Двухтактные крейцкопфные дизели на протяжении долгих лет являются самыми распространенными первичными двигателями в индустрии морских грузоперевозок. Почему?
1- Они способны обеспечивать необходимый крутящий момент и частоту вращения без дополнительного оборудования, такого как редукторы и муфты.
2- Они просты в обслуживании.
3- Они являются самыми энергетически эффективными установками.
4- Они могут работать на флотском мазуте низкого качества, что сильно дешевле других видов топлива.
🔴ТОПЛИВО БРОСАЕТ ВЫЗОВ
В сравнении с дистиллятным топливом (сорярочка) флотский мазут (тяжелое топливо) обладает в разы большей вязкостью, содержит набор компонентов, что могут навредить как двигателю, так и окружающей среде. Мазут нужно тщательно подготовить прежде, чем подать его в топливную систему двигателя.
На самом деле флотский мазут давно категоризирован и для каждой категории предусмотрена технология обработки, с которой знакомы производители двигателей и судостроительные верфи. При каждой бункеровке старший механик судна получает пробы принятого топлива, что позже подвергаются анализу для понимания специфики нового энергоносителя и определения оптимальных параметров топливоподготовки (температура сепарации, температура перекачивания и впрыска).
Может ли флотский мазут полностью заместить дистиллятное топливо? Нет. Дизель нужен для работы в зонах ограничения выбросов, да и с точки зрения безопасности мореплавания он должен быть, ведь не требует специальной подготовки и может быть использован в случаях выхода из строя системы подготовки мазута.
В отличие от дистиллятного топлива флотский мазут может быть значительно более вредоносным по отношению к двигателю. В процессе перегонки нефти в мазут попадают частицы каталитического катализатора, что повреждают топливную аппаратуру и цилиндро-поршневую группу, и мазут содержит серу... Сера является естественным лубрикантом для прецезионной арматуры, но в сочетании с парами воды образует разрушительные кислые соединения.
Если со следами катализатора в топливе можно бороться, но избавиться от серы практически невозможно (или нерентабельно). В среднем по нашей зелено-голубой планете содержание серы в нефти колеблется на уровне 2,8%. В процессе перегонки нефти содержание серы в неиспаренном остатке (это и есть мазут) растет до 4,5%.
Если от серы невозможно избавиться на этапах топливоподготовки, значит, нужно нейтрализовывать негативный эффект уже на стадии использования топлива.
🔴ЦИЛИНДРОВАЯ СМАЗКА
Система цилиндровой смазки двигателей, работающих на остаточном топливе, содержащим серу должна обеспечивать следующее:
- создавать и поддерживать масляную пленку на цилиндровой втулке, недопукская прямого контакта металла втулки и поршневых колец,
- нейтрализовывать серную кислоту, защищая детали цилиндро-поршневой группы от коррозии,
- очищать детали цилиндро-поршневой группы от продуктов сгорания топлива и нейтрализации серной кислоты.
🔴ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ТРОНКОВЫЙ ДВС
Смазка цилиндровой втулки и колец в тронковых четырехтактниках может быть организована по разному, в зависимости от размера двигателя и фантазии завода изготовителя. Это может быть как разбрызгивание масла с коленчатого вала, так и отведение части масла от головного подшипника на поршневые кольца. Некоторые модели двигателей имеют отдельную систему подачи смазки на цилиндровую втулку, запитанную от масляной системы напрямую.
Это довольно простые схемы организации смазки втулки, так как цилиндровое и системное масло - одно и то же. Излишки масла снимаются маслосъемными кольцами в картер. Часть масла все-же поднимается вверх и расходуется в камере сгорания "на угар". Средний расход масла на угар для тронковых дизелей - 0,3 - 0,6 г/кВт ч.
🔴КРЕЙЦКОПФНЫЙ ДВУХТАКТНЫЙ ДВС
Взгляни на Рисунок 1 еще раз. Продувочный ресивер, как и цилиндровая втулка, отделен от картера специальным уплотнением, следовательно, системное масло не может попасть на втулку методом разбрызгивания. А если картер отделен от цилиндра, то, можно организовать для цилиндра отдельную систему смазки... Это хороший вариант, так как лубрикант для подшипников сильно отличается по свойствам от лубриканта для втулки. Это для тронковых ДВС приходится трудиться над созданием универсального масла, но тут можно задать необходимые свойства каждому отдельно взятому маслу. Так обоснована дискретная (отдельная) система смазки для цилиндровой втулки.
🔴ЦИЛИНДРОВОЕ МАСЛО
Если есть возможность произвести масло только для цилиндровой втулки, какими свойствами его необходимо наделить?
- Оптимальная вязкость в соответствии с SAE50.
- Щелочное число. Этот параметр довольно точно можно задать исходя из цели- "нейтрализовать серно-кислые соединения". Для работы на топливе с содержанием серы от 1,5 до 4,5 % используют цилиндровое масло с щелочным числом 70, и этого достаточно. Для длительной работы на сортах топлива с меньшим содержанием серы подойдет масло с ЩЧ 40.
- Моющие свойства. Обязательно добавление моющих присадок и добавить их можно больше, чем в системное масло без опасения вспенивания, ведь масло, проделав свою работу, удаляется из двигателя и более не используется.
🔴ДОЗИРОВКА
Да, цилиндровое масло, сделав свое дело, покидает двигатель. Оно одноразовое, поэтому его дозировка - вопрос важный. Нужно найти баланс между достаточностью количества масла (чтобы избежать прямого контакта металла) и экономичностью (много смазки - это дорого). В прочем, чрезмерная смазка втулки не только бьет по кошельку судовладельца, но и способствует образованию отложений на головке поршня, что тоже не хорошо.
🔴CLU 3 и CLU 4
CLU 3 - система цилиндровой смазки, что устанавливалась на двигатели Вяртсиля на протяжении более 20-ти лет.
Система CLU 3 была разработана в кооперации с немецкой компанией Вогель (Ныне SKF). Состоит система из насосных блоков (количество их определяется количеством цилиндров двигателя), распределителей и инжекторов (Quill - "квил"). Насосы имеют электрический привод.
Насосы (смотри Рисунок 6) подают масло к распределителям, что дозируют масло, идущее далее к инжекторам.
На Рисунке 7: I, II, III, IV - свободно плавающие плунжеры, 1,2, ... 8 - выход масла к инжекторам, a, b - реверсивные линии (закрашены синим).
После распределителя масло поступает к инжекторам.
Масло поступает к инжектору, но не идет в цилиндр сразу, а заполняет мембранный аккумулятор (обозначен фиолетовым цветом на Рисунке 8). Для того, чтобы масло пошло в цилиндр, давление в цилиндре должно быть меньше давления масла, накопленного в аккумуляторе инжектора. Когда поршень двигателя идет вниз, давление в цилиндре падает и на определенном участке становится ниже давления масла в инжекторе, тогда масло выдавливается в цилиндр пружиной мембранного аккумулятора. Такая вот простая система. Никакой электроники, все аналоговое, а логика базируется на газодинамике в цилиндре.
Масло поступает на стенку втулки каждый рабочий цикл, тайминг довольно груб, а цикловая подача регулируется изменением производительности насосов (что в блоке) и частотой вращения ротора приводного электродвигателя.
Система CLU 3 проста, надежна, но способна поддерживать цикловую подачу масла в пределах 1,0 - 1,6 г/кВт ч.
Вспоминаем, что темные времена для мирового торгового флота никогда не заканчивались. ГСМ в общем и цилиндровое масло в частности дорожает каждый год. Спринтерские заезды с несколькими тысячами тонн груза сменились многонедельными марафонами, расход топлива упал, тепловая нагрузка на двигатели снизилась, как и содержание серы в горючке. Цикловая подача в 1 грамм на каждый киловатт в час стала дорого обходиться судовладельцам, да и не оправдывала себя с точки зрения эксплуатации. Потребовалась замена отслужившей свое системе CLU 3. Помимо стандартных условий, предъявляемых к системам цилиндровой змазки, появились и условия совместимости новой системы как с новыми двигателями с электронным управлением с возможностью полной интеграции в нее, так и со старичками серии RTA. Поиском решения занялась компания Вогель и в 2006-м году появилась система CLU 4.
Блок CLU 4 представляет собой самостоятельное устройство с гидравлическим приводом от централизованной системы. То есть, насос-дистрибьютор в одном корпусе. Давление управляющего масла - 50 бар. Управление электронное при помощи золотникового клапана типа 4/2. Цилиндровое масло поступает в систему самотеком. Что-то мне это напоминает, не припомню...🤔🤔🤔
Подача масла в цилинд происходит при достаточно высоком давлении и цикловая подача занимает 8-10 миллисекунд, что дает возможность точной регулировки подачи. Система управления двигателем вычисляет мгновенную мощность и на ее базе определяет необходимую цикловую подачу, то есть время открытия калпана 4/2.
Ну и главное, система CLU 4 способна продолжительно обеспечивать цикловую подачу в пределах 0,7 - 0,9 г/кВт ч.
🔴РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАСЛА ПО ВТУЛКЕ
Масло к стенке втулки доставили, что дальше? Дальше необходимо убедиться, что оно будет правильном образом распределено по втулке. Если с распределением масла по вертикали все ясно, оно разносится кольцами, то с горизонтальной проекцией есть сложности. Масло равномерно нужно нанести на всю рабочую поверхность втулки, обеспечить его сменяемость (чтобы сохранить нейтрализующие свойства) и обеспечить необходимую толщину масляного слоя.
Вот "живой" пример: двигатель Wartsila 84T имеет диаметр цилиндра 84 сантиметра и ход поршня 315 сантиметров, соответственно, площадь каждой из цилиндровых втулок - 8,3 квадратных метра и все эти метры необходимо должным образом смазать. Для смазки используется система из 8-ми инжекторов, установленных на высоте примерно 90 см от верхнего края цилиндровой втулки и каждый инжектор способен отправлять в цилиндр до 0,3 кубических сантиметров цилиндровой смазки на цикл. Но смазка подается не на каждый такт, а каждый второй - пятый, в зависимости от нагрузки. Представь, что перед тобой стоит задача - покрастить стену площадью 8,3 метра восемью маленькими макияжными кисточками... и, да, во времени ты ограничен 🤫, а каждый мазок должен сопровождаться определенной площадью и толщиной покрытия...
Почему так строго? Почему нальзя просто дать движку масла "из ведра"?
Цилиндровая смазка - это искусство сохранения баланса между недостаточной смазкой и избыточной. Где-то посреди имеется тонкий перешеек под названием "нормальный режим".
Проблема недостаточной смазки - масляное голодание, и, как результат, контакт металл-металл - нережимное трение - задир или, если движок способен долго работать на граничном режиме трения (когда сохраняется слой масла примерно в одну молекулу за счет адгезии материала втулки) - низкотемпературная коррозия.
Проблема чрезмерной смазки - чрезмерные потери масла в шлам через продувочные окна, полностью затопленные маслом кепы колец, что противодействует их нормальному движению и способствует залеганию (процесс гидравлического блогирования). Чрезмерное количество масла приводит к полировке втулки, снятию хона и ухудшению режима смазки, так как втулка теряет способность удерживать масло на стенке. Большое количество масла способствует интенсификации процесса отложения продуктов старения этого масла на деталях ЦПГ, что тоже приводи к полировки втулки уже этими отложениями, по структуре напоминающими известняк. В конечном итоге все закончится задиром.
Прорезы зигзагообразной формы стали использовать для интенсификации распределения цилиндрового масла по горизонтали. Масло подается в них, но не стекает самотеком, а продавливается фронтом высокого давления через кольца. Смотри Рисунок 13.
Давление над кольцом всегда выше такового под ним в двухтактном двигателе. Масло продавливается вниз и по диагонали, в следствии чего увеличивается площадь подачи цилиндровой смазки.
🔴ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ВЫГОДА
Вот рабочий пример. Контейнеровоз на 6500 мест с двигателем 12 Wartsila RTA96C на 63 000 кВт, работающий примерно 6000 часов в год на средней нагрузке 65% от максимальной длительной, оснащенный системой CLU 3 c цикловой подачей 1,2 г кВт ч потребляет вот сколько масла: 63 000 к Вт умножаем на 0,65 (65%), умножаем на 1,2 (цикловая подача) и делим на миллион (переводим в тонны). Получаем годовой расход 295 тонн. Каждая тонна стоит примерно 1750 американских долларов. Итого годовые затраты на цилиндровое масло - 516 000 долларов.
Если использовать на этом-же двигателе систему CLU 4, то удельный расход будет уже 0,8 г кВт час, а годовой - 197 тонн. Расходы - 345 000 долларов.
Разница значительна.
Надеюсь, что статья была интересной и не утомила тебя. Если интересно как работает система CLU 3 с этими распределителями и инжекторами - пиши в комментариях об этом и я сниму видео. Спасибо!
