных 0,34 ± 0,06 0,25 ± 0,04 0,48 ± 0,07 0,32 ± 0,05

Щелочность масла, мгКОН/г 2,4 ± 0,5 3,9 ± 0,5 7,4 ± 1,2 12,5 ± 1,6

Степень окисления, % 10,0 ± 12 6,6 ± 0,8 9,0 ± 1,1 6,9 ± 0,8

Содержание смол, % 12,8 ± 1,4 8,5 ± 0,9 10,5 ± 1,5 7,5 ± 0,06

Содержание присадок, отн. ед. 100 66+7 100 56 ±5

Диспергирующая способность, отн. ед 0,51 ±0,06 0,62 ± 0,07 0,48 ± 0,05 0,56 ± 0,06

Интенсивность (скорость) старе-

ния масла, г/ч:

Поступление НРП 8,6 ± 0,9 8,4 ± 0,8 22,4 ± 3,2 18,7 ±2,4

Срабатывание присадок 28,4 ±4,1 19,6 ±2,7 51,4 ±6,2 38,7 ±4,2

Окисление 41 ±7 32 ±9 58 ± 7 45 + 6

Смолообразование 64 ±8 48 ±6 132 ± 15 96 ± 12

Работа маслоочистителей:

Интенсивность очистки

от НРП, г/ч:

общих 46 ±4 240 ± 25 72 ±8 340 ± 42

зольных 51 ±6 306 ± 42 101 ±9 420 ± 56

Срок службы ФЭ, тыс. ч

полнопоточных 0,76 ± 0,09 1,64± 0,2 0,83 ± 0,22 1,32 ±0,15

частичнопоточных - 0,82 ± 0,09 - 0,76 ±0,10

Скорость изнашивания

деталей ДВС:

Поршневых колец, г/1000 ч 4,7 ± 0,5 3,2 ± 0,3 9,1 ± 1,3 5,8 ± 0,7

Цилиндровых втулок, мкм/1000 ч 13,2 ± 1,2 8,6 ± 0,9 18,6 ± 1,9 12,4 ± 1,7

Вкладышей мотылевых 112 ± 12 89 + 9 158 ± 16 126 ± 14

подшипников, мкм/1 ООО ч

Мотылевых шеек коленчатого вала, 7,8 ± 0,8 5,6 ± 0,6 12,6 ±1,3 9,8 ± 0,9

мкм/1000 ч

Harapo- и лакообразование на поршнях (общая оценка), балл 8,5 ± 0,9 6,2 ± 0,7 15,6 ±1,8 12,7 ± 1,3

Нагары в поршневых 2,8 ± 0,3 2,4 ± 0,2 5,6 ±0,7 3,8 ± 0,4

канавках, балл

Интенсивное удаление из масла катализаторов окисления (зольных НРП) уменьшило скорость срабатывания присадок по щелочности на 38-41 %, по активному компоненту - в 1,5-1,8 раза. Концентрация карбонилсодержащих продуктов в конечных пробах масла, характеризующая глубину его окисления, снизилась с 9-10 до 6,6-6,9 %. Содержание смол в масле к моменту отработки 2 тыс. ч составляло 5,6— 8,5 % при очистке его ФМК и почти 13 % - полнопоточным фильтром. Уменьшение грязевой нагрузки на ФПП привело к увеличению срока службы его ФЭ в 1,6-2,2 раза. При переходе с полнопоточной на комбинированную очистку ММ скорость изнашивания поршневых колец и цилиндровых втулок уменьшилась более чем в полтора раза. Нагаро- и лакообразование сократилось на 19-27 %.

Кинетика старения масла М-10-Г2(цс) в дизеле 6ЧНСПН18/22 (рис. 3) указывает на экспоненциальный процесс изменения параметров почти по всем направлениям. Причем по многим из них наблюдается стабилизация. Уровень, на котором это происходит при очистке масла ФМК, по сравнениию с использованием ФМП в 1,42-1,52 раза ниже по накоплению НРП, смолообразованию и степени окисления. Концентрация присадок в активной форме и щелочность стабилизируются на уровнях, составляющих 25-40 % от их исходного значения в свежем масле. При полнопоточном фильтровании ММ уровень стабилизации этих показателей по сравнению с комбинированной очисткой ниже на 34-40 %.

Эксплуатационные испытания ФМК на судах показали, что альтернативой им может быть применение ФМП в сочетании с частичнопоточным центробежным очистителем (ЦО), имеющими гидрореактивный привод. Поэтому представляет интерес сравнение эффективности КСТОМ, работающих на принципах комбинированного фильтрования и сочетающих достоинства очистки масла фильтрованием и центрифугированием.

КМОК с этими комбинациями МО предложен критерий Кцф. Он представляет отношение удельных интенсивностей центрифугирования и частичнопоточного фильтрования, выраженных соответственно через число осветления Вц и показатель иф,„Фф,п.

Критерий Кцф рассчитывается по формуле

КиФ=—~—=2у . (25)

где Вп, и Кр - число осветления, пропускная способность и рабочий объем ротора ЦО, выраженные соответственно в м/ч, м3/ч и м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; шц - частота вращения ротора центрифуги, рад/с; »фч„ и ффчп - скорость фильтрации ФЭЧП и полнота отсева им стандартного загрязнителя, м/ч, отн. ед.

На базе Кцф разработан показатель ЭЦф сравнительной эффективности ФМК (вариант 1) и ФМП в комбинации с ЦО (вариант 2). Эцф рассчитывается через отношение эксплуатационных расходов, связанных с эффективностью КМОК с комплектацией 2 и 1. Он хорошо коррелируется с критерием Кцф при учете условий функционирования маслоочистительного комплекса.

Эффективность ЦО и ФЧП зависит от давления рм в СС, зольности Зм и вязкости масла, продолжительности тр работы двигателя с интенсивным его старением (загрязнением). Величины перечисленных факторов задаются относительно следующих базовых значений: р„б = 0,5 МПа, Зиб = 3 %, у„б = 50 мм2/с, тр = 0,2. Параметр тр задавался отно-

сительной (к эксплуатационному времени) продолжительностью переходных и малона-груженных (двигателя), низкотемпературных (систем смазки) режимов работы.

Выражение для показателя сравнительной эффективности очистки ММ по вариантов 2 и 1 получено по результатам статистической обработки данных эксплуатационных испытаний КСТОМ на судах. Зависимость Эцф(х;) имеет следующий вид

Г\ тгО.94—-0,320-0,37—-0,25-0,18

ЭПф = К„ф Рм Л. VM \ ■ С26)

При значительных Эцф = 0,9-1,1 сравниваемые варианты по экономической эффективности равноценны. Предпочтение ФМК следует отдать, когда Эцф > 1. При ЭЦф< 1 побеждает КМОК, содержащий полнопоточный фильтр и байпасно подключенную центрифугу. Следует отметить, что диапазон варьирования значениями критерия К„ф в пределах 1,2-2,4 за счет совершенствования частичнопоточного фильтрования более широк, чем достигаемый улучшением конструкции ЦО (Кцф =0,6-1,2). Поэтому можно утверждать, что объем использования (перспективность) ФМК по сравнению с вариантом ФМК + ЦО находится в соотношении 2:1.

Применение критерия Кцф и показателя ЭЦф позволяет определить самый выгодный вариант комплектования КМОК дизеля. Первый из них, как уже отмечалось, характеризует степень совершенства МО и позволяет определить превосходство одной из сравниваемых конструкций — ФЧП или ЦО. В комплексе с другими факторами, которые учитывают условия использования КМОК, Кцф через показатель ЭЦф дает возможность сделать заключение, какому варианту очистки ММ следует отдать предпочтение. С помощью Кцф и показателя Эцф были проанализированы комплексы ДЭТМО на судах Дальневосточного бассейна с позиций комплектования КМОК наиболее эффективными МО. Расчеты показали, что перспективы использования ФМК в судовых форсированных тронковых дизелях довольно высоки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Разработана комбинированная система тонкой очистки ММ в судовых дизелях, устраняющая характерные для наиболее распространенной полнопоточной схемы фильтрования противоречия меящу тонкостью и полнотой очистки. Высокая эффективность ее достигнута сочетанием достоинств и полным использованием преимуществ как полно-, так и частичнопоточного фильтрования. Комбинированное фильтрование обеспечивает надежную защиту дизеля от попадания в его пары трения опасных частиц загрязнения и высокую глубину очистки масла от мелкодисперсных НРП, интенсифицирующих его старение.

2 Использование в СС судовых форсированных дизелей комбинированных фильтров позволяет:

— обеспечить ресурсосберегающую эксплуатацию ДВС на низкосортных топли-вах и маслах с высокими моюще-диспергирующими свойствами ММ;

— снизить по сравнению с полнопоточным фильтрованием изнашивание основных деталей двигателей в 1,2-1,8 раза;

—увеличить при тонкости отсева 25-50 мкм интенсивность очистки от НРП в 3-6 раз;

— затормозить старение ММ по основным направлениям в полтора раза и стабилизировать в течение длительного периода его угар на нижнем уровне;

— уменьшить расход и увеличить срок службы масла не менее чем на 30 %.

3 В результате выполненных исследований разработаны:

— новые научно-технические решения по комплексному повышению эффективности комбинированной очистки ММ;

— системы комбинированной очистки, позволяющие реализовывать преимущества очистки масла по полно- и частичнопоточной схемам;

— уточненные расширенные типоразмерные ряды унифицированных комбинированных фильтров и полно- и частичнопоточных ФЭ к ним;

— подходы к выбору поровых структур ФМ, обеспечивающих саморегулирование процесса отфильтровывания НРП разного дисперсного состава с достижением высоких функциональных характеристик ФЭ обоего назначения.

4 Научная новизна в разработке капиллярных моделей фильтрования масла состояла в идентификации гидродинамического и силового взаимодействия отфильтровываемых частиц со стенками капилляров с учетом:

— действия на ДФ химмотологической, адгезионной и седиментационной групп отсева;

— стохастичности, вызываемой броуновским движением частиц пристенными эффектами при их осаждении в капилляре;

— взаимодействием частиц неодинакового размера с ФМ при движении суспензии в полипоровых структурах с разным распределением капилляров по диаметру;

— накопления отложений на поверхности и в порах ФМ, зарастания капилляров, их блокировки крупными частицами ДФ.

5 Новый результат в моделировании разделения сложных многофазных ДС получен с использованием аппарата марковских процессов. Теоретическое исследование осуществлено с рассмотрением полидисперсности загрязнителя ММ и дрейфа кинетических свойств дисперсионной среды, вызываемого старением масла, срабатыванием присадок и функционированием комплекса ДЭТМО в целом. На его основе с использованием уравнения Колмогорова — Фоккера- Планка разработан метод расчета фракционных-коэффициентов и полноты отсева НРП различными капиллярными структурами с учетом флуктуаций скорости осаждения.

6 Для инженерных расчетов фракционных коэффициентов и полноты отсева при очистке ММ стохастическая задача фильтрования трансформирована в детерминированную путем идентификации обобщенной координаты отсева еА которая объединяет действие основных задерживающих механизмов отсева и показывает отклонение частиц ДФ от линий токе фильтровальной среды в капилляре. Представлены уточненные по результатам экспериментов зависимости обобщенной координаты отсева от относительного размера капилляр; (по диаметру и длине), степени заполнения пор отложениями (загрязненности ФМ), гидродинамики потока суспензии в них и диспергирующе-стабилизирующих свойств масла.

7 Теоретические и экспериментальные разработки по разделению сложных дисперсионных систем позволили сформулировать условия комбинированного фильтрования, при которых возможности и преимущества полно- и частичнопоточной очистки масла в ДВС используются наиболее полно. При этом определены методы управления механизмами отсева ФПП и ФЧП для достижения многофункциональности их работы. Их использование позволило обосновать главные направления интенсификации фильтровальных процессов ФМК при увеличении уровня загрязнения масла НРП и его диспергирующих свойств.

8 Предложена методика расчета эффективности поверхностных капиллярных ФМ с учетом зарастания и блокировки их пор отложениями при комбинированной очистке ММ дизеля. Особенность ее состоит в возможности идентифицировать кинетику очистки и накопление нерастворимых примесей в работающем масле при переменных дисперсном и фракционном составах загрязнителя. При этом установлена за-

висимость фф от режимов фильтрования, распределения загрязнений по зонам осаждения — на поверхности и внутри ФМ, вызывающих соответственно блокировку и зарастание их пор.

9 Экспериментальным моделированием установлена зависимость скорости изнашивания Я дизеля и срока службы 7фэ ФЭПП от тонкости и интенсивности очистки масла при разных уровнях его эксплуатационных свойств, форсировки дизеля и качества применяемого топлива. По экономическому критерию Э оптимизированы параметры ФМК. Оптимальное значение номинальной тонкости отсева Aopt при параметрах звеньев ДЭТМО gv,pme, Кт, М на среднем уровне равно 34,2 мкм. Диапазон варьирования Дор, составляет 21—45 мкм.

10 По результатам моделирования осуществлена комплектация комбинированными фильтрами СС судовых форсированных дизелей, эксплуатируемых на Дальневосточном бассейне. Параметры и число ФЭ для очистки полного и частичного потоков выбраны с учетом их форсировки, применяемых топлив и масел из условия их срока службы не менее 0,5 тыс. ч с продолжительностью работы ММ на добраковочном уровне 3 и более тыс. ч.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Публикации в рецензируемых научных журналах и изданиях перечня ВАК

1 Таращан, Н. Н. Тонкая очистка моторного масла в судовых дизелях комбинированным фильтрованием / Н. Н. Таращан, А. В. Голенищев // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2008. - № 1. — С. 218-223.

2 Таращан, H.H. Стохастическое моделирование фильтрования горюче-смазочных материалов в корабельных системах топливо- и маслоочистки / Г. П. Кича, Н. Н. Таращан, А. В. Голенищев // Проблемы и методы вооружения и военной техники ВМФ. -Владивосток: ТОВМИ, 2008. - Вып. 65. - С. 152-159.

3 Таращан, H.H. Капиллярная модель очистки технических жидкостей с учетом зарастания пор фильтровального материала отложениями / Г. П. Кича, H.H.Таращан, А. В. Голенищев // Проблемы и методы вооружения и военной техники ВМФ: сб. науч. тр. - Владивосток: ТОВМИ, 2008. - Вып. 65. - С. 160-166.

4 Таращан, Н. Н. Разработка конструкции саморегенерирующегося фильтра и оценка его эффективности в смазочной системе судового дизеля / Н. Н. Таращан, Г. Г. Галстян // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2009. - № 1. - С. 236-239.

5 Таращан, Н. Н. Моделирование в дизеле эффективности очистки моторного масла комбинированным фильтрованием / Н. Н. Таращан // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока.-2011.-№ 1.-С. 191-196.

6 Таращан, H.H. Моделирование эффективности очистки моторного масла судовых дизелей с учетом зарастания пор фильтровального материала отложениями / Г. П. Кича, Н. Н. Таращан, А. В. Надежкин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2014. -№ 2. - С. 235-242.

Статьи в трудах высших учебных заведений и материалы докладов международных и российских конференций (выборка из основных публикаций)

7 Таращан, H.H. Повышение ресурсных показателей судовых дизелей совершенствованием системы очистки моторного масла / Г. П. Кича Н. Н. Таращан, А. В. Голенищев // Вест. Мор. гос. ун-та. - Владивосток: МГУ, 2008. - Вып. 25. - С. 127-137.

8 Таращан, Н. Н. Новые принципы повышения эффективности тонкой очистки моторного масла в двигателях внутреннего сгорания / Н. Н. Таращан // Мат. 51-й всероссийской науч. конф. - Владивосток: ТОВМИ, 2008.-С. 149-151.

9 Таращан, H.H. Тонкая очистка моторного масла в судовых дизелях комбинированным фильтрованием: результаты исследования и моторная эффективность Г. П. Кича, Н. Н. Таращан, А. В. Голенищев // Актуальные проблемы развития и эксплуатации поршневых двигателей в транспортном комплексе Азиатско-Тихоокеанского региона: докл. междунар. науч.-техн. конф. «Двигатель 2008» - Хабаровск, ТОГУ, 2008. - С. 297-303.

10 Таращан, Н. Н. Моделирование процесса очистки топлив и моторных масел с учетом отложений загрязнений в порах фильтрованного материала / Н. Н. Таращан // Вест. Мор. гос. ун-та. - Владивосток: МГУ, 2008. - Вып. 25. - С. 117-127.

11 Таращан, H.H. Комбинированная очистка моторного масла в судовых трон-ковых дизелях: новые принципы и схемы очистки, результаты испытаний / Г. П. Кича, Н. Н. Таращан, А. В. Голенищев // Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта: сб. науч. тр. — Владивосток: ДВГТУ, 2009. - Вып. 47,- С. 148-159.

12 Таращан, H.H. Разработка и моторная оценка на судах эффективности нового комбинированного маслоочистительного комплекса / Г. П. Кича, Н. Н. Таращан, А. В.Голенищев // Вест. мор. гос. ун-та.—Владивосток: МГУ, 2009. - Вып. 31. - С. 64—74.

13 Таращан, Н. Н. Повышение эффективности тонкой очистки моторного масла в судовых и корабельных дизелях комбинированным фильтрованием / Н. Н. Таращан // Мат-лы 52-й всерос. науч. конф. - Т. 1. - Владивосток: ТОВМИ, 2009. - С. 193-198.

14 Таращан, H.H. Новые принципы очистки моторного масла и их реализация в смазочных системах судовых дизелей / Г. П. Кича, Р. А. Кулик, Н. Н. Таращан // Мат-лы межвуз. науч.-практ. конф. «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление». - СПб.: СПбГУВК, 2009. - С. 342-346.

15 Таращан, H.H. Оптимизация очистки моторного масла в судовых дизелях комбинированным фильтрованием / H.H. Таращан // Мат. девятой междунар. науч.-практ. конф. «Проблемы транспорта Дальнего Востока» —Владивосток: МГУ, 2011.—С. 159-161.

16 Таращан Н. Н. Обеспечение экологически безопасной ресурсосберегающей эксплуатации судовых дизелей химмотологическими методами / Б. Н. Перминов, Е. И. Кончаков, Н. Н. Таращан // Вест. мор. гос. ун-та. - Владивосток: МГУ, 2011.-Вып. 47.-С. 59-63.

17 Таращан, H.H. Анализ эффективности новых систем тонкой очистки моторного масла в судовых дизелях / Н. К. Пак, Н. Н. Таращан // Вест. мор. гос. ун-та. -Владивосток: МГУ, 2011. - Вып. 47. - С. 63-70.

18 Таращан, H.H. Влияние угара масла, качества применяемых горючесмазочных материалов и форсировки дизеля на его изнашивание / Г. А. Гаук, И. П. Абрамчук, Н. Н. Таращан // Актуальные проблемы создания, проектирования и эксплуатации современных двигателей внутреннего сгорания: сб. науч. тр. - Хабаровск: ТОГУ, 2012. - Вып. 5. - С. 152-159.

19 Таращан, Н. Н. Идентификация области рационального использования комбинированной тонкой очистки моторного масла в судовых дизелях / Н. Н. Таращан, Г. П. Кича // Вест. мор. гос. ун-та. - Владивосток: МГУ, 2012. - Вып. 52. - С. 46-54.

20 Таращан, H.H. Эксплуатационная эффективность комбинированных масло-очистительных комплексов в судовых тронковых дизелях / Г. П. Кича, Н. К. Пак, Н. Н. Таращан // Актуальные проблемы создания и эксплуатации тепловых двигателей в условиях Дальневосточного региона России: мат-лы междунар. науч.-техн. конф. «Двигатель 2013». - Хабаровск: ТОГУ, 2013. - С. 229-233.

Таращан Николай Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМБИНИРОВАННОЙ ОЧИСТКИ МОТОРНОГО МАСЛА В СУДОВЫХ ДИЗЕЛЯХ ПОЛНО- И ЧАСТИЧНОПОТОЧНЫМ ФИЛЬТРОВАНИЕМ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1,2 уч.-изд. л. Формат 60 х 84 1/16

Тираж 120 экз. Заказ № 354

Отпечатано в типографии ИГЖ МГУ им. адм. Г.И. Невельского 690059 г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а