ПРИМЕНЕНИЕ  УЛЬТРАЗВУКОВОЙ  ОБРАБОТКИ  ТОПЛИВА  ДЛЯ  СНИЖЕНИЯ  СЕРНИСТОГО  ИЗНОСА  ДЕТАЛЕЙ  ДВИГАТЕЛЯ

Сагин  Сергей  Викторович

канд.  техн.  наук,  доцент,  доцент  кафедры  Судовых  энергетических  установок  Одесской  национальной  морской  академии,  Украина,  г.  Одесса

E -mail:  saginsergey@mail.ru

Солодовников  Валерий  Григорьевич

старший  преподаватель   Одесской  национальной  морской  академии,  Украина,  г.  Одесса

USE  OF  ULTRASONIC   TREATMENT  TO  REDUCE  FUEL  SULFUR  ENGINE  WEAR

S agin  Sergii

candidate  of  Science ,  associate  professor,  assistant  professor  of  marine  power  plants  department  of  Odessa  National  Maritime  Academy,  Ukraine,  Odessa

Solodovnikov  Valerii

senior  Lecturer   of  Odessa   National  Maritime  Academy ,  Ukraine,  Odessa

аннотация

Рассмотрен  метод  ультразвуковой  обработки  топлива,  использующегося  в  судовых  двигателях  внутреннего  сгорания.  Предложена  схема  установки  для  проведения  ультразвуковой  обработки  топлива.  Экспериментально  определено  снижение  износа  цилиндровых  втулок  и  поршневых  колец  в  случае  использования  топлива,  предварительно  прошедшего  ультразвуковую  обработку.

abstract

Considered  the  method  of  sonication  fuel  used  in  marine  internal  combustion  engines.  A  scheme  for  the  installation  of  fuel  sonication.  Experimentally  determined  reduced  wear  cylinder  liners  and  piston  rings  in  the  case  of  fuel,  the  last  pre-sonication.

Ключевые   слова:  топливо  для  судовых  двигателей  внутреннего  сгорания;  содержание  серы  в  топливе;  ультразвуковая  обработка  топлива;  износ  деталей  двигателя.

Keywords:  fuel  for  marine  engines;  sulfur  content  of  the  fuel;  sonication  of  fuel;  engine  wear.

Ежегодно  международные  и  национальные  надзорные  организации  ужесточают  требования  к  экологическим  характеристикам  тепловых  двигателей  и  качеству  используемого  в  них  топлива.  Так,  например,  Международная  морская  организация  выдвигает  специальные  требования  к  морским  сортам  топлива  относительно  содержания  в  них  серы.  Согласно  этим  требованиям  с  01  января  2011  г.  максимальное  содержание  серы  в  топливе  не  должно  превышать  3,5  %  по  массе.  Кроме  того,  при  работе  тепловых  двигателей  в  особых  районах  разрешается  использовать  топливо  с  содержанием  серы  1,0  %  по  массе,  а  при  работе  в  этих  же  районах  с  01  января  2015  г.  —  не  более  0,1  %  [1].

Перевод  тепловых  двигателей,  в  частности  двигателей  внутреннего  сгорания  (ДВС),  на  топливо  c  низким  содержанием  серы  способствует  не  только  улучшению  их  экологических  параметров  работы,  но  и  уменьшает  износ  цилиндропоршневой  группы,  а  также  снижает  тепловую  напряженность  газотурбонагнетателей  и  выпускного  тракта.  Однако,  не  смотря  на  все  преимущества  использования  топлив  с  низким  содержанием  серы,  нефтеперерабатывающая  промышленность  продолжает  выпускать,  а  морской  и  речной  транспорт  потреблять  топлива  с  содержанием  серы  до  3,0  %.  Данные  сорта  имеют  принципиально  меньшую  стоимость,  что  с  учетом  объемов  их  потребления  приобретает  основополагающее  значение.  Поэтому  в  настоящее  время  все  судовые  ДВС  (как  главные,  обеспечивающие  движение  судна,  так  и  вспомогательные,  выполняющие  роль  генераторов  электрической  энергии)  эксплуатируются  на  сортах  топлива  с  максимально  допустимым  содержанием  серы. 

В  связи  с  этим  актуальной  остается  задача  повышения  качества  подготовки  топлива  перед  его  сжиганием  в  цилиндре  с  целью  снижения  сернистого  износа  деталей  двигателя,  а  также  снижению  выбросов  соединений  серы  в  выпускных  газах.

Снижение  эмиссии  окислов  серы  SO_x  в  выпускных  газах  осуществляется,  как  правило,  с  помощью  использования  скрубберной  очистки.  Широкого  распространения  на  транспортных  судах  данный  метод  не  получил,  прежде  всего  из-за  больших  габаритов  самих  скрубберов;  неизбежной  дополнительной  потери  энергии  с  выпускными  газами  на  преодоление  дополнительного  аэро-  и  гидродинамического  сопротивления  при  прохождении  скрубберов;  а  также  ввиду  необходимости  сбора  и  накопления  промывочной  воды,  что  требует  дополнительных  грузовых  объемов  (танков  или  цистерн)  в  случае  большой  автономности  работы  судна  и  его  энергетической  установки.  В  применении  к  судовым  ДВС  этот  метод  используется  для  транспортных  и  пассажирских  судов  каботажного  плавания,  порты  заходов  которых  могут  обеспечить  прием  и  дальнейшую  утилизацию  воды,  использующейся  в  контурах  скрубберной  очистки.  Кроме  того,  снижение  эмиссии  SO_x  в  выпускных  газах  способствует  лишь  улучшению  экологических  параметров  ДВС  и  не  влияет  на  техническое  состояние  деталей  дизеля  и  протекание  процесса  сгорания  топлива.

Решение  задачи  снижения  сернистого  износа  деталей  двигателей  в  настоящее  время  полностью  выполнено  для  малооборотных  дизелей,  имеющих  отдельную  цилиндровую  систему  смазывания.  При  этом  остается  лишь  найти  оптимальное  соотношение  между  содержанием  серы  в  топливе  и  содержанием  щелочных  присадок  в  масле.  Судовые  среднеоборотные  дизели  имеют  общую  циркуляционную  систему  смазывания,  применение  масел  с  повышенным  содержанием  щелочи  в  данном  случае  нецелесообразно  как  по  экономическим  причинам  (в  связи  с  их  высокой  стоимостью),  так  и  ввиду  их  худших  эксплуатационных  параметров  (в  частности  меньшей  способности  сопротивляться  нормальным  нагрузкам).  Поэтому,  для  среднеоборотных  двигателей  единственным  способом  борьбы  с  последствием  применения  сернистого  топлива  является  его  дополнительная  обработка  перед  подачей  в  цилиндр,  способствующая  как  снижению  сернистого  износа,  так  и  снижению  эмиссии  окислов  серы  в  выпускных  газах.

Данная  задача  решается  с  использованием  следующих  вариантов:

химический  метод  —  применение  специальных  присадок,  способствующих  интенсификации  процесса  сгорания  и  нейтрализующих  действие  серы;

физические  методы  —  использование  дополнительной  гидродинамической,  магнитной,  электродинамической  и  ультразвуковой  обработки  [2].

Обработка  топлива  с  помощью  ультразвука  прежде  всего  способствует  улучшению  его  дисперсных  качеств,  а  явление  кавитации,  сопровождающее  этот  процесс,  приводит  к  дополнительной  активации  углеводородных  составляющих  топлива  [3].

Исследования  по  ультразвуковой  обработки  судовых  топлив  предварительно  выполнялись  в  научной  лаборатории  Одесской  национальной  морской  академии,  а  впоследствии  на  судах  транспортного  флота.  Схема  дооборудования  штатной  судовой  топливной  системы  показана  на  рис.  1.  Эксперимент  проводился  на  двух  однотипных  двигателях  Г74  фирмы  «Русский  дизель»,  имеющих  номинальную  мощностью  1150  кВт  при  частоте  вращения  коленчатого  вала  500  об/мин.  Двигатель  6  являлся  контрольным»  и  эксплуатировался  в  «штатном»  режиме,  при  этом  топливо,  пройдя  стандартную  процедуру  подготовки,  подавалось  к  нему  насосом  7  из  цистерны  8.  Двигатель  5  являлся  «экспериментальным».  Топливо  к  нему  подавалось  насосом  4  из  цистерны  2,  в  которой  топливо  подвергалось  воздействию  ультразвуковых  волн  с  помощью  генератора  УЗДН-1УЧ2  с  магнитострикционными  излучателями  в  диапазоне  частот  15…35  кГц.  Выбор  ультразвукового  метода  обусловлен  более  высоким  энергетическим  уровнем  кавитации  по  сравнению  с  другими  физическими  методами  обработки,  а  также  достаточно  простыми  технологическими  приемами  получения  акустической  энергии. 

Рисунок  1.  Схема  дооборудования  системы  подачи  топлива  к  двигателю  (фрагмент):  1  —  смеситель  лопаточного  типа;  2,  8  —  топливные  цистерны;  3  —  ультразвуковая  установка;  4,  7  —  топливные  насосы;  5,  6  —  двигатели

Ультразвуковая  установка  3  эксплуатировалась  в  режиме  I  =  0,4  А  и  применения  магнитострикционного  излучателя  в  22  кГц.  Данные  величины  были  определены  в  предыдущих  лабораторных  исследованиях  и  обеспечивали  наилучшие  дисперсные  показатели  топлива.  В  топливной  цистерне  2,  в  которой  происходила  ультразвуковая  обработка  топлива,  дополнительно  устанавливался  лопаточный  смеситель  1,  что  обеспечивало  однородность  топлива  во  всем  объеме. 

Исследования  выполнялись  для  нового  комплекта  поршень  —  поршневые  кольца  —  втулка  для  всех  цилиндров.  Кроме  того,  перед  началом  экспериментов  для  обоих  двигателей  производился  контроль  и  регулирование  топливной  аппаратуры.  На  топливных  насосах  высокого  давления  устанавливались  новые  плунжерные  пары,  а  сами  топливные  насосы  регулировались  на  одинаковый  угол  опережения  подачи  топлива.  Форсунки  двигателей  настраивались  на  одинаковые  давления  подъема  иглы  и  заменялись  на  всех  цилиндрах  одновременно.  Разница  во  времени  работы  двигателей,  а  также  в  эксплуатационных  нагрузках  на  двигатели  не  превышала  4  %,  учитывая  энергоемкость  объектов  названные  параметры  можно  считать  идентичными.  Эксплуатация  двигателей  проводилась  на  одном  и  том  же  сорте  топлива.  При  этом  средства  автоматического  контроля  поддерживали  вязкость  топлива  неизменной  в  течении  всего  эксперимента.  Также  идентичными  поддерживался  сорт  циркуляционного  масла,  обеспечивающего  режимы  смазывания,  и  его  эксплуатационные  характеристики.  Данные  мероприятия  позволили  считать,  что  выполнение  эксперимента  проходит  в  одинаковых  условиях.

Задачей  исследования  было  определение  износа  цилиндровых  втулок  и  верхнего  поршневого  кольца  для  «стандартного»  топлива,  и  топлива,  подвергшегося  дополнительной  обработке  с  помощью  ультразвуковых  волн.

Для  повышения  точности  и  достоверности  измерений,  определение  износа  цилиндровых  втулок  производилось  методом  искусственных  баз  и  методом  обмера  индикатором  (с  точностью  0,01  мм/м).  Износ  цилиндровых  втулок  производился  в  районе  верхнего  поршневого  кольца,  как  места,  наиболее  подвергающегося  сернистому  износу  и  сернистой  коррозии.  Износ  поршневых  колец  измерялся  методом  искусственных  баз  и  с  помощью  взвешивания  на  электронных  весах.  Отклонения  в  определении  износа  разными  методами  (как  цилиндровых  втулок,  так  и  поршневых  колец)  не  превышали  7  %,  что  подтверждает  их  корректность.  Измерения  износа  проводилось  для  двух  крайних  цилиндров,  которые,  как  известно,  более  чем  другие  (центральные  цилиндры)  подвержены  этому  явления.  Полученные  при  этом  значения  усреднялись.  Кроме  того,  исследование  только  двух  цилиндров  существенно  сокращало  время  монтажных  работ,  которое  ограничивалось  условиями  эксплуатации.  По  этим  же  причинам  исследования  выполнялись  после  190,  420,  560,  780  и  1020  часов  работы  двигателей.  Результаты  измерения  износа  цилиндровых  втулок  и  поршневых  колец  приведены  на  рис.  2.

Анализ  приведенных  данных  позволяет  однозначно  утверждать  о  принципиальном  снижении  износа  как  цилиндровых  втулок,  так  и  поршневых  колец  при  использовании  топлива  предварительно  прошедшего  ультразвуковую  обработку.  Также  необходимо  отметить  более  быстрое  время  достижения  значений  постоянного  износа,  которое,  как  известно,  носит  экспоненциальный  характер.  Кроме  того,  использование  топлива,  дополнительно  прошедшего  ультразвуковую  обработку  способствует  улучшению  технического  состояния  деталей  цилиндропоршневой  группы  двигателя  и  его  газовыпускной  системы.  Так  при  этом  существенно  уменьшается  количество  нагара  на  названных  поверхностях  нагрева,  а  также  изменяется  его  структура  (отложения  нагара  становятся  более  мягкими,  что  должно  способствовать  снижению  абразивного  износа,  тепловой  напряженности  и  механических  потерь).

Рисунок  2.  Износ  цилиндровых  втулок  (а)  и  поршневых  колец  (б)  судового  ДВС  Г74  при  работе  на  «чистом»  топливе  (штрихованные)  и  топливе,  предварительно  прошедшем  ультразвуковую  подготовку  (пустые)

Параллельно  с  измерение  износа  проводилось  измерение  эмиссии  SO_x  в  выпускных  газах,  которые  показали  ее  18-ти  процентное  снижение  в  случае  дополнительной  обработки  топлива  ультразвуком.

Таким  образом  из  приведенных  результатов  можно  сделать  следующие  выводы:

одним  из  методов  снижения  сернистого  износа  деталей  цилиндропоршневой  группы  является  предварительная  ультразвуковая  обработка  топлива;

применение  данного  метода  способствует  снижению  линейного  износа  цилиндровой  втулки  на  67  %  и  массового  износа  верхнего  поршневого  кольца  на  72  %;

также  при  этом  улучшаются  экологические  параметры  работы  двигателя  и  снижается  его  тепловая  напряженность.

Список  литературы:

1.Международная  конвенция  по  предотвращению  загрязнения  с  судов  (МАРПОЛ).  СПб.:  ЦНИИМФ,  2009.  —  304  с.       

2.Рождественский  В.В.  Кавитация.  Л.:  Судостроение,  1977.  —  248  с.

3.Эксплуатация  судовых  дизельных  энергетических  установок:  учеб.  для  вузов  /  С.В.  Камкин,  И.В.  Возницкий,  В.Ф.  Большаков  и  др.  М.:  Транспорт,  1996.  —  432  с.