автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Решение проблемы высокоэффективной очисткимоторного масла в судовых дизелях

По' 9 11

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. В. В. КУЙБЫШЕВА

На правах рукописи

К и ч а Геннадий Петрович

УДК 621.431.74—729.3: -.661/5.004.14

Решение проблемы высокоэффективной очистки моторного масла в судовых дизелях

Специальность 05.08.05

Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Владивосток 1992

Работа выполнена в Дальневосточной государственной морског академии имени адмирала Г. И. Невельского.

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Лебедев О. Н., доктор технических наук, профессор Полипанов И. С., доктор технических наук, профессор Слесаренко В. Н.

Ведущая организация — Центральный ордена «Знак Почета»

научно-исследовательский дизельный институт.

Защита состоится ¿> 1992 года в 10 часоЕ

на заседании специализированного совета Д064.01.01 при Дальне восточном ордена Трудового Красного Знамени политехническое институте им. В. В. Куйбышева по адресу: 690600, г. Владивосток ГСП, ул. Пушкинская, 10, ДВПИ, специализированный совет.

С диссертацией можно ознакомиться в совете института. Автореферат разослан_ /Я 1992 г

Отзыв На автореферат, заверенный печатью учреждения, проси\ выслать в адрес специализированного совета по присуждению уче ной степени доктора технических наук при ДВПИ.

Ученый секретарь

специализированного совета

к. т. н., доцент И. М. ЧИБИРЯ^

РОССИЙСКАЯ Сщл

Г0СУДЛ1Ч ТБИННАЯ БИБЛИОТЕКА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В судовой энергетике наблюдается тенденция к расширению применения дизелей в качестве главных и вспомогательннх двигателей. Как показывают исследования, и в перспективе двигатели внутреннего сгорания (ДВС) останутся ведущим типом привода для транспортных установок, что объясняется их высокой экономичностью, надежностью и возможностью использования тяжелых остаточных топлив.

Важнейшая роль в энергетическом потенциале страны принадлежит нефти. Вследствие того что природные запасы ее ограниченны, а потребность в продуктах из нефти непрерывно растет, исключительное значение приобретают экономия и рациональное применение в технике горюче-смазочных материалов (ГСМ). Углубление переработки нефти сопровождается увеличением концентрации в топливах компонентов вторичных процессов, в которых содержится значительное количество соединений, ухудшающих эксплуатацию судовых дизельных энергетических установок (СДЭУ).

При использовании топлив глубокой переработки нефти возрастают загрязнение и абразивность нерастворимых продуктов (НРП) масла, что интенсифицирует его старение и изнашивание двигателя. С повышением наддува, цилиндровой и агрегатной мощности вследствие роста механической и тепловой напряженности усиливается чувствительность ДВС к качеству очистки моторного масла (ММ).

Применение в дизелях топлив ухудшенного качества возможно за счет совершенствования системы (комплекса) "дизель - эксплуатация - топливо - масло - очистка" (ДЭТМО). При этом рост эффективности очистки является наиболее результативным и дешевым способом обеспечения экономичной ресурсосохраняицей эксплуатации ДВС. Исследования маслоочисти-тельного комплекса (МОК), выполненные в отрыве от ДЭТМО, приводят к рутинным разработкам ограниченной перспективы. Решение проблемы очистки ММ в дизелях и создание новых маслоочистителей (МО) и систем тонкой очистки масла (СТОМ) высокого технического уровня требует системного подхода. Распространенный ныне эмпирический метод идентификации разделительных процессов для этой цели не пригоден, так как не отражает их физической сущности, не учитывает многофазность дисперсных систем (ДС), стохастичность массообменных процессов в системе смазки (СС) ДВС.

В научном плане актуальность рассматриваемой проблемы обусловлена потребностью системного исследования и комплексного повышения эффективности МОК в составе системы ДЭТМО, в практическом - необходимостью нейтрализовать последствия сжигания низкосортных топлив и обеспечить высокие экономичность и ресурс конвертируемых на них ДВС.

Цель работы - повысить экономичность, ресурс и, следовательно, ре зультативность эксплуатации судовых ЛВС на низкосортных и альтернатив ных топливах за счет системного решения проблемы очистки ММ. Предус матривались моделирование МОК в составе системы ДЭТМО и разработка ос нов комплексного повышения эффективности тонкой очистки ММ в СДЗУ В работе осуществлено системное решение научной проблемы очистки ЮЛ судовых дизелях, имеющей важное народнохозяйственное значение. Он направлено на экономию топливно-энергетических ресурсов на морско флоте, применение в СДЭУ альтернативных и глубокой переработки нефт топлив и рост надежности и ресурса ДВС.

На обсуждение выносятся и являются предлетол защит основные резу льтаты работы, определяющие ее научную и практическую ценность:

1. Физические (ячеистая, структурно-капиллярная, волокнисто-решет чатая) и математические модели очистки ГСМ фильтрованием и центрифуги рованием. Численные методы идентификации разделения сложных многофаз ных систем с полидисперсной нерастворимой фазой.

2. Способы и схемы математического моделирования разделительных процессов рабочих сред ДВС, отличающиеся полной идентификацией влияю щих на осаздение дисперсной фазы (ДФ) сил, моментов и пристенных эф фектов с учетом действия адгезионного захвата и ситоеого отсева, спе цифшш ДС, локальности и поля скоростей потоков в МО, флуктуаций пр: стесненном движении и вторичном уносе частиц.

3. Стохастические модели (СМ) очистки ММ, в которых на основе ап парата марковских процессов обьединены с системным подходом детермини рованные и случайные воздействия на ДФ при идентификации ее осаадени: в центробежном поле и в процессе фильтрования.

4. Кинетические модели многослойного фильтрования, учитывающие совокупное действие всех механизмов, адгезионной, седиментационной ] химмотологической груш отсева, а также зарастание отложениями и блокировку частицами поровой структуры фильтровальных материалов (<Ш) пр: переменных характеристиках ДФ.

5. Результаты системного исследования ДЭТМО:

- методика-оценки разделяемости дизельных ДС и адгезионной активности ДФ;

- модели загрязнения и триботехнических свойств НРП масла с учетом форсировки, технического состояния и условий эксплуатации ДВС, качества применяемых ГСМ;

- методология и результаты идентификации массо-дисперсного обмен; (МДО) нерастворимых примесей в СС ДВС при переменной интенсивное очистки масла;

- имитационная модель' (ММ) изнашивания основных деталей судовых дизелей, учитывающая интенсивность, качественно-количественные показатели загрязнения и кинетику очистки ММ;

- обобщенная модель рассматриваемой энергохиммотологической систе-гемы с разними СТОМ и МОК.

6. Итоги исследований и новые научно-технические решения комплексного повышения эффективности очистки ММ в судовых дизелях:

- методы управления качеством очистки и конструирования МО, выбора оптимальных состава и параметров МОК:

- принципы интенсификации фильтрования и центрифугирования ММ и регенерации'фильтрующих элементов (ФЭ), повышения эффективности функционирования систем очистки масла (СОМ);

- полнопоточные и комбинированные маслоочистительные комплексы, (КМОК), ФЭ и фильтры многоцелевого назначения (ФМЦН);

- эффективные СОМ с длительным сроком службы ФЭ и периодом необслуживаемой работы МО;

- результаты исследований МОК в ДВС с определением влияния очистителей на состояние масла и изнашивание двигателя.

7. Системное решение проблемы очистки ММ в автоматизированных СДЭУ с форсированными ЛВС:

- основы теории, модели регенерации и управления эффективностью самоочищающихся фильтров (СОФ);

- модель функционирования комбинированных и самоочищающихся МОК в составе системы ДЭТМО;

- новые тканые ФМ и ФЭ с оптимальной задерживающей способностью и максимальной регенерируемостью;

- самоочищающиеся фильтровальные установки (ФУ) и автоматизированные СТОМ (АСТОМ) высокой автономности с длительным сроком необслуживаемой работы и повышенной эффективности.

8. Результаты моторных стендовых и эксплуатационных испытаний оп-тимизировашшх КМОК последнего поколения и реализации новых методов очистки ММ на судах.

Методика исследования процессов загрязнения, очистки и старения ММ, ВДО в ДВС, взаимодействия абразившй ДФ с парами трения и моторной эффективности в дизелях МОК сочетает в себе pat четно-теоретические и экспериментальные методы. Решение проблемы очис..ки ММ в СДЭУ и разработку МО и СТОМ высокого технического уровня, удовлетворяющих требованиям дизелестроения, осуществляли на основе от.немного подхода. Методология его не допускает вести исследование К К изолированно в отрыве от системы ДЭТМО.

Стохастичность процессов загрязнения и очистки масла, а также изнашивания дизеля учтена путем перевода их в разряд марковских и использования в. расчетах имитационного моделирования и метода статистических испытаний (метод Монте-Карло). Модели тканых фильтровых сеток (ФС) сложного переплетения с высокими регенерируемостьга и эффективностью очистки созданы на базе дифференциальной геометрии.

Стохастическое моделирование СОМ выполнено численными, в частности сеточными методами, простыми в программировании-и обеспечивающими безусловную устойчивость и консервативность расчета очистки. При этом широко использовали конечно-разностную схему на основе метода переменных направлений с центральными разностями. Краевую задачу разделения многофазных гетерогенных ДС в аппаратах со сложной гидродинамикой решали методом сеток по симметричной схеме Кранка - Никольсона. Для однородных краевых условий одно- и двумерных моделей разделения использовали метод Фаэдо - Галеркина. Функционирование МОК и в целом системы ДЭТМО оптимизировали методами неклассического вариационного исчисления.

В экспериментах применяли электронную измерительную аппаратуру высокой точности. Рабочий процесс ЛВС контролировали диагностическим комплексом Ш-5 фирмы Аг^гогиса. Метрологическое обеспечение опытов осуществляли измерительными системами фирм Вгие1 & К1эег и Б1за-Е1ес-1;гоп1ка. Автоматизированную оценку эффективности и качества очистки ГСМ вели на базе оптико-телевизионного конструкции ДВГМА измерительного комплекса со встроенной ПЭВМ. Дополнительно для этой цели применяли электронную микроскопию, феррографию, голографию, лазерную нефелометрию, центрифугирование. Моторную эффективность МОК определяли по методике ЦНИДИ (ОСТ 24.060.09-79) с замером износа с помощью искусственных баз (приборы УПОИ-6, УПОИВ-2) и эмиссионной спектроскопии. Старение масла при работе различных МО оценивали методами хроматографии, диализа, фотометрии и инфракрасной спектроскопии.

Характеристики и закономерность процессов выявляли путем статистической обработки опытных данных на ЭВМ. При этом широко использовали теорию,планирования эксперимента, корреляционный и регрессионный анализ. Судовые эксперименты осуществляли под наблюдением Инспекции Регистра СССР.

Научная новизна работы, состоит в системном решении проблемы очистки ММ в судовых дизелях, заключающемся в исследовании МОК не изолированно, а в составе ДЭТМО: с учетом стохастического и переменного по времени взаимодействия звеньев рассматриваемой энергохиммотологической системы, нацеленности моделирования не только на идентификацию разделительных процессов, но и на формирование СОМ, удовлетворяющей требо-

ванилм конвертирования ДВС на низкосортные топлива. В итоге разработаны методы управления очисткой ММ и конструирования МО, полностью разрешающих характерные для СОМ противоречия и соответствующих ДЭТМО.

Новизна в исследовании разделения сложных многофазных ДС заключается в совместном рассмотрении и объединении на стохастической основе с использованием аппарата марковских процессов разных по принципу действия методов очистки, в учете специфики загрязнения ММ, полидисперсности ДФ и кинетических свойств дисперсионной среды, обусловленных старением масла, срабатыванием присадок и функционированием системы ДЭТМО в целом. Взаимодействие частиц с фильтровальными структурами и поведение их в центробежном поле идентифицированы при переменных отсеве и отфуговашш ДФ вследствие зарастания и блокировки пор СМ и накопления отложений в центробежном очистителе (ЦО).

Новый результат в теории очистки и регенерации достигнут путем:

- исследования осаждения ансамбля частиц в возмущенном потоке■ с флуктуациями, вызываемыми пристенными эффектами, стесненностью движения формой и концентрацией частиц и турбулентными пульсациями;

- учета действующих на ДФ сил и моментов, специфики дизельных ДС, локальности и поля скоростей потока в МО;

- совмещения ситового и инерционного отсева с адгезионным захватом идентификацией механического зацепления, инерционной, седиментацион-ной, адгезионной и химмотологической групп осаждения;

- моделирования сложной гидродинамической обстановки в объеме аппарата очистки с рассмотрением действия на частицы не только центробежной, но и кориолисовой силы;

- математического описания гидродинамического воздействия на частицы, вызывающего разблокирование пор, разрушение осадка, взвешивание и унос ДФ из капилляров, с учетом массовых, гидродинамических и адгезионных сил, вероятностной природы уноса и пульсаций промывного потока.

Реализация системности в исследованиях и получение новых результатов обусловлены:

- идентификацией в условиях стохастичности МДО в СС ДВС и действия на него звеньев системы ДЭТМО при переменных загрязнении и очистке ММ;

- построением регрессионных уравнений скорости и триботехнических свойств продуктов загрязнения масла в зависимости от качества применяемых ГСМ, технического уровня, форсировки и режимов двигателя;

- имитационным моделированием взаимодействия твердой фазы ММ с деталями трибосопряжений и изнашивания ДВС с учетом эффективности МОК;

- моделированием КМОК в составе системы ДЭТМО с учетом особенностей ее функциошфования и состава.

Практическая ценность разработанных кинетических моделей очистки, МДО и взаимодействия НРП ММ с деталями трибосопряжений ДВС заключается в возможности идентифицировать функционирование системы ДЭТМО еще • на стадии проектирования, прогнозировать ее эффективность при использовании разных ГСМ, обосновать требования к ММ, выбрать состав и параметры МОК, удовлетворяющие уровню форсировки и условиям эксплуатации дизеля.

Системное решение рассматриваемой проблемы в прикладном аспекте вылилось в разработку основ комплексного повышения эффективности очистки ММ при форсировании и конвертировании дизелей на альтернативные и глубокой переработки нефти топлива:

- выявлены характерные для действующих очистительных комплексов СОМ противоречия и найдены методы их разрешения, определены условия, при которых возможности предложенных способов разделения используются наиболее полно;

- созданы метода повышения эффективности ФМ за счет управления их поровой структурой и на их основе материалы с высокими качеством очистки и регенерируемостью;

- разработаны метода управления отсевом для придания многофункциональности или избирательности действию МО и обоснованы главные направления интенсификации очистки ММ;

- сформулированы принципы и показаны способы комбинированной очистки масла, наиболее полно реализующие достоинства фильтрования и центрифугирования ;

- разработаны базовые, в том числе автоматизированные, СТОМ с КМОК, обеспечивающие надежную защиту ДВС от абразивного изнашивания, минимальный расход ФЭ и длительный срок службы ММ;

- предложены методы интенсификации регенерации-ФЭ и на их основе разработаны СОФ и автоматизированные СТОМ высокого функционального уровня.

Численным моделированием системы ДЭТМО исследовано соответствие ее звеньев друг другу в перспективных СДЭУ, выявлено влияцие на ДВС ухудшения качества топлив, обосновано повышение ресурса и экономичности дизелей, оптимизированы состав, параметры и периодичность обслуживания МОК.

С использованием стохастической теории разделения, моделей загрязнения, очистки ММ и МДО в СС дизелей созданы полнопоточные, в том числе автоматизированные, СТОМ повышенной эффективности, оснащенные разработанными ДВГМА МОК комбинированного и самоочищающегося типов. Очистительные комплексы снабжены полнопоточными и многоцелевого назначения ФЭ с высокими функциональными характеристиками. Для автоматическо-

го управления качеством очистки ММ в ДВС предложена схема адаптивного регулировать данного процесса и создан самонастраивающийся поисковый регулятор.

Реализация результатов работы.. Представленные к защите научные положения и новые решения одобрены межведомственным научно-техническим советом по двигателестроению при ГКНТ СССР (протокол от 24 февраля 1982 г.) и рекомендованы для использования в НИМ, КБ, на заводах дизё-лестроителыюй отрасли и в эксплуатирующих ДВС организациях министерств морского, речного флота и рыбного хозяйства. Реализуемые на транспорте разработки по эффективной очистке ММ в ДВС: СТОМ, КМОК, ФМВД, СОФ, ФЭ и ФМ, а также наиболее результативные способы разделения сложных многофазных ДС и регенерации элементов защищены авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Конструкторская документация по главным научно-техническим решениям передана заинтересованным организациям для освоения производства эффективных МО и применения в дизелях СОМ нового поколения. Разработки по КМОК используют на заводах "Дальдизель" (Хабаровск), МЗ им. 25 Октября (Первомайск) при создании форсированных дизелей с высоким наддувом. Двигатели многих дизелестроительных заводов, в частности КТЗ (Коломна), Трансмаш (Барнаул), ПО "Звезда" (Санкт-Петербург) и зарубежного производства, находящиеся в эксплуатации, переоборудованы на полнопоточную и комбинированную тонкую очистку ММ. БерМЗ (Берислав) и Дальзаводом (Владивосток) изготовлены опытные партии СОФ трех модифи-кациий. Они прошли межведомственные испытания на заводах и судах и рекомендованы к серийному выпуску.

Научные разработки докторанта используют исследовательские и про-ектно-конструкторские организации дизельного профиля, морского, железнодорожного и автомобильного транспорта, ' а .также химмотологические центры СНГ для повышения эффективности систем ДЭТМО с разными двигателями при конвертировании ДВС на тяжелые и альтернативные топлива. Дальневосточные отделения РАН и PAT применяют модели, полученные при решении рассматриваемой проблемы, для улучшения структуры топливно-энергетического баланса Тихоокеанского региона и разработки ресурсосо-храняющих экологически чистых технологий эксплуатации тепловых двига-ателей. Рошошге рассматриваемой проблемы способствует сокращению расхода ГСМ, позволяет использовать в СДЭУ низкосортные топлива. .

Подтвержденный годовой экономический эффект от частичной реализации результатов работы и изобретений докторанта на судах Дальневосточного бассейна и в дизелестроении в ценах 1990 г. составил 1196 тыс. рублей.

Апробация роботы осуществлялась на всесоюзных конференциях и семи-минарах: "Проблемы создания и использования двигателей с высоким наддувом" (Харьков, ХПИ, июнь 1979 г.), "Перспективы развития комбинированных ДВС и двигателей новых схем и топлив" (Москва, МВТУ им. Н.Э.Баумана, сентябрь 1980 г.); "Рабочие процессы в ДВС" (Москва, МАДИ, февраль 1982 г.); "Проблемы повышения эффективности использования трудовых ресурсов в судоремонте" (Ленинград, НТО им. акад. А.Н. Крылова, март 1982 г.); "Химмотология - теория и практика рационального использования горючих и смазочных материалов" (Москва, МДНТП им. Ф.Э. Дзержинского, май 1982 г.); "Теория и практика рационального использования горючих и смазочных материалов в технике" (Челябинск, ЧФ НАТИ, май 1983, 1985, 1987 и 1989 гг.); "Промышленная чистота рабочей жидкости гидросистем и фильтрация" (Челябинск, ЧФ НАГИ, октябрь 1983 г.); "Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей" (Ленинград, ЛСХИ, январь 1985 г., март 1990 г., июнь 1992 г.); "Развитие дизельных двигателей, топливной аппаратуры и повышение эксплуатационной экономичности" (Ленинград, ЦНИДИ - ЦНИТА, июль 1985 г.); "Проблемы экономии энергоресурсов и использование альтернативных топлив в судовых дизельных и турбинных установках" (Ленинград, НТО им. акад. А.Н. Крылова, октябрь 1985 г.); "Проблемы совершенствования рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания" (Москва, МАДИ, февраль 1986 г.); "Альтернативные топлива в двигателях внутреннего сгорания" (Киров, КСХИ, май 1988г.); "Проблемы энергетики транспорта" (Москва, АН СССР, ноябрь 1988 г.).

Кроме того, содержание работы поэтапно докладывалось на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДВГМА им. адм. Г.И. Невельского (I97I-I992 гг.), заседаниях секции "Горюче-смазочные материалы и охлаждающие жидкости" ГКНТ СССР.

Основные научно-технические разработки диссертации экспонировались на многих всесоюзных и международных выставках и удостоены диплома первой степени, золотой, трех серебряных и восьми бронзовых медалей ВДНХ СССР. Разработки по а.с. 948179 и I04II28 потентуются за рубежом.

Публикации. Основные результаты диссертации изложены в двух тематических выпусках, трех учебных пособиях, ПО статьях, 25 научно-технических отчетах по НИР, депонированных во ВНТИЦ, и защищены 42-мя авторскими свидетельствами и патентами на изобретения.

Объел и структура работы. Диссертацию составляют введение, восемь глав, заключение, список использованной литературы из 515 наименований, приложение (книга 2) на 358 страницах. Основная часть работы содержит 340 страниц машинописного текста, 108 рисунков и 24 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. МЕТОДОЛОГИЯ СИСТЕМНОГО РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ОЧИСТКИ №.1 В СУДОВЫХ ДИЗЕЛЯХ

Несмотря на большое разнообразие подходов к исследованию очистки ММ и попыток обобщения экспериментальных данных, до настоящего времени не существует математического описания фильтрования и центрифугирования на основе единых системных позиций, учитывающего не только гидродинамику, структуру эффектов,"механизмы и кинетику отсева, но и взаимодействие их при формировании МДО в ОС ДВС с учетом свойств ДФ и сос-' тояния дисперсионной среды.

Из-за многообразия разделительных процессов, совмещенности и взаимодействия происходящих в них явлений различной физико-химической природы очистку ММ целесообразно исследова.ть комплексно. На необходимость системного подхода к решению проблемы повышения эффективности очистки масла в ДВС указывают ведущие специалисты в области ГСМ С.Г. Арабян, В.Ф. Большаков, А.Б. Виппер, М.А. Григорьев, Е.И. Гулин, Л.И. Двойрис, В.А. Сомов. Стратегия его применительно к химической технологии разработана И.н. Дороховым, В.В. Кафаровым. Важность системного моделирования ДЭТМО показана в работах М.И.Ераславского, О.Н.Лебедева, М.К. Овсянникова, Ю.В. Селезнева, В.Н. Сторокева, X. Чихоса, Р. Шеннона и др.

Недостаточное развитие теории очистки ГСМ не позволяет осуществить аппаратное оформление МО в соответствии с современными требованиями. В оценке эффективности разделительных процессов широко применяется эмпирический подход. Для проектирования и разработки ФЭ и МО нового поколения этот метод идентификации фильтрования и центрифугирования не пригоден. В расчетных моделях рассматриваются отдельные механизмы отсева, что не дает полной и достоверной картины разделения.

Сложность состава ДФ ММ и отсутствие сведений о ее триботехничес-ких свойствах и электрокинетическом взаимодействии с ФМ затрудняют идентификацию отсева и влияния на пары трения с учетом старения масла. Препятствует разработке кинетических моделей фильтрования и регенерации и в целом функционирования самоочищающихся ФУ слабая изученность разделяемости дизельных ДС и адгезионной активности загрязнений ММ. Моделирование очистки масла и промывки ФЭ СОФ с учетом блокировки и зарастания пор отложениями на структурной основе до сих пор не осуществлено, хотя о важности исследования кинетики вторичного уноса и влияния накопления отложений на отсев известно давно.

Теория и практика фильтрования специальных жидкостей и технических суспензий получила развитие в трудах О.Л.Брука, В.А.Жужикова, И.А.Коб-ринского, В.М. Коновалова, Т.А. Малиновской, Э.И. Удлера, Р.Г. Тимир-кеева, U.M. Федоткина, з.Л. Финкельштейна. Пути учета гидродинамической обстановки и вязкостных эффектов при движении частиц около стенки коллектора разработали Р. Раджагопалан, Л.А. Спилман, Дж. А. Тихи, Ж.А. Фитцпатрик. Исследователи С. Кувабара, Дж. Хаппель, А.К. Паятекс обосновали схему формализации отсева через гидродинамические характеристики потока и предельную траекторию задерживаемой частицы при обтекании одиночного коллектора в форме шара (цилиндра). Однако влияние прилегающих к нему гранул (волокон) ФМ и вызываемых ими возмущений не рассматривали или учитывали упрощенно, что приводит к значительным погрешностям в определении коэффициента и полноты отсева. В теоретическом плане необходимо осуществить описание фильтрования путем идентификации отсева, распределения отложений по глубине ФМ, действия их на поровую структуру и эффективность очистки ГСМ. Для достижения этой цели следует построить кинетические модели фильтрования.

Теория разделения суспензий и эмульсий в центробежном поле получила развитие в трудах Г.И. Бремера, Г.А. Кука, H.H. Липатова, Н.В. Лыс-ковцева, О.П. Новикова, Д.Е. Шкоропада. Гидродинамика сепарирования рассмотрена в трудах Е.М. Гольдина, В.А. Карамзина, С.А.Плюшкина, П.Г. Романкова, В.И.Соколова, Д.С. Торосяна. Теоретические основы центрифугирования применительно к очистке ММ, разработанные П.Н. Беляни-ным, В.Ф. Большаковым, М.А. Григорьевым, Л.И. Двойрисом, М.Е.Троубриджем, С.Г. Рогановым, Г.А. Смирновым, Дж. Муркесом, В.В. Щагиным, нашли широкое применение. Однако в данных работах прослеживается:

- пренебрежение стохастичностыо процесса центрифугирования, которому присущи турбулентные пульсации и флуктуационные явления;

- рассмотрение сопротивления перемещения ДФ с игнорированием стесненности движения, формы частицы по закону Стокса, справедливому для единичной частицы в невозмущенном потоке;

- осуществление идентификации движения ДФ без учета силы Кориолиса хотя она имеет тот же порядок, что и центробежная:

- пренебрежение локальностью осевых потоков в роторе ЦО и поля скоростей в межтарельчатом пространстве сепаратора.

Исследованиями М.А. Григорьева, В.П.Коваленко, A.C. Полякова, К.В. Рыбакова заложены основы очистки ГСМ фильтрованием. Существенное значение в решении рассматриваемой проблемы имеет комплексное исследование эффективности топлив, масел, СС и в целом ДВС. Это направление представлено школами НАМИ, ЦШДИ, ЛИВТ, ЦНИЙМФ, известными работами

В.Ф. Большакова, М.И. Браславского, М.А. Григорьева, Е.В. Даниловой, Э.М. Мохнаткина, И.О. Полмпанова, О.А. Никифорова, Ю.Л. Шепельского.

Анализ состояния теории и практики разделения сложных многофазных дизельных ДС дал возможность выделить частные проблемы:

- необходимость идентификации очистки ММ и массообменных процессов в CG ДВС с системным подходом при учете свойств звеньев ДЭТМО, взаимодействие которых носит случайный характер и переменно по времени;

- обусловленная слабой теоретической базой фильтрования и центрифугирования затрудненность расчета очистки ММ с учетом стохастичности, вторичного уноса, совокупного действия механизмов отсева, включая диффузионный, специфических свойств ДФ и дисперсионной среды;

- потребность рассмотрения массообменных процессов в СС и влияния концентрации, триботехничееккх свойств загрязнителя на изнашивание двигателя при взаимодействии звеньев ДЭТМО;

- необходимость исследований в области регенерации с целью создания СОФ с длительшм периодом необслуживаемой работы.

Анализ перспектив развития ДВС и их СОМ позволил определить задачи исследования:

1. Разработать методологию системного подхода к решению проблемы очистки масла в ДВС;

2. Развить теоретические основы разделения сложных многофазных коллоидно-дисперсных систем и идентифицировать с учет'ом стохастичности процесс очистки рабочих сред ДВС;

3. Изучить процесс загрязнения ММ и износные свойства НРП СС дизелей разного уровня форсировки и качества применяемых ГСМ;

4. Выявить закономерности и разработать кинетические модели загрязнения, очистки и регенерации СОФ при фильтровании и центрифугировании ММ с полидисперсной: нерастворимой фазой;

5. Построить модели МДО НРП в СС дизеля и результативности системы ДЭТМО в целом;

6. Создать модели изнашивания основных трибосопряжений ДВС с учетом особенностей загрязнения ММ и эффективности его очистки;

7. Разработать методы оценки разделяемости дизельных ДС и управления качеством очистки ММ, подбора оптимального КМОК, соответствующего условиям функционирования и требованиям системы ДЭТМО;

8. Повысить эффективность фильтрования и центрифугирования ММ, создать комбинированные и самоочищающиеся автоматизированные МОК (AMOK) с высокой автономностью и результативностью;

9. Разработать научно-технические решения комплексного повышения эффективности ММ и осуществить моторную оценку КМОК на судах.

Создана летоОология решения проблем очистси ММ в ДВС, базирующаяся на принципах системности. Она позволила представить реферируемое исследование и его объекты как единую управляемую посредством звена "очистка" стохастическую систему ДЭТМО. Структуризация ее на подсистемы нескольких уровней выполнена в соответствии с деревом целей и поставленными задачами (рис. I).

Исследование осуществляли изучением элементов по свойствам объекта в целом. Системность в методологии решения проблемы очистки МЫ заключалась в раскрытии связей звеньев ДЭТМО не при обособленных действиях подсистем, а при взаимовлиянии их в эксплуатации. Она свелась к одновременному анализу взаимодействия подсистем по нескольким целевым функциям с объединением их в технико-экономический критерий, по которому проводили оптимизацию МОК и повышение эффективности функционирования его в ДЭТМО.

Дерево целей построено так, чтобы была возможность выявить и систематизировать пути решения проблемы как совокупность взаимосвязанных задач. Изучение системы ДЭТМО велось по двум параллельным направлениям (см. рис. I). По одному из них идентификацией на базе разработанных кинетических моделей фильтрования, центрифугирования, регенерации ФЭ и загрязнения ММ, моделированием триботехнических свойств и МДО нерастворимых примесей в СС исследовали процесс изнашивания ДВС, по другому те же модели трасформировали для обоснования новых принципов очистки и создания эффективных СОФ, МОК и СОМ с высокими функциональными характеристиками.

Переход от дерева целей к проблеме очистки ММ в ДВС состоял в структуризации ДЭТМО по функциональному признаку (рис. 2). Повышение эффективности очистки ММ в ДВС осуществляли на основе системы управления, имеющей главный контур воздействия с обратной связью, объектом состояния (ОС), входным и выходным объектами (ВХО, ВО), внешними возмущениями (ВВ), методологией выбора (МВ) и МОК. объектом исследования принята СОМ и ее воздействие на старение масла и состояние дизеля.

Подсистема ОС является центральной, так как в ней синтезируются процессы рабочей среды СС, влияющие на ВО. Состояние масла зависит от ВХО, он формирует эффективность очистки МЛ и, следовательно, воздействует на противоизносше и другие функциональные его свойства. Техническая и экономическая результативность управления проявляется в ВО. Подсистема ВВ задает условия однозначности, конкретизирует ДЭТМО, служит связующим звеном в структуре СДЭУ и содержит элементы, влияющие на рассматриваемый объект, но не входящие в предмет исследования. Научно-технические достижения формируются в подсистемах ИГР и НО.

Функциональная схема системы ДЭТМО

Рис. 2

ПРИНЦИПЫ ИДЕНТИФИКАЦИИ ФИЛЬТРОВАНИЯ, ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ И ПОСТРОЕНИЯ СТОХАСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОЧИСТКИ ГСМ •

Моделирование фильтрования и центрифугирования должно учитывать ю стохастическую природу, а также осложнения, вносимые накоплением отложений в порах Шив роторе ЦО. Поэтому отсев и отфугование ДФ рассмотрены как случайный процесс. Использована методика, позволяющая сочетать достоинства точного детерминированного описания механизма очистки и стохастического (вероятностного) представления явлений, сопровождающих эти процессы. Учтены флуктуации, вызываемые броуновским движением частиц, турбулентными пульсациями потоков при регенерации ФЭ i центрифугировании и стесненностью движения ДФ, а также обусловленные формой частиц и пор, влиянием пристенных эффектов и взаимодействиег. частиц при осаждении.

Реальное флуктуациошюе разделение многофазных гетерогенных -ДС было сведено к процессу без последствий, что позволило применить для егс исследования хорошо разработанный аппарат случайных марковских процессов. В общем случае многомерному процессу г(т) переноса частиц в поро-вом пространстве или в центробежном поле соответствует система стохастических уравнений с компонентами х4(г):

• dx.

—- = F. (г,т)+/ (г.т) (1=1.2.....n), (I]

dT 1

где F , fl- детерминированные и случайные воздействия на частицы ДФ.

Компоненты х (т) случайной функции г(*с) представляют собой обобщенные координаты системы либо совокупность координат и скоростей. Tat как для большинства разделительных процессов </1(г,т)>, а <Д(гд)> x/j(r,T+t)> = b (г,т)б(т;), то выражению (I) соответствует уравнение Колмогорова - Фоккера - Планка:

п , п

ÖWCr.t) J 9[QA. (г, т )W(r,t) ] 1 ' J a2[QB( . (r,X)W(r,T)]

-= - )-5-- + - > )-у-. (2:

tfi öxiöxj

где Aj (г,т) и в (г.т;) - систематические скорости изменения xt и дисперсии n-мерного случайного вектора г(г); Q - метрика векторного пространства; Bjj- множитель в функции корреляции случайной силы, характеризующей интенсивность случайных воздействий на ДФ; ö(t) - дельта-функция Дирака.

Применительно к задачам разделения плотность вероятности w(r,t! отождествляется с относительной концентрацией ДФ в элементарном объеме

п-мерного фазового пространства. Задачей очистки являлось определение вероятности достижения частицей границ заданного фазового пространства и уноса ее. £ большинстве стохастических процессов фильтрования и центрифугирования многофазных ДС время корреляции флуктуаций по сравнению с временем'релаксации мало. Внешние возмущения в них дельта-коррелиру-ются или легко сводятся к процессам без последствий за счет вспомогательных функций.

Разработана оригинальная схема многоуровневой идентификации разделительных процессов. По ней в стохастической постановке осуществляли синтез лоделей очистки ГСМ с учетом совместного действия основных механизмов отсева. Системный подход к исследованию этого процесса дает возможность изучить его на молекулярном и макроуровне последовательно: переходя от рассмотрения задерживающих механизмов к идентификации 'движения дисперсионной среды и частицы. Заключительный этап предусматривал моделирование массообменных процессов в объеме всего аппарата МО.

Гидродинамическую обстановку при движении коллоидной среды через поровую структуру и ЦО описывали с- использованием аппарата тензорного анализа. Стесненное движение нерастворимых загрязнений в ММ рассматривали с учетом пристенных эффектов, а также зависимости взаимодействия частиц от концентрации и состава ДФ. Осаждение частиц предлагали исследовать путем составления векторного уравнения основных сил, приложенных к твердой частице в потоке вязкой несжимаемой'жидкости.

ОБОБЩЕННЫЕ КИНЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ФИЛЬТРОВАНИЯ МНОГОФАЗНЫХ КОЛЛОИДНО-ДИСПЕРСНЫХ СРЕД две

Разработанная теория очистки коллоидно-дисперсных систем фильтрованием комплексно учитывает на основе ситового и адгезионного захвата, инерционного эффекта, седиментации, диффузии и других задерживающих механизмов гидродинамическое и физико-механическое взаимодействие полидисперсной нерастворимой фазы загрязнений с фильтровальной перегородкой сложной структуры. Описание перемещения ДФ в поровом пространстве выполнено с применением закона Стокса и введением поправок на стесненность движения, нешаровую форму и полидисперсность частиц и пристенные эффекты. Коррекция закона для учета указанных факторов осуществлена по уравнениям, полученным методом отражений и экспериментально в виде регрессионных зависимостей. Выделены и идентифицированы хиллошо-логическая, адгезионная и седилентационная группы осаждения. Впервые исследовано влияние поперечной силы Сэффмана на отсев ДФ.

В ячеистой и капиллярной лоделях фильтрования вследствие низких чисел Рейнольдса флуктуации вызваны в основном диффузией и выражены через соотношение Эйнштейна. Приняв во внимание радиальную г и угловую 9 координаты сферической и цилиндрической систем и обозначив иг и ив компоненты скорости частицы, согласно уравнениям (2) и неразрывности для ячейки со сферическим и цилиндрическим коллекторами соответственно получили:

— (rzu w) вт

г д д ___ aw

--(u Wsine) +■ 2—(г D —) = О;

sine ае 8 аг гаг

а

aw

аг

-(ги W)--(и W) + 2— (rD —) = О,

(3)

где Бг- коэффициент диффузии в безразмерном виде. в

Для начальных условий , И-И при г+а> и Бг= фракционный

коэффициент отсева определяли к потоком вероятности на л коллектор:

гЪ

г Гг - _

1 + 2И — _ _ Б1п0й6;

гбг1г-н

Ф^ = 2 ' d ф

2 г

"I

(4)

-u W + 2D —

.<10.

где га, радиус частиц и коллектора; , ъа- радиус и линейный размер фильтровальной ячейки; и - скорость набегающего потока.

Скорости движения ДФ рассчитывали на основе уравнения равновесия сил и моментов, действующих на частицу:

exp[-^L(zd-1 )]

(id-ir(id+D

elp[-2^L(id-1 )]

2 V^V0*5 -

(5)

sine.

TrPt-TtPr

9 e ф о

TrN .sin(7 +Q_, )

-+ в z.r.x(Tr5 +

sine, d d e

+ ГГ) + (Trfp-Frtp )

ecp ad^cp© etp

(6)

где расстояние от центра частицы до коллектора; 7 - угол между направлением потока и силой тяжести; Р , г4, , силы и моменты вязкого сопротивления; Ая, в!; ср - коэффициенты аппроксимации поля скоростей около коллектора в условиях стесненного движения жидкости.

Адгезионная N. = Q /(9m r\U),

Aa Г м Q л

химмотологическая NDL=

-pM)g/(9M-MU) группы отсева

явля-

(12тф_ми) и гравитационная ИвА= 2гл(ра ются соответственно отношением вандерваальсовых, электрокинетических двойного слоя и гравитационной сил к силе вязкого сопротивления. В приведенных соотношениях ра, рм- плотность ДФ и жидкости; р. - вязкость масла; а - постоянная Гамакера; £к, поверхностные потенциалы коллектора и частицы; кд- обратная длине Дебая-Хаккеля величина; е - диэлектрическая проницаемость ММ; электрокинетический ) и двойного слоя Есг_= кцГд симплексы.

Вязкостше эффекты при движении частиц оценены посредством суперпозиции ранее найденных частных решений. Компоненты скорости получены по Тихи и Раджагопалану аппроксимацией линейного и параболического-полей сдвигового течения, а также поля осесимметричного заторможенного потока. Использованы функции тока Хаппеля, Кувабары и Спилмана, моде-фицировашше нами для возмущенного обтекания коллектора.

Стационарное отфильтрование частиц порами в форме капилляров описано посредством многомерной плотности вероятности т^г.ср^):

ö(u rw) ö(u w) в (u w) --Г- + Ч> ... + __L_

rär

В этом случае выходе имеет вид:

гдср

ÖZ

D д

г

г<Эг

дЩ дг

D Ö2W

Ö2W

+ D

-Rß-rd-0;

W z-o=1

(7)

эффективность очистки через поток вероятности на

2%

Ь Л

I rdrd(P

~d ф

27t

Vd

где R„, h

D

| Jiuw^.^dracp (8)

радиус и длина капилляра.

При иллюстрации на основе уравнений (3)-(6) возможностей СМ фильтрования в зависимости Фаф(?а) (рис. 3) выявлен минимум, обусловленный разными соотношениями между NAd и вязкостными эффектами по мере роста ?d, что подтверждается данными Раджагопалана. Отмечена хорошая сходимость результатов моделирования по СМ с данными эксперимента. В расчетах эффективности фильтрования масла целесообразен учет торможения частиц вследствие действия пристенных эффектов. Анализ влияния химмото-логической группы на адгезионный захват частиц показал ухудшение отсева при увеличении концентрации диспергирующе-стабилизирующих присадок и понижении содержания в масле асфальто-смолистых веществ (АСВ).

Эффективность ячеистой модели

Проверка адекватности волокнисто-решетчатой моделиАетканых ©Л .

0,8

Ц6

ОА

(¡2

/У / о о

/ // // /7 ¡/

X \ ^ // У --я« эл Рс ---рс зультат сперимен чечет по чечет по м па; 'II), (13); Ю)

N ГЧ; N.

/ //

О 10 20 30 АО Ы) пкм

(¡¿5 075 / 1,25 вуд,мУг

Общим в ячеистой и капиллярной моделях для полипоровых структур является расчет обобщенного фракционного коэффициента и полноты отсева:

V -' (9) Фф= k/(d)dd, (10)

г шах О

|cn/(D)d» ь .

min

где /(о) и F(d) - дифференциальные функции распределения характерного (определяющего) размера v пор ФМ и d частиц.

Для волокнисто-решетчатой лоделиФМ, поровая структура которых задана двумерными распределениями /(а,ь), обобщенный фракциошшй коэффициент отсева рационально рассчитывать двойным интегрированием:

Ikfab/^Vía.b)/, (g)dadb

F

JJanab"b/(a,b)/1 (g)dadb

Ф, = —-. (II)

~d ф n r»

Показатель степени при определяющем размере поры составляет

2...4 и зависит от ее формы, характера течения, вида фильтрования.

Фракционный отсев ДФ многослойными фильтровальными структурами находили через <р отдельных слоев:

п

Ф = 1 - nC(1-cpdl). (12)

* i-i '

Волокнисто-решетчатая модель фильтрования наиболее действенна для волокнистых нетканых ФМ. Причем характеристикой распределения является свободная длина волокон между точками касания в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В работе изложена методика идентификации многослойных фильтровальных перегородок и перехода от волокнисто-решетчатой схемы формализации их строения к структурно-капиллярной.

Для инженерных расчетов предложена детерминированная лоделъ (ДМ) фильтрования. В ней путем синтеза основных задерживающих механизмов через обобщенную вероятностную характеристику очистки - безразлернух» координату отсева - достигнута универсальность описания отфильтрования ДФ, что позволяет идентификацией зоны осаждения порового пространства и.гидродинамической обстановки раскрыть возможности любых структур при разделении технических суспензий. Математические выражения для ф и Фф унифицированы представлением их интегралами по контуру поры и зоны

отсева. Индивидуальность ФМ проявлялась через форму фильтровального канала, поле скоростей дисперсионной среды в нем, закон распределения и частиц загрязнения по размерам.

Фракционный коэффициент отсева для ФМ,состоящего из монокапилляров с одинаковой формой сечения канала, выражали посредством отношения потоков через зону отсева 34 и пору формы Б:

Ф- = 1 -

JJu(x,y)dx4y

___(13)

JJ-U(x,y)dxdy

Универсальная зависимость для оценки зоны отсева через обобщенную координату е имеет вид:

С047

ed= [1-ехр(-р )](1+ФзЬ)еХр(-|те)[1 - ехр(-Ке 23)х

h

• d)°'e'i7 Ф x(f-1)] + ехр[-КеТ^з(|-1)], (14

п

Ф

где коэффициент формы частиц; безразмерная в долях v толщине ФМ; фзг- коэффициент инерционного осаждения; Ке~ коэффициент, учитывающий индивидуальные свойства системы "структура (материала)'- загрязнитель - фильтрование" (СЗФ).

Показатель ре характеризует обобщенную координату отсева мелкодисперсной фазы загрязнений, 7 - влияние относительного размера частиц загрязнителя на ed.

В результате обработки экспериментальных данных получены выражения

0,145 п О,621

217К 0,985 а

Ре=-^-=-2-;

Pc в 0,614 С

1,12 ф1,32 ьфа 0,981

0,405 С g Пе

1 ,56(pd 0,941 1 ,54 2,41 ф

_0,227 П л •

h 0,936 5,38 ф ф

Факторы, входящие в эти уравнения, учитывают специфику системы СЗЗ и представляют: Re^- критерий Рейнольдса; а - адгезионные свойства ФМ; gb- относительное зарастание пор; СА, П - концентрацию в масле АОВ v присадок (в активной форме).

На основе зависимостей (9)-(14) получены расчетные схемы определения обобщенных фракционного коэффициента и полноты отсева для ФМ с

любой формой фильтрования канала, разных одно- и двумерных распределений пор и диаметров частиц ДФ по размерам. Адекватность расчетных моделей проверена современными экспериментальными методами и подтверждена стохастической обработкой данных по ^-критерию и критерию Вилькок-сона. Среднее квадратическое отклонение экспериментальных значений ф и фф от расчетных не превышало 16 % (рис. 4).

Кинетические ходели фильтрования идентифицируют процесс формирования осадка в микроячейках (капиллярах) материала и влияние его структуры на гидродинамику порового штока и основные задерживающие меха-1шзмы, совокупное действие которых учитывается в зависимости от диаметров частиц и.капилляров.Впервые дано математическое описание уменьшения размеров и блокировки пор при многослойном фильтровании с представлением распределения их по размерам, изменения дисперсного состава загрязнителя по ходу потока в ФМ и интенсивности образования осадка в активной и пассивной зонах осаждения.

Научный результат обусловлен нацеленностью разработок на оценку качества и управление эффективностью разделения многофазных гетерогенных систем. Модели позволяют решать обратную задачу - осуществлять подбор структуры ФМ, условий и режимов фильтрования для интенсификации очистки, выборочного мопо- и поликомпонентного разделения. Рос.т эффективности очистки достигается управлением системой СЗФ, обусловлен увеличением продолжительности фильтрования с образованием осадка и уменьшением закупоривания пор частицами, что способствует повышению грязеем-кости ФМ и удлинению срока службы ФЭ. При этом возможности каждого слоя в объемных материалах используются полностью.

ПОСТАНОВКА И РЕШЕНИЕ МНОГОМЕРНЫХ СТОХАСТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ В СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

Приведена общая схема постановки и реализации лноголершх ■ задач центрифугирования при любом числе действующих на ДФ детерминированных и случайных факторов. Показаны способы формирования начальных и граничных условий для очистителей разного конструктивного исполнения. Путем идентификации потоков в ЦО с использованием представлений и аппарата случайных марковских процессов разработаны новые СМ центробежной очистки многофазных гетерогенных систем с полидисперсным загрязнителем, характерных для работающих в ДВС ММ. Модели позволяют синтезировать МОК высокой эффективности для условий интенсивных случайных воздействий на ДФ рабочих сред СДЭУ в эксплуатации.

Стесненное осаждение частиц в цилиндрическом роторе центрифуги с учетом действия на ДФ силы Кориолиса и без него целесообразно рассчитывать по уравнению:

дч< <Эт

д

дг

(1+е )о)

1 +

Р е

гЭф

.2 .2

Р,

Ра (1+е )

2 2 ш й

Ъ

гW +

гдг

(16)

где рэф- эффективная плотность ДФ; ш - угловая скорость вращения ротора ЦО; ьг- удельная интенсивность случайного воздействия в направлении координаты г; е = р ий2/9к к и.- соотношение сил Кориолиса и вя-

' ф с

зкого трения частицы; г - время процесса; вающие влияние формы и концентрации частиц на их осаждение

к , кс- коэффициенты, учиты-

Решение уравнения (15) должно быть согласовано с начальными и гра-

+

ничными условиями: г,О) = 1 / (И,

го> =

при

г = г0; V = 0 при г = и , что соответствует отражению частиц от колонки и полному их связыванию при достижении стенки ротора.

Фракционный коэффициент отсева находили путем расчета безразмерной (относительной) концентрации частиц диаметром а на выходе из ротора:

срйи = I - / №(г,Ч)с1г. ' (16)

го

Процесс разделения в ЦО с радиалъно-осевыл сливол (рис. 5), а также в гидроцшионах (ГЦ) (рис. 6) усложнен наличием радиальной скорости потока. Кроме того, в этих аппаратах из-за путевого отбора фугата осевая скорость потока зависит от координаты и. ■ Выражения для и иг центрифугируемой жидкости получены в итоге решения уравнения Лапласа для потенциала скорости. Исследовано движение суспензии в очистителях разного конструктивного исполнения.

Для рассматриваемого ЦО №(г,а,т;) дифференциального уравнения:

дг/ д

можно найти посредством решения

У/

<Эх

Эг

г а

т ь

+ - —

г 2 дг

(17)

с коэффициентами:

Тг=

а и2

Г ц

-тт и гп)

а + а =

2 2 р (О (Г

гэф_

где о , а - радиальный и осевой потоки жидкости в ЦО.

1

Расчетная схема центрифуги с комбинированным сливом

Чг

Ттп&У

Граничные условия, указывающие на отсутствие радиального перемещения частиц при достижении зоны противотока (г = г0), а также стенки аппарата (г = т^) и определяющие их унос соответственно с радиальным сливом и из центрифугируемой жидкости, записаны в виде:

№(г0,т) = №(Ец,х) = 0.

За начальное условие при т

О принимали: 2г

\У(г,0) = (г) =

Коэффициент уноса

г>2 2'

V г0

с осевым сливом определяли по преобразован-

ному выражению (16). Долю частиц, уносимую с потоком 0г, и полный фракционный коэффициент отсева <р центрифуги находили как поток вероятности через внутреннюю и наружную обечайки ротора:

-(а ,г

г с!

7 Ъ д Ю

г 2 дг

й"с

--В

(18)

Коэффициент ъ вычисляли через интенсивность случайных воздействий

О , 52

6,5х10"16 V

н и,

^ с0'37.

Я.)

(19)

Исследование аппаратов со сложной гидродинамикой электродиффузионным методом позволило уточнить локальные значения тангенциальной, радиальной и осевой скоростей в объеме ГЦ и ротора ЦО с комбинированным сливом. Точная идентификация скоростей в функции от г и г дала возможность составить и решить наиболее полную ввулерпую стохастическую задачу гидроцинлонировакия и разработать методику расчета их эффективности .

Уравнение Холмогорова - Фоккера - Планка для напорного конического циклона (см. рис. 6) имеет вид:

<эи в

дч дг

УГ

0(У УО ъ + -2

<Э2№

ъ е2№

где а.

2 2 Р а

-. 7 = А

18КфКсИм * "

ч0,94, т .0,35

дъ

- 0,014

И = 2,6

2 дг 2 дг А = Н V

(20)

120 *

.211.

О , 62

0,23 И 0,76

^29) (1--1вв) П

ГЛ

V = 2,8

(ргО

l■г»J

И

(1

г о , 85

-^9) V

И в

ь в направлении г

у

Оц, <ан- выход фугата и концентрата соответственно через сливное йа и разгрузочное йн отверстия; к - скорость потока в питающем патрубке.

Показатель А2 и радиус иг характеризуют координаты участка и уровень стабилизации и в зависимости от г, постоянная 7г- радиальный снос частиц. Граничные условия, определяющие унос частиц из ГЦ,' представлены в виде УУ(г.т) = О при г = г0 и и

V

Начальное усло-

вие для аппаратов этого типа в случае двумерной задачи то же,что и для центрифуг. Подвитость частиц в ГЦ рассчитывали через ьгна основе уточненной зависимости для ъ"0г. Этот ответственный за подвижность частиц квазидиффузиошшй параметр находили методами корреляционного анализа в зависимости от гидродинамических и конструктивных параметров ЦО, • концентрации частиц С:

Ь0г= 4,6x10

Я.

0,71

^26)

0,28

13,6.

О, 72

Унос частиц с осветленным продуктом Для установившегося процесса гидроциклошрования определяли по формуле:

г.

1

еав =

Сои

\У +

дг

йг.

г-г.

Подтверждена гипотеза о тонкослойном течении жидкости в цилиндрических роторах при радиальной подаче ее через внутреннюю обечайку. Показаны возможности такой конструкции и пути управления эффективностью ЦО в зависимости от ее назначения. Разработанная универсальная СМ центрифугирования позволяет учитывать влияние тонкослойного течения и профиля осевой скорости потока на качество очистки и рассчитывать ее эффективность с большой точностью.

Для стационарного режима центрифугирования в многомерном пространстве плотность вероятности г.г.а.х) находили решением уравнения:

а (и иг) а (и <я)

а(иЛ№) эа

в

дг

п> 2 а«" в + — аг гь дщ г д + — эа ГЬ„ дщ а

.2 дъ. .2 Эг. .2 5(1.

.(21)

дт, дг

Расчетная схема на основе уравнения (21) может быть использована при любых эпюрах осевой и и радиальной иг скорости жидкости в роторе, при сложной зависимости скорости иг, и. частиц от координат ъ, г и <1, диспергировании и флоккуляцшг ДФ под действием внешних возмущений де-термшшрованного и4 и случайного ьа характера. С помощью (21) возможно численное исследование разделительных процессов в аппаратах со струйным и тонкослойным течением жидкости.

г

Для численного решения (21) начальные условия для тонко- и толстослойного центрифугирования имеют вид:

V/ = у? =

Г(й)

"0= п2

Р(<1)г

го

При струйном поверхностном течении жидкости в аппарате очистки предполагали сосредоточение частиц по фронту подвижного слоя. Граничные условия по другим координатам, например г, являют собой равенство нулю потока или плотности вероятности в зависимости от того, отражает или поглощает частицы фазовая поверхность- с заданными координатами. Условия по а представляли ограничением перетекания частицы за пределы указанной зоны (О, йтлх) фазового пространства:

-и. Я +

а

ь. дщ

а

г аа.

= о.

Й-О д -шах

(22)

Для нахождения локальных фракционных коэффициентов и полноты отсева с учетом начальных условий и дрейфа й получены зависимости:

0+0

а

ЯЧ

го

<1 я

тах ц

.¿Г

О

I ЯИ|2-н<1гй<1 .

П ■ II

и,

Я^х-О«*

У4 1

Цг ша.х ц

I Я*|»-0

йгай

•а ц

"Л

>

Р(й)

= 1С(|£-Г* )

V-(о+а„>"

(о+о.)"

ь а/л

-и V/ +

г дг

йг;

н

шах и.

-и V/ +

Ьг лп—о

> «Зг/г-И

Движение жидкости и частиц в межтарельчатом пространстве сепаратора центробежного (ЦС) рассмотрели в биконической системе координат .(рис. 7). Идентификацию сепарирования выполнили при ряде упрощений и линеаризации системы уравнений динамики вязкой жидкости в поле центробежных сил. Преобразование позволило свести исследование межтарельчатых потоков к классическим задачам и воспользоваться хорошо разработанным аппаратом аналитических функций. На базе линейной теории тонкослойных потоков с применением специальных функций и учетом профиля меридиональной скорости проанализировали осаждение частиц в межтарельчатом пространстве ЦС.

Межтарельчатое простшнство сепаратора в биконической системе координат

Рис. 7

Эффективность сепарирования по стохастической и детерминированной моделям

À У

< // f г

/ /7

/ //

/у ' V ; /о -- 3 р ---р езультаг ксперипен а счет по 7счет по 1Ы та-, СМ (23); дм i

О 0,2 0,4 О,S 0,3 -1JB d/d, Рис. 8

Стохастическую краевую задачу сепарирования многофазных ДС записали на основе уравнения (2) и условия (22):

Э(иЛ) а (и IV) Э(и,И) Ъ в2щ ь а2\7 ь, а2\у

_ _ _ х _ у _ а 4 _ _у_ _ ар __

дх дх Зу аа 2 дх2 2 ау2 2 дй2'

ь ач? рса.)

Я = О при у=ОиС--иИ + — — = 0 при у = ь ; У?_ = -.

у у г бу Ис

Для практических расчетов допустимо принять ь = 0, а ь определять

X у

(23)

через Ь0у:

, . л -- 1 9, О , 35

Ь0у= 1,62x10 X

|/ях в!па

Г ° ШЛХ

ч0 , 25 и2 Г

О ,74

где и0-' характерная, скорость движения потока; гср- средний радиус тарелок; Л.=Ъ-С - безразмерный параметр, от которого зависит эпюра меридиональной м и окружной скорости потока в межтарельчатом зазоре сепаратора.

Интенсивность случайных воздействий на ДС, в результате которых происходит диспергирование и агрегатирование частиц ДФ, предлагаем определять посредством ъар по формуле:

0,62

0,24

ЪЛр= 1,24x10 "АСАЛ

ех в та

° т&х

,2 .,0,41 Ц) Г _ср

I в

0,18 О,

где Ас зависит от конструктивных особенностей СЦ, А - от прочности адгезионного сцеплегая частиц в мицеллах; та, <1^ - средний и критический размер ДФ.

Эффективность сепарирования оценивали через относительную концентрацию частиц диаметра й и всех на выходе из межтарельчатого зазора аппарата: ь

и„(х,у)

V?

т 1 п

йу

фд,=1 -

ф= 1

а. ь

та-х с

1 1*4

У)

УУ

(24)

(25)

о о

Оценка эффективности сепарирования (рис. 8) выполнена на ЭВМ ЕС-1060 по уравнению (23) и зависимости (24). Сопоставление стохастического и детерминированного подходов к оценке эффективности сепарирования при X = 3...6 указывает на преимущество СМ.

О . 82

Упрощенные одно- и двумерные стохастические задачи разделения решали методом Фаэдо - Галеркина. Использование его оправданно только в случае однородных краевых условий и ограничено возможностью подбора полной системы удовлетворяющих им функций. Универсальной конечно-разностной схемой численного решения задач центрифугирования следует считать метод переменных направлений с центральными разностями и расщеплением стохастического дифференциального уравнения по координатам г и й. Для расчета систем с неустойчивой ДФ оптимален метод контрольного объема, так как позволяет соблюсти баланс вероятности в условиях отфу-гования загрязнений с- изменяющимся дисперсным составом. Большинство краевых задач центрифугирования рационально решать прогонкой с- аппроксимацией "против потока", устойчивой независимо от соотношения конвективных и диффузионных членов уравнения Колмогорова - Фоккера - Планка.

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГОХИММОТОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЭТМО НА ОСНОВЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА

В работе идентификацией скорости и триботехнических свойств продуктов загрязнения ММ исследован массообмен в СС ДВС. _ Учтены перемен--ный дисперсный и фракционный состав ДФ, противоположное по мере накопления отложений в МО влияние на баланс НРП в масле разных по принципу действия и кинетике очистки агрегатов КМОК. Процесс идентифицировали, составив и решив дифференциальные уравнения приращения массы, изменения дисперсности загрязнений в ММ:

к

¿0 1

- (а - <з к с + а.о

йт

бт. 1

а

во

2д<рк°>'

ах

- Оу(1-Ку)тл+ <Зв f -

О с»

к -I

(10, 1

'а

йх 200ол

— (с12-<12- 2 т т +2т2 ) + а.^(й2-(12 -

р а ¿а й л Од О

(26)

- 2т т^) + ^ О^-ф^С^-гт^т^т2) к= 1

где' ас,-о , св- скорость загрязнения, угара и долива ММ; о0- масса масла в СС; С, С - содержание примесей в работающем и доливаемом ММ;

та, ал- математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение концентрации НТО; о^.Ф^— пропускная способность и полнота отсева к-то МО; к - относительная доля примесей, угорающих с маслом. Индексы а, в, -к относятся соответственно к продуктам загрязнения, поступающим извне, находящимся в доливаемом масле и фильтрате (фугате).

Вследствие невозможности решить систему (26) в аналитическом виде использовали численные методы. Найдены упрощенные зависимости для расчета кинетики накопления НРП в масле СС двигателя с разными режимами долива. Они пригодны для большинства эксплуатируемых ДВС и могут быть использованы при проектировании СС и оценке эффективности СОМ.

Планирование и обработку эксперимента при исследовании системы ДЭТМО на моторных стендах и на судах осуществляли по трехступенчатой схеме. Научно обоснованы граничные условия и планы опытов. Доказана возможность й целесообразность аппроксимации результатов испытаний показательно-степенными позиномами. Для расширения границ действия моделей применялось масштабирование. В результате получено регрессионное уравнение для скорости загрязнения масла судовых дизелей НРП:

л Ь 3,303 -1,044 1,065 -0,5928 Т

°уа= 15Э4Ад1.045 м*м йц пКв ртг 1,688 х "

К ф Г МО,6823 -1,45 'к

хО,491 ™8,362 7,153 0,6844 °г»сс Кр 0.5189 • (27)

Исследовано влияние на удельную, приходящуюся на единицу- мощности двигателя скорость загрязнения ММ НРП аув (¡^Гц) форсировки рт<, технического состояния и, режима работы к , Кв, диаметра цилиндра йц и частоты вращения пКв двигателя. Установлено, что ауд значительно зависит от качества топлива, особенно его фракционного Ф и группового Г-состава, эффективности систем топливо- и маслоиспользования к . , уде-

Т М

льной вместимости СС исс, температуры 1; и свойств М0 масла'. Изучено влияние смесеобразования Ад ДВС на процесс загрязнения ММ.

Износные свойства НРП ММ определяли в лаборатории на машине, имитирующей работу основных пар трения ДВС. Функцию отклика Ч1г представляли в безразмерном виде позиномом:

л 3 0,11 0,0511 И 0,2585 0,3117 0,3288 Т

У?г = 0,402x7,196 Ф 1,091 К t 1,126. (28)

т м р п

В результате оценки триботехнических характеристик НРП выявлено, что абразивность последних зависит от качества масла М , твердости и размеров частиц загрязнения. Согласно (28), на Иг большое влияние оказывают продукты сжигания тяжелых топлив и срабатывания присадок, идентифицируемые зольностью Зт и Ф топлива, содержанием Бт в нем серы. На

процессах карбонизации, коксования и термокрекинга углеводородов в цилиндре ДВС существенно сказываются нагрузка qм (тепловая) на зеркало цилиндра (масляную пленку), тепловое состояние ^ поршня и другие факторы .

Дисперсный состав НРП в ДВС формируется в результате сложного теплового, механического и химмотологического воздействия на ДФ, описыва-мого системой стохастических уравнений. Стационарное решение одного из них с использованием гамма-функции Г приводит к распределению:

Поступающие из цилиндра' и образующиеся в картере дизеля НРП могут быть аппроксимированы распределением Вейбулла и Розен - Ромлера через соотношение детерминированных кл и случайных Ър4 воздействий на ДФ при использовании ММ в СС, а также уровень стабилизирующе-даспергиругацих свойств его, определяющих с1азр агрегатирования частиц. Результаты расчета обобщены в виде регрессионных уравнений дисперсных характеристик загрязнения тйа и оаа в зависимости от качества применяемых ГСМ, технического уровня, форсировки и режимов двигателя.

Расчет МДО в СС судового дизеля с комбинированной СОМ на основе уравнений (26) и (27) с применением СМ фильтрования и центрифугирования показал хорошее соответствие расчетных и экспериментальных данных по с, тй, накоплению НРП в фильтре и центрифуге. Расчеты выполнены с учетом кинетики старения и загрязнения масла. Принципиальное отличие разработанного подхода к моделированию МДО в СС двигателя от существующих заключается в учете переменных загрязнения1 и эффективности очистки масла в зависимости от состава и состояния-системы ДЭТМО. Массооб-мен и абразивность НРП в СС исследовали во взаимосвязи со старением ММ по разным направлениям и качеством применяемых ГСМ.

Взаимодействие ДФ с параш трения ДВС рассмотрено с учетом МДО, что дает возможность прогнозировать работоспособность СС, долговечность трибосопряжений и оценивать эффективность функционирования ДЭТМО. Илитационное лоделировалие изнашивания ДВС позволило исследовать систему, полная математическая формулировка функционирования которой невозможна вследствие случайного характера связей. Толщину рабочего слоя смазки и находили из условия динамического равновесия поршневого ко-

Р (4) = и

а СТ

льца под действием газа, упругости кольца и гидродинамического давления масла. При расчете относительного движения вала в нестационарно нагруженном подшипнике рассматривали его мгновенное равновесное положение под влиянием главного вектора внешних сил, приложенных к центру вала, и уравновешивающей его гидродинамической реакции смазки'.

Условия перехода от одного вида изнашивания к другому задавали Ьм, глубиной внедрения Ь1(2) и свойствами ДФ. Полагали, что при достижении абразивной частицей критической глубины внедрения пластическое оттеснение переходит в микрорезание. Управление моделью осуществляли посредством пХ1(2) и задания предела гидродинамической смазки, при котором наблюдается контактное изнашивание.

Суммируя повреждения, наносимые абразивными частицами разных диаметров и твердости за рабочий цикл ДВС т , получили формулу для расчета объемного износа поршневого кольца: ,

где высота кольца;- о - разрушающее частицу напряжение; пХ1(2)-'

число циклов нагружения, приводящего к отделению металла -при многократных пластических деформациях (в случае микрорезания пГ1(2,= I); иа- скорость движения абразивной частицы.

При определении <2,цилиндровой втулки рассматривали воздействие на нее всех поршневых колец. Найдено также выражение для расчета изнашивания деталей, кривошипно-шатунного механизма. В каждом цикле моделировали случайные сочетания главных факторов, поэтому скорость изнашивания интерпретировали как вероятностную характеристику. Полный закон распределения И (2, реализовали при достаточно большом числе циклов моделирования. При этом использовали метод статистических испытаний.

Новизна ИМ изнашивания заключается в идентификации основных его видов и, что особенно важно, триботехнического взаимодействия абразивной ДФ и деталей трения с учетом кинетики загрязнения и старения ММ по основным направлениям, а также эффективности его очистки. Работоспособность ИМ изнашивания (29) проверена на двигателе 2410,5/13 (рис.9 и 10) и в эксплуатации на судах при использовании в дизелях последних моделей топлив глубокой переработки нефти. Соответствие расчетных и экспериментальных данных хорошее.

Взаимодействие звеньев ДЭТМО и эффективность этой системы в целом исследовали по различным критериям, в том числе экономическому. В экс-

«.,,.= 6с1 к^с

т1 ( 2 ) ц Тс

■а

Р(а ,й)с1тс1о <и

(29)

Несущая толщина масляного слоя для компрессионного кольца и изнашивание цилиндровой втулки судового дизеля

15

10

5

О 180 360 540 ¿.,°пн5.

Рис. 9

Зависимость изнашивания поршневых колец и вкладышей подшипников ДВС от абразивности НРП

//;/„ 250 200 150

1000,25 0,75 1,25 1,75 WZ

Рис. 10

периментальном плане ее функционирование обобщено посредством Э с использованием зависимости И и Тф (ДЭТМО):

О , 263

-О,0825

0,0418 Т к О,38

И=205КД 0.607 У0,761 вУ/г

100а 1 с

О К

У у

0,8091

ц

Х1,61°Ф-

-О,134

22,7К V

фэ ф

0,818

Ч, АО,95

р г р Л

ГА 1 гд

0 , 95 0 , 95

ехр —

Ъ Ь

^ д " л '

1 , 1

1-0,0281Оц х

; (30)

-0,11

т =36,6К

Ф д

0,0717

1,19

1,39-0,892

О , 367

1+0,192Ои

2,82 ф

- О, 15 5

У/г

0,215

1 ооа

а к

У У

■О,156

К "О,0822 0,137 м °-931 СЧ V 1 ,38 ¿д_ 95

(31 )

В итоге моделирования обобщены данные влияния на И и Тф технического уровня Т , форсировки к ' и режима к„ дизеля, параметра ё СО,

У Д О с с

качества М^ Мьс, У?г применяемых ГСМ: Условия эксплуатации, определяющие интенсивность старения ММ, заданы симплексом 100ас/(<2уКу), КМОК представлен конструктивно-эксплуатационными характеристиками: КС0.Кфэ. Чр' 0ц/0ф' °ц" Ло 95- Расшифровка и нормирование факторов приведены в диссертации. Параметры масштаба и формы рд в зависимости И от номинальной тонкости отсева ¿0 95 полнопогочного фильтра выражены в функции от параметров СОМ.

Модели фильтрования и центрифугирования трансформированы для расчета очистителей и режимов их обслуживания. Состав МОК оптимизирован по экономическому критерию на базе уравнений (30) и (31).По ним исследовано функционирование системы ДЭТМО различного уровня с учетом перспективы ухудшения качества топлива и улучшения моторных свойств масел.

с о

КОМПЛЕКСНОЕ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ МАСЛА В СУДОВЫХ две

Системность исследования звена "очистка" в составе ДЭТМО позволила достичь наибольшего эффекта при конвертировании ДВС на низкосортные топлива. Комплексность повышения результативности тонкой очистки ММ в СДЭУ заключалась в разработке новых научно-технических решений по ФМ, ФЭ и КМОК совместно с совершенствованием ММ, СС и других звеньев системы ДЭТМО. Увеличена эффективность не только очистки, как наиболее

рационального'метода стабилизации физико-химических и моторных свойств ММ с присадками и защиты двигателя от абразивного изнашивания, но и регенерации, удлиняющей срок службы между чистками и уменьшающей трудоемкость обслуживания СОФ.

Повышение эффективности СОМ и в целом ДЭТМО на базе систелного подхода обосновано с использованием принципа максимума - основного метода неклассического вариационного исчисления . С помощью последнего задача оптимизации МОК сведена к интегрированию систем уравнений с двухточечными граничными условиями. Алгоритм решения сформулированной при этом краевой задачи построен на сочетании методов многократной пристрелки и вариации параметра. Режимы работы МО оптимизированы с применением системы дифференциальных уравнений (26), описывающих кинетику МДО нерастворимых загрязнений в СС ДВС. Особенности уравнений позволили оптимизацию осуществить минимизацией функционала. Для этого по дифференциальным уравнениям и вспомогательным переменным в соответствии с общей схемой решения задачи управления составили гамильтониан быстродействия и из условия.максимума определили способы повышения эффективности СОМ. Систему нелинейных алгебраических уравнений решали методом Ньютона. Элементы матрицы Якоби вычисляли путем аппроксимации производных на основе■конечных разностей.

Решение проблемы высокоэффективной очистки ММ состоит в разработке научных основ и принципов автоматизированной и колбинированной очистки мела в ДВС. Процесс регенерации идентифицирован как стохастический и рассмотрен во взаимодействии с фильтрованием и МДО загрязнений в СС. При этом учтены диспергирующе-стабилизирующие свойства ДС, реологические и адгезионные характеристики отложений на ФЭ. Гидродинамическое воздействие на частицы, вызывающе разблокирование пор, взвешивание и унос ДФ из капилляров, определено по балансу массовых, гидродинамических и адгезионных сил с учетом вероятностной природы осаждения и раз-мещешш частиц в ложе, а также пульсаций промывного потока.

Моделирование позволило выявить основные факторы, влияющие на регенерацию, и возможности управления этим процессом. Результаты его универсальны и пригодны для описания промывки ФЭ при разных законах фильтровать в широком диапазоне адгезионных свойств ДФ и заполнения пор отложениями. Уравнение Колмогорова - Фоккера - Планка для процесса регенерации имеет вид выражения (7), но с другими начальными и краевыми условиями в связи с наличием отложений в поре и расчетом уноса ДФ. Коэффициент регенерации срре (по массе) определяли через отношение вымываемой ДФ к отфильтрованной путем интегрирования выражения для потока вероятности в направлении координаты г.

С помощью методов нулевых размерностей и интегральных аналогов получены критериальные уравнения, описывающие рабочие процессы в СОФ.Результаты экспериментов обобщены уравнением:

фр= 1 - ехр

ГИе 1 о 23 0,25 0,20 0,18

р Ф К 1

Ие <р Р Ф фэ

ГФ ст 1 ф 0 , 072 А> , 9 5 0 , 26

1 р 1 тй

(32)

Функциональное выражение (32) позволяет рассчитать коэффициент фр (гидравлический) СОФ в зависимости от интенсивности Лер и продолжительности тр промывки обратным потоком, от особенностей конструкции ФЭ I , блокировки пор отложениями, их адгезионной активности и уплотнения Ф , размера пор А0 95 и частиц шЛ, специфики структуры и регенери-руемости Кф сеток, а также процесса фильтрования ффСтф. Модель трансформирована для расчета периодичности обслуживания СОФ. Сравнение эффективности регенерации по разным моделям с экспериментальными данными показало их адекватность и превосходство стохастического подхода к расчету фр^.

Созданная теория фильтрования и регенерации использована для проектирования и расчета параметров СОФ. На ее основе разработаны принципы конструирования и повышения эффективности СОМ ММ:

- учет взаимосвязи процессов фильтрования и регенерации при обосновании алгоритма промывки и типа РУ, разработке ФМ, ФЭ и в целом СОФ с высокими регенерируемостыо и очистительной способностью;

- максимальное ослабление грязевой нагрузки на ФЭ СОФ от действия мелкодисперсных загрязнений и наибольшее увеличение ее при отсеве крупнодисперсных примесей избирательным фильтрованием с образованием осадка на поверхности материала за счет комбинированной очистки ММ, выбора рационального соотношения размеров пор и частиц ДФ, гидродинамических режимов фильтрования и регенерации;

- использование в качестве промывной жидкости фильтруемого масла и комбинированное воздействие на отложения для их эффективного удаления.

На базе модели (13) и критериев кс, к , Кф<1 созданы тканые ФМ прямого и обратного полотняного переплетения типа ПК и ОПВ. Разработашше ФС с внутренним задерживающим участком (ОПВ) рассчитаны на тяжелые условия работы, для которых характерны высокие адгезия и дисперсность загрязнений и низкая фильтруемость осадка. Сетки ПН обладают максимальной задерживающей способностью и предназначены для отфильтрования грубодисперсных примесей.

В результате моделирования поровых структур ФС определены пути интенсификации фильтрования ММ и улучшения itx функциональных свойств. На базе кинетической волокнисто-решетчатой модели фильтрования обоснованы синтетические ФМ многоцелевого назначения с переменной структурой ' и пористостью по толщине. Определены условия, когда возможности каждого слоя используются полно. Численными методами промоделирована структура этих материалов и сформулированы законы, по которым она должна изменяться по толщине для достижения наибольшего эффекта при фильтровании ММ с разной дисперсностью загрязнителя.

Разработаны базовые модификации и типоразмерные ряды унифицирован^ ных конструкций самоочищающихся МО СОФД и ФМС соответственно для тяжелых (Ф = 0,4.».0,7) и легких (Ф = 0.7...I) условий работы. По основным показателям эти фильтры превосходят зарубежные СОФ. При тонкости отсева 30...50 мкм их пропускная способность составляет 30...600 м3/ч, ресурс работы между разборками и химической чисткой - 3...6 тыс.ч, трудоемкость обслуживания - 0,5...4 jqqj-^ • МО прошли межведомственные испытания и рекомендованы для СС современных форсированных дизелей средней и высокой мощности. Моторными испытаниями доказана высокая результативность AMOK, включающих СОФД и СЦС или ФМС и ФМЦН, для автоматизированных СДЭУ. По трудоемкости и периодичности обслуживания они эффективнее фильтра масляного полнопоточного (ФМП) и комбинации СОФ БМЗ с ЦС в 2-5 раз. Автономность работы СОФ нового поколения, как показал эксперимент на судах, повышена до 4...8 тыс.ч.

В результате моделирования систем тонкой полнопоточной и комбинированной очистки ММ созданы:

- перспективные схемы включения МОК в СС ДВС (а.с.948179, I20I537, 13300335);

- новые конструкции очистительных комплексов, центрифуг, фильтров с повышенными пропускной и задерживающей способностями (а.с. I04II28, II582I4, 1228878, 1242240, 1443933, 1452546);

- ФЭ и ФМ с оптимизированной структурой и параметрами, избирательным отсевом, высокой грязеемкостью и длительным сроком службы (а.с. 647002, 808100, I00I97I, I0IH70, 1084045, 1242207).

Разработанные КМОК обеспечивают.одновременно защиту ДВС от абразивного изнашивания, минимальный расход ФЭ и большой срок службы ММ за счет длительного полнопоточного, без перепуска мимо ФМП, фильтрования его в широком диапазоне температурных режимов СС и скоростных дизеля и глубокой очистки.от тонкодиспергированных примесей центрифугированием или частичнопоточным фильтрованием. Для судовых с высоким наддувом дизелей, использующих низкосортные топлива, разработанная КСТОМ повышен-

ной эффективности по сравнению с распространенными системами за счет глубокой очистки ММ от продуктов, катализирующих его окисление и интенсифицирующих срабатывание присадок, в 1,2-1,7 раза замедляет старение масла, увеличивает в 1,5-4 раза срок его службы и стабилизирует угар в течение 8...12 тыс.ч на уровне 1,2...1,6 уменьшает изна-

шивание основных деталей ДВС в 1,3-2,4 раза, нагаро- и лакообразование на 30...50 %. Технико-экономическое обоснование комплексного повышения эффективности СОМ и в целом СС судовых дизелей при конвертировании их на низкосортные топлива, выполненное по результатам длительных эксплуатационных испытаний, показало, что только за счет применения новых КМОК может быть получен годовой экономический эффект в ценах 1990 г. 1,5-68 тыс. руб. на двигатель.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате исследований осуществлено системное решение актуальной для морского флота, имеющей важное народнохозяйственное значение научной проблемы эффективной очистки ММ в судовых дизелях при конвертировании их на альтернативные и глубокой переработки нефти топлива,что обеспечивает экономию топливно-энергетических ресурсов на транспорте: сокращает расход ГСМ в ДВС, способствует росту экономических, ресурсных и экологических показателей двигателей. Решение вылилось в моделирование МОК в составе ДЭТМО и разработку основ комплексного повышения эффективности тонкой очистки ММ в СДЭУ. Результатом системного подхода является пакет иерархически связанных между, собой математических моделей, описывающих функционирование и оптимизацию системы ДЭТМО и позволяющих управлять ею посредством звена "очистка".

2. Методологическую основу системного подхода в связи с детермини-ровашю-стохастической спецификой загрязнения и очистки масла, МДО и контакта ДФ с деталями трения в трибосопряжениях ДВС, а также переменным по времени взаимодействием звеньев рассматриваемой энергохиммото-логической системы составляют имитационное моделирование и аппарат случайных марковских процессов. В идентификации детерминированных процессов широко использовали тензорный анализ, методы неклассического вариационного исчисления, оптимального управления и планирования активных экспериментов. Моделирование процессов фильтрования и центрифугирования осуществлено с единых позиций. Преимущество его состоит не только в возможности оценки эффективности очистки ММ, но и нацеленности на конструирование соответствующего ДЭТМО МОК.

3. Новизна в исследовании разделения многофазных ДС заключается в системной со стохастическим подходом идентификации на основе аппарата случайных марковских процессов разных по принципу действия и кинетике осаждения ДФ методов очистки. Взаимодействие частиц с фильтровальными структурами и поведение их в центробежном поле рассмотрены с учетом полидисперсности загрязнителя ММ ДВС и свойств дисперсионной среда, обусловлешшх старением масла, срабатыванием присадок и функционированием системы ДЭТМО в целом.

4. Уточнение теории фильтрования и центрифугирования достигнуто путем исследования осаждения ансамбля частиц в возмущенном потоке с флуктуациями, вызываемым! пристенными эффектами, броуновским движением, стесненностью перемещения, формой и концентрацией частиц и турбулентными пульсациями. Ситовый в результате механического зацепления отсев, инерционный и адгезионный захваты идентифицированы совместно путем формализации поровой структуры <Ш, выделения седиментационной, адгезионной и химмотологиче'ской групп осаждения. Моделирование центрифугирования потребовало рассмотрения сложной гидродинамической обстановки в объеме всего аппарата очистки, учета действия на ДФ не только инерционной, но и кориолисовой силы, локальности и поля скоростей потока в МО.

5. Создана схема идентификации процессов очистки ГСМ в ДВС. Детер-мшшрованное и стохастическое воздействие на частицы в центробежном поле и при фильтровании объединены с помощью уравнения Колмогорова -Фоккера - Планка. Формализованы начальные и граничные условия и получены расчетные зависимости для фракционных коэффициентов и полноты отсева разделительных процессов с разрушением ДФ и без него. Путем синтеза основных задерживающих механизмов и идентификации их совместного действия через обобщенную координату отсева достигнута универсальность представления срйф различных фильтровальных структур. Представлена зависимость ел от свойств системы СЗФ, размера частицы относительно поры и степени заполнения последней отложениями.

6. Разработаны ячеистая, структурно-капиллярная и волокнисто-решетчатая модели фильтрования. С их помощью на основе одно- и двумерных распределений фильтровальные структуры преобразуются в расчетные. Новизна полученных кинетических моделей фильтрования заключаются:

- в выявлении через связь гидродинамических процессов с задерживающей способностью поровых структур основных закономерностей отсева;

- в идентификации распределения загрязнений по зонам отсева многослойного ФМ, уменьшения числа и размеров пор при блокировке их и зарастании отложениями;

- в учете изменения состава ДФ по ходу потока в многослойной филь- . тровальной структуре и интенсивности образования осадка в активной и пассивной зонах осаждения;

- в алгоритме расчета кинетики очистки ММ от загрязнений при переменных дисперсном составе нерастворимой фазы и свойствах дисперсионной среды.

7. Разработанные теоретические основы фильтрования позволили обосновать новые принципы очистки и направленно формировать поровые структуры ФМ. С их помощью на базе методов дифференциальной геометрии созданы модели тканых ФС сложного переплетения с высокими регенерируемос-тью и эффективностью очистки, предназначенные для использования в СОФ. Модели дают возможность идентифицировать с большой точностью тонкость, фракционный коэффициент и полноту отсева сеток полотняного переплетения. На их основе получены критерии для оценки и управления эффективностью тканых поровых структур, а также оптимизации их геометрии в зависимости от условий фильтрования, состояния и свойств ДФ и промывного потока. По значениям критериев и их соотношению выбирают режимы фильтрования и регенерации, обеспечивающие наиболее выгодные условия фушс-ционирования тканых регенерируемых ФМ.

8. Разработаны теоретические основы регенерации СОФ. Описание гидродинамического воздействия на частицы, вызывающего разблокирование пор, разрушение осадка, взвешивание и унос ДФ из капилляров, осуществлено при стохастическом подходе с идентификацией массовых, гидродинамических и адгезионных сил с учетом вероятностной природы уноса и пульсаций промывного потока. Создана модель процесса регенерации, позволяющая рассчитывать эффективность и периодичность обслуживания СОФ в зависимости от интенсивности и продолжительности воздействия на осадок промывного потока, специфики и регенерируемое™ ФМ, особенностей конструкции ФЭ, блокировки пор отложениями, их адгезионной активности и степени уплотнения:

9. Системное решение рассматриваемой проблемы состояло в идентификации МДО с учетом взаимодействия звеньев энергохиммотологического комплекса и переменной эффективности очистки ММ из-за его старения. Для расчета загрязнения и триботехнических характеристик масла получены регрессионные уравнения скорости поступления в СС дизеля НРП и их абразивных свойств в зависимости от качества применяемых ГСМ, технического уровня, форсировки и режимов двигателя. Имитационное моделирование взаимодействия твердой фазы ММ с деталями трибосопряжений ДВС и их изнашивания выполнено с учетом эффективности КМОК и характеристик системы ДЭТМО.

10. На системном подходе разработаны основы комплексного повышения эффективности очистки ММ при форсировании и конвертировании дизелей на тяжелые остаточные топлива:

- выявлены характерные для СОМ противоречия и предложены методы их разрешения;

- разработаны методы управления отсевом и отфугованием ДФ для достижения многофункционального или избирательного действия МО и определены условия наиболее полного использования возможностей фильтрования и центрифугирования;

- сформулированы принципы комбинированной очистки масла, наиболее полно реализующие достоинства фильтрования и центрифугирования;

- созданы эффективные, в том 'теле автоматизированные, СТОМ с комбинированными МОК, обеспечивающие надежную защиту ДВС от абразивного изнашивания и-длительные сроки службы ФЭ и ММ;

- обоснованы методы идентификации промывки ФЭ и на их основе базовые СОМ и АСТОМ высокого функционального уровня.

IIПрименение в СС судовых форсированных дизелей СОМ и МОК последнего поколения, разработанных на базе новых научно-технических решений по ФС, ФЭ, СОФ, ЦОСО и ФМЩ, позволило:

- полностью нейтрализовать отрицательные последствия сжигания низкосортных топлив и обеспечить экономичную ресурсосохраняющую эксплуатацию ДВС;

- увеличить ресурс двигателей между моточистками и до капитального ремонта не менее чем на 20 %\

- сократить в сочетают с конструктивными мероприятиями расход ММ на 15...60 %;

- уменьшить затраты на сменно-запасные части и трудоемкость обслуживания ДВС на 10...30 %, увеличить срок службы ФЭ в 1,5-2 раза;

- понизить трудоемкость обслуживания СОМ в 7-30 раз и довести до О,5...4 чел.-ч на 1000 ч работы.

12. Создана методика выбора и оптимизации состава и параметров МОК в зависимости от особенностей системы ДЭТМО. В итоге моделирования обобщены данные влияния на И и Тф параметров СС, качества топлив и масел, условий- старения ММ, режимов эксплуатации, форсировки и технического состояния ДВС. Найден экономический критерий, по которому оптимизированы системы ДЭТМО различного уровня с учетом перспективы ухудшения характеристик топлива и улучшения моторных свойств масел. Стохастическая теория фильтрования и центрифугирования, а также модели МДО и новые конструкции МО находят применение в различных отраслях народного хозяйства.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

1. Кича Г.П., Лемин Л.А. Автоматизация процесса сепарирования топ-лив и масел на судах // Рыб. хоз-во. - 1967. - N 12. - С. 32-35.

2. Кича Г.П., Сомов В.А., Теслюк А.Н. Сепарирование масел в судовых условиях // Тр. ЦНИДМ. - Л.: Транспорт, 1969. - Вып.59.- С. 88-96.

3. Кича Г.П. О необходимых режимах сепарирования циркуляционных масел мощных судовых двигателей // Тр. ДВВИМУ. - Владивосток, 1969. -Вып.6. - С. 12-19.

4. Кича Г.П., Сомов В.А., Солодов Д.Ф. Анализ и уточнение теоретических методов расчета процесса загрязнения масла в ДВС // Тр. ЦНИДИ.

- Л.: Транспорт, 1970. - Вып. 60. - С. 123-146.

5. Эффективность полнопоточной очистки масла в дизелях 64HI2/I4 / Г.П. Кича, И.Т. Карев, Д.Ф. Солодов и др. // Двигатели внутреннего сгорания. - М.: НИИИНФОРМтяжмаш, 1970. - N 4-70-15. - С. 33-37;

6. Кича Г.П. Эффективность тонкой очистки масла в дизеле 2410,5/13 // Двигатели внутреннего сгорания. - М.: НИИИНФОРМтяжмаш, 1972. -N 4-72-13. - С. 26-30.

7. Повышение сроков службы циркуляционных масел в судовых быстроходных дизелях / Г.П. Кича, В.В. Попов, Н.И. Хоменко, Е.М. Кофман // Рыб. хоз-во. - 1973. - N 10. -С. 26-30.

8. Кича Г.П., Шкаренко В.А., Свистунов Н.М. Расчет эффективности тонкой очистки топлив и масел ленточными и проволочно-щелевыми фильтрами // Энергомашиностроение. - 1975. - N 11. - С. 46-47.

9. Кича Г.П., Свистунов Н.М., Ященков В.А. О сроках безобслуживае-мой работы маслоочистителей // Рыб. хоз-во. - 1977. - и 1: - С. 33-35.

10. Влияние увеличения срока службы масла на состояние дизеля / Г.П. Кича, В.А. Ященков, Н.М. Свистунов, Н.И. Хоменко // Техническая эксплуатация флота. - М.: ЦБНТИ ММФ, 1976. - N 12 (400). - С. 25-29.

11. Кича Г.П. Полнопоточная тонкая очистка масла в судовых дизелях. - м.: ЦБНТИ ММФ, 1978. - N 4 (440). - 38 С.

12. Кича Г.П., Свистунов Н.М. Исследование влияния некоторых факторов на срок службы элементов и эффективность полнопоточной тонкой очистки масла в судовых дизелях // Судовые энергетические установки. -М.: ЦРИА "Морфлот", 1979. - Вып. 19. - С. 26-37.

13. Кича Г.П. Перспективы развития систем и агрегатов тонкой очистки масла среднеоборотных и быстроходных дизелей // Двигателестроение.

- 1979. -N7. - С. 39-42.-

14. Кича Г.П., Свистунов Н.М. Повышение эффективности тонкой очистки масла в судовых дизелях фильтрованием // Судовые энергетические установки. - М.: ЦРИА "Морфлот", 1980. - Вып.20. - С. 29-39.

15. Кича Г.П. Результаты эксплуатационных испытаний полнопоточных фильтров тонкой очистки масла в судовых вспомогательных дизелях // Двигателестроение. - 1980. - N 9. - С. 47-50.

16. Кича Г.П., Кича П.П. Теоретическое исследование процесса загрязнения масла в ЛВС с комбинированными системами очистки // Двигате-лестроение. - 1980. - N 12. - С. 23-27.

17. Кича Г.ГГ., Свистунов Н.М., Свиридкин К.Г. Повышение эффективности полнопоточкой тонкой очистки масла в судовых дизелях комбинированным фильтрованием // Рыб. хоз-во. - 1980. - N 2. - С. 37-41.

18. Кича Г.П., Полоротов С.П. Исследование влияния скорости фильтрации на эффективность полкопоточной тонкой очистки масла в дизелях // Двигзтелестроекие. - 1981. - N 7. - С. 45-48."

19. Кича Г.П. Свистунов Н.М. Тонкая очистка масла в ДВС комбинированным фильтрованием: результаты исследования и перспективы развития // ДЕИгателестроение. - 1981. - N 12. - С. 17-23.

20. Кича Г.П. Повышение эффективности тонкой очистки масла в судо-еых дизелях // Судостроение. - IS82. - N 3. - С. 23-27.

21. Кича Г.П., Полоротов С.П. Экспериментальное моделирование процесса изнашивания ДВС в условиях полнопоточного фильтрования // Трение и износ. - 1982. - Т. 3. - N 2. - С. 290-2S8.

22. Кича Г.П., Полоротов С.П. Зарубежные автоматические фильтры тонкой очистки масла и топлива судовых энергетических установок- // Судостроение за рубежом. - 1982. - N 3. - С. 58-73.

23. Кича Г.П., Полоротов С.П. Исследование и оптимизация масляного фильтра ДВС // Двигателестроение. - 1982. - N б. - С. 19-23.

24. Кича Г.П., Полоротов С.П. Выбор оптимальных полнопоточных фильтров тонкой очистки масла ДВС // Двигатели внутреннего сгорания. -М: ЦНИИТЭИтяжмап, 1982. - N 16. - С. 10-14.

25. Кича Г.П., Артемьев А.К. Модель процесса регенерации самоочищающихся фильтров систем смазки судоеых ДВС // Повышение эффективности технической эксплуатации СЭУ: Тр. НИИВТ.- Новосибирск, 1983.- С. 91-98.

26. Кича Г.П., Гусев Е.В. Эксплуатационная эффективность двухступенчатого фильтрования моторного масла в судовых дизелях // Двигатели внутреннего сгорания. - М.: ЦЕШИТЗИгяжмаш, 1983. - N 10(19). - С. 4-7.

27. Кича Г.П., Надежкин A.B. Оптимизация режимов центробежного сепарирования циркуляционного масла дизелей // Исследование и методы повышения эффективности технической эксплуатации СЭУ: Тр. НИИВТ. - Новосибирск, 1984. - С. 36-41.

28. Кича Г.П. Эффективность эксплуатации комбинированных систем очистки масла судовых ЛВС // Рыб. хоз-во. - 1984. - N II. - С. 41-44.

29. Кича Г.П., Артемьев А.К., Надежкин A.B. Оптимизация и выбор параметров тканых сеток топливных и масляных самоочищающихся фильтров // Двигателестроение. - 1984. - N 11. - С. 28-31.

30. Кича Г.П. Экономичная эксплуатация дизелей // Морской флот. -1984. - N 11. - С. 47-49.

31. Кича Г.П. Эффективная очистка моторного масла - основа экономичной ресурсосохраняющей эксплуатации судовых ЛВС // Двигателестроение. - 1985. - N 7. - С. 6-10.

32. Опыт применения и перспективы развития самоочищающихся фильтров в системах смазки судовых ДВС / Г.П. Кича, А.К. Артемьев, A.B. Надежкин, В.А. Шкаренко // Двигателестроение. - 1985.- N 7. - С. 35-38.

33. Кича Г.П. Комбинированный маслоочистительный комплекс для судовых форсированных дизелей // Судостроение. - 1985. - N 4. - С.25-28.

34. Кича Г.П. Очистка масел в двигателях внутреннего сгорания // Химия и технология топлив и масел. - 1985. - N 2. - С. 28-30.

35. Кича Г.П., Липин Г.М., Полоротов С.П. Триботехнические характеристики продуктов загрязнения моторных масел и их влияние на износ двигателя // Трение и износ. -1985. -Т. 7. - N 6. -С. 1068-1078.

36. Кича Г.П. Теоретические основы расчета и интенсификации очистки топлив и масел в ДВС фильтрованием // Двигателестроение. - 1986. -N5. - С. 25-29.

37. Кича Г.П. Влияние очистки масел на их расход в дизельных ДВС // Химия и технология топлив и масел. - 1986. - N 8. - С. 22-24.

38. Кича Г.П. Эксплуатационная эффективность новых маслоочистите-льных комплексов в форсированных дизелях // Двигателестроение. - 1987. - N 6. - С. 25-29.

39. Кича Г.П., Загородников Ю.И., Осипов О.В. Стохастическая модель процесса центрифугирования моторного масла в СЭУ // Повышение уровня технической эксплуатации дизелей' речного флота: Тр. НИИВТ. -Новосибирск, 1988. - С. 126-129.

40. Кича Г.П., Лапин A.M. Идентификация процесса центрифугирования систем с неустойчивой дисперсной фазой // Там же. - С. 140-153.

41. Кича Г.П. Новые стохастические модели очистки горюче-смазочных материалов в ДВС // Двигателестроение. - 1989. - N 11. - С. 18-23.

42. Свистунов Н.М., Кичс- i .n., Надежкин A.B. Контроль эксплуатационных свойств топлив и масел: Учеб. пособие. - М.: ВО "Мортехинформ-реклама", 1989. - 48 с.

43. Кича Г.П., Надежкин A.B., Мисюра В.К. Повышение эффективности смазочных систем судовых дизелей // Проблемы энергетики транспорта: Сб. науч. тр. / АН СССР. - М.: Транспорт, 1990. - С. 86-90.