Przydatność olejów smarowych jako narzędzia diagnostycznego stanu technicznego spalinowych tłokowych silników okrętowych

Transkrypt

1 ŁOSIEWICZ Zbigniew 1 KAMIŃSKI Włodzimierz 2 Przydatność olejów smarowych jako narzędzia diagnostycznego stanu technicznego spalinowych tłokowych silników okrętowych WSTĘP Okrętowy silnik spalinowy tokowy, o zapłonie samoczynnym (dalej nazywany silnikiem) jest złożonym obiektem technicznym zaprojektowanym do wykonania określonego zadania eksploatacyjnego, pracującego w trudnych warunkach morskich. Jego struktura ma zapewnić, niezawodność i trwałość silnika na założonym projektowo poziomie. Różne elementy silnika tworzą struktury zależności np. wg zależności funkcjonalnych (układ rozrządu, układ paliwowy, układ smarowy) lub określonych zjawisk fizycznych, którym podlegają elementy silnika np. tarcia (węzły tribologiczne), wysokich temperatur procesu spalania, powodujących obciążenia cieplne (komora spalania). Rozwój techniki i technologii oraz wpływ rachunku ekonomicznego i prawa ochrony środowiska na konstrukcję silnika okrętowego spowodowały zmianę funkcji oleju jako jednego z jego układów. W silnikach starszego typu, o rozrządzie mechaniczno- krzywkowym podstawową funkcją oleju było ograniczenie tarcia w węzłach tribologicznych oraz chłodzenie tłoków i ich ochrona antykorozyjna. W silnikach nowej generacji o rozrządzie elektronicznym olej spełnia ważną rolę medium hydraulicznego.. 1. OLEJ JAKO UKŁAD FUNKCJONALNY WSPÓŁCZESNEGO SILNIKA OKRĘTOWEGO Przyjęcie oleju jako układu funkcjonalnego silnika wymaga zwrócenia uwagi na fakt, że wraz z rozwojem silników, zmienia się funkcja oleju Rola oleju jako medium smarowego w strukturach tribologicznych. Jedną z ważniejszych funkcji oleju smarowego jest ograniczenie wpływu tarcia na węzły silnika, tworzących układy współpracujących, ruchomych elementów. Układy takie tworzą strukturę, która dalej będzie nazywana strukturą tribologiczną. Mierzalnym parametrem stanu technicznego struktury tribologicznej jest zmiana wymiarów geometrycznych elementów współpracujących na skutek zużycia. Wielkość luzów między współpracującymi elementami ma wpływ na wartość uzyskiwanych parametrów pracy. Przez pomiar luzów możemy wnioskować o stanie technicznym silnika [1, 7, 8]. Układy tribologiczne występują w silniku w węzłach łożyskowych o dużych rozmiarach: (łożysko główne, korbowe), połączeniach suwliwych (tłok-cylinder, łyżwa wodzika i jego prowadnica, łożysko wodzika, trzon tłoka i dławnica przestrzeni podtłokowj) oraz w elementach małych lub miniaturowych (pary precyzyjne zaworów wtryskowych, pomp paliwowych, zaworów sterowniczych pneumatycznych i hydraulicznych). Na podstawie badań laboratoryjnych oraz doświadczeń eksploatacyjnych producenci przewidują przedziały czasu i wartości zużycia części, podzespołów i systemów. W dokumentacji technicznej określone są również resursy czasowe odpowiednich obsług, wynikające z liczby godzin pracy lub wymogów prawnych. Problem polega na tym, że olej nie jest przyporządkowany jednemu węzłowi konstrukcyjnemu lub innej stacjonarnej strukturze konstrukcyjnej, ale przemieszcza się i jako strumień cząsteczek wielu 1 Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Techniki Morskiej i Transportu Al. Piastów 41, Szczecin HORN.losiewicz@wp.pl 2 Akademia Morska w Szczecinie, ul. Wały Chrobrego 1-2, Szczecin w.kaminski@am.szczecin.pl 3975

2 związków chemicznych jest elementem wielu węzłów konstrukcyjnych, o różnej specyfice pracy, które tworzą specyficzne układy tribologiczne. Identyfikując specyfikę pracy układów tribologicznych można dokonać podziału stosując różne kryteria [9]. Na Rys. 1. znajduje się przykładowy podział struktury konstrukcyjnej SG na strefy występowania różnych warunków pracy układów tribologicznych. Strefa I - obszar temperatur i związków chemicznych występujących w procesie spalania: w koszu zaworu wylotowego spalin grzybek zaworu wylotowego- tuleja prowadząca, tłok z pierścieniami- tuleja cylindrowa, Strefa II - obszar temperatur relatywnie niskich w odniesieniu do temperatur procesu spalania: tuleja cylindrowa, tłoczysko - dławica trzonu tłoka, łożysko wodzikowe, łożysko korbowe, łożysko główne, Strefa III - obszar turbosprężarki: łożyska sprężarki, pracujące w obszarze temperatur relatywnie niskich w odniesieniu do temperatur procesu spalania, narażone na działanie wody i zanieczyszczeń z powietrza, oraz łożyska turbiny narażone na temperatury spalin oraz zanieczyszczenia produktami spalania Rys. 1. Podział struktury konstrukcyjnej SG na strefy występowania różnych środowisk pracy układów tribologicznych: strefa I obejmuje obszar temperatur i produktów procesu spalania: 1 - kosz zaworu wylotowego spalin, 2 - zawór wtryskowy paliwa, 3 - grzybek zaworu wylotowego, 4 - tłok, 5 - tuleja cylindrowa, strefa II obejmuje obszar temperatur relatywnie niskich w odniesieniu do temperatur procesu spalania: 5 - tuleja cylindrowa, 6 - tłoczysko, 7 - dławica trzonu tłoka, 8 - łożysko krzyżulcowe, 10 - łożysko korbowe, 11 - łożysko główne, strefa III obejmuje obszar turbosprężarki: 3a łożyska sprężarki, 3a łożyska turbiny [1] 3976

3 1.2. Rola oleju jako inhibitora korozji i medium chłodzącego Olej jest stosowany jako medium chłodzące w systemie chłodzenia tłoków silników wolnoobrotowych wodzikowych wielkiej mocy. Olej jest dostarczany przez trzon tłoka do korony i za pomocą dyszy wtryskowych, rozbryzgiwane po wewnętrznej stronie korony tłoka. Równocześnie olej pełni rolę inhibitora korozji Rys. 2. a) - korona tłoka z otworami chłodzenia olejowego, b) - płyta sitowa z dyszami rozbryzgowymi oleju chłodzącego [10] 1.3. Rola oleju jako medium hydraulicznego W silnikach nowej generacji o rozrządzie elektronicznym olej spełnia rolę medium w hydraulicznym systemie wykonawczym elektronicznego sterowania rozrządem zaworów wylotowych spalin i wtrysku paliwa. Na rys. 3 przedstawiono schemat poglądowy systemu oleju hydraulicznego. Rys. 3. Schemat ideowy współpracy systemu wtrysku paliwa Cammon Rail i systemu hydraulicznego napędu zaworów wylotowych 11] Zawory wylotowe napędzane są hydraulicznie. Pompa oleju zasilającego układ hydrauliczny o ciśnieniu 20 MPa napędzana jest za pomocą koła zębatego współpracującego z kołem zębatym wału korbowego. Układ hydrauliczny, obejmuje układ napędowy zaworów wylotowych (siłowniki hydrauliczne) oraz układ sterowniczy hydraulicznie sterowanych zaworów paliwowych, pokazanych na Rys

4 Rys. 4. System paliwowy Cammon Rail: a - fragment instalacji, b - jednostka paliwowa jednego cylindra z zaworami hydraulicznymi regulującymi dopływ paliwa [11] 2. METODY STOSOWANE DO OCENY JAKOŚCI OLEJU I REALIA STATKOWE 2.1. Metody oceny jakości oleju W eksploatacji silników starszej generacji stosuje się kilka rodzajów oleju. Do smarowania łożysk głównych, łożysk korbowych, łożyska wodzikowego stosuje się olej obiegowy. Oleje o zupełnie innych własnościach stosuje się do smarowania turbosprężarki i do smarowania tulei cylindrowych. Do oceny oleju najczęściej stosowane są metody fenomenologiczne polegające na pomiarach rzeczywistych parametrów fizyko-chemicznych. Stan techniczny oleju (o przyjętej objętości i masie) można przyjąć jako stan techniczny układu funkcjonalnego silnika. Na burcie statku, upoważnieni oficerowie mechanicy pobierają próbki oleju (olejów) i wysyłają do armatora, który zleca wykonanie analizy próbek specjalistycznym firmom. Na statek wracają zalecenia dotyczące dalszej eksploatacji oleju oraz silnika. Podstawowymi parametrami charakteryzującymi stan oleju silnikowego są wartości [3, 4, 5]: lepkości, temperatury zapłonu, zawartości wody, zawartości zanieczyszczeń, liczby zasadowej TBN. Proponowane były też zmiany standardowych badań oleju, w których powinny znaleźć się wielkości charakteryzujące stan oleju silnikowego takie jak [5]: lepkość, wartość ph, wartość całkowitej liczby zasadowej TBN, wartość całkowitej liczby kwasowej TAN, zawartość mocnych kwasów mineralnych SAN, wartość odczynu wyciągu wodnego oleju, zmiany temperatury zapłonu, zawartość wody i zanieczyszczeń, zawartość metali, obecność mikrobów (bakterii, pleśni lub drożdży). Wyniki tych badań są cennym źródłem informacji dla badaczy, pogłębiając ich wiedzę o olejach, silnikach, ich wzajemnych relacjach. Przy zróżnicowanym poziomie wiedzy i doświadczenia operatorów silników, często wiedza ta nie może być wykorzystywana racjonalnie Metody oceny jakości oleju w aspekcie trafności i wiarygodności diagnozy Jeżeli diagnoza ma być wiarygodna, muszą być zachowane przyjęte i akceptowalne zasady wiarygodności badań. Między innymi badania muszą opierać się na trafnych informacjach diagnostycznych z odpowiednio wybranych punktów systemu olejowego i odpowiedniej aparatury pomiarowej.[1] 3978

5 Z analizy eksploatowanych przez autorów systemów olejowych oraz dostępnych schematów, wynika, że projektanci koncentrują się na obróbce i poprawianiu własności olejów (chłodzenie, wirowanie, filtrowanie, uzupełnianie ubytków świeżym olejem) w tej części struktury systemu olejowego, która znajduje się przed dolotem do silnika, natomiast po opuszczeniu obsługiwanych układów tribologicznych, olej spływa do zbiornika. W zbiorniku następuje wymieszanie strumieni oleju o różnym stanie technicznym [9]. System olejowy składa się ze zbiornika (zbiorników) oleju, rurociągów, filtrów, chłodnic, wirówek, pomp transportowych, przedstawiony na Rys.5. [6]. Rys.5. Schemat systemu oleju smarowego silnika S70 MC firmy MAN [6]: S silnik, 1. zbiornik oleju smarowego denny, 2. Pobór oleju ze zbiornika, 3. Pompy obiegowe oleju, 4. chłodnice oleju, 5. Filtr, 6. Pompy podnoszące ciśnienie oleju obsługującego hydrauliczny napęd zaworu wylotowego spalin, 7. Turbosprężarka, 8a. wyjście ze zbiornika na wirówkę, 8b 8a. wyjście z wirówki na zbiornik rozchodowy oleju smarowego [9] W eksploatacji silników nowej generacji dąży się do stosowania tylko jednego rodzaju oleju. Stosowanie jednego rodzaju oleju w wielu aplikacjach (jako oleju obiegowego, cylindrowego, chłodzącego tłoki, hydraulicznego) jest wykonalne przy zachowaniu reżimów eksploatacyjnych przewidzianych przez producenta silników. Dotyczy to najczęściej zastosowania odpowiednich typów filtrów zapewniających założoną klasę oczyszczania. Trudność pojawia się, jeżeli olej traktuje się jako narzędzie diagnostyczne. Z punktu widzenia diagnostyki należy również zadać pytanie o trafność i wiarygodność diagnozy. Biorąc pod uwagę wiarygodność i trafność diagnozy należy zwrócić uwagę na: funkcję oleju i charakterystyczne dla warunków pracy zmiany własności oleju rozmieszczenie punktów badania oleju lub pobierania próbek Punkty pobierania próbek powinny znajdować się w miejscach wylotu oleju z obsługiwanych układów: tribologicznych każdy układ składa się z elementów o charakterystycznym składzie chemicznym, w innych warunkach pracuje, pod różnym obciążeniem i różnym wpływem czynników zewnętrznych systemu chłodzącego tłoki każdy tłok pracuje w innych warunkach ponieważ każda komora spalania jest złożoną strukturą i ma swoją specyfikę systemów hydraulicznych składających się z tysięcy różnej wielkości elementów wykonanych z bardzo wielu metali (rurociągi, złączki, korpusy zaworów, tłoczki, i tworzyw sztucznych 3979

6 (uszczelnienia), w których olej przepływa z dużymi prędkościami, pod dużymi ciśnieniami (2-20 MPa), przy zmiennym charakterze pracy. Rys.6. Rysunek silnika MAN SME-C z zaznaczonymi funkcjami oleju: 1) smarowanie łożyska głównego, 2) smarowanie łożyska korbowego, 3) smarowanie łożyska wodzikowego, 4) smarowanie łyżwy wodzika, 5) smarowanie układu cylindrowo-tłokowego, 6) sterowanie zaworami wtryskowymi paliwa, 7) sterowanie zaworami wylotowymi spalin Porównując standardowe pobieranie próbek na statku, zaproponowany sposób pobierania próbek na wylocie z układów funkcjonalnych zwiększyłoby wiarygodność diagnozy. Pozwoliłoby to na dokładniejszą analizę zmian w oleju, po opuszczeniu układów funkcjonalnych o różnych, specyficznych warunkach pracy. WNIOSKI Przyjmując, że olej smarowy jest układem funkcjonalnym silnika, trzeba równocześnie określić jego specyfikę. Postać płynna oleju powoduje to, że dostarczany do punktów zasilania układów tribologicznych zostaje podzielony na wiele strumieni. Każdy ze strumieni oleju pracuje w innych warunkach. Najczęściej, po opuszczeniu poszczególnych układów funkcjonalnych, strumienie łączą się i mieszają w zbiorniku oleju. Próbka oddawana do analizy jest reprezentatywna dla mieszaniny całej objętości oleju. Jest to nieracjonalne w nowoczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych silnika, gdzie często stosuje się olej w wielu różnych strukturach funkcjonalnych silnika. Przy takim rozwiązaniu, wskazane jest: przygotowanie oleju na dolocie do układów tribologicznych (o określonej specyfice), 3980

7 taki dobór punktów poboru próbek oleju na odlocie z poszczególnych układów funkcjonalnych, które pozwolą na jakościową i ilościową (również względem całej objętości oleju) ocenę zmiany stanu technicznego różnych struktur silnika na podstawie zmian parametrów oleju. Armatorzy, dbając o minimalizację kosztów, stosują najczęściej minimalistyczne rozwiązania określone przepisami. Przy dużym stopniu ogólności procedur badania próbek oleju i bardzo ograniczonych możliwościach dokonywania takich badań na statku, możliwości stosowania oleju jako narzędzia diagnostycznego silnika as wykorzystywane w niewielkim stopniu. Streszczenie Olej smarowy stosowany w okrętowym spalinowym silniku tłokowym uważany jest za jeden z jego układów funkcjonalnych. W takim ujęciu, zmiany cech fizycznych i chemicznych oleju powinny wskazywać na zmianę stanu technicznego silnika. We współczesnych silnikach olej jest stosowany w wielu jego rozwiązaniach funkcjonalnych. Dlatego też, przy stosowania oleju do różnych aplikacji, musi on spełniać wymagania adekwatne do przypisanej mu funkcji.. Równocześnie strumienie oleju opuszczające struktury funkcjonalne niosą zróżnicowane informacje diagnostyczne. Autorzy podjęli próbę analizy przydatności olejów smarowych jako narzędzia diagnostycznego stanu technicznego spalinowych tłokowych silników okrętowych. Usefulness of lubricating oils as a diagnostic tool technical condition of the marine diesel engines Abstract The lubricating oil used in marine diesel engine is considered to be one of its functional systems. In such an approach, changes in physical and chemical oil parameters shall indicate a change of engine condition. In modern engines, the oil is used in many of its functional solutions. Therefore, the use of oil for various applications, it must meet the requirements relevant to the functions assigned to it. Simultaneously the oil streams leaving the functional structures bring different diagnostic information. The authors have attempted to analyze the possibility of use the lubricating oil, as a diagnostic tool of the marine diesel engine technical condition. BIBLIOGRAFIA 1. Łosiewicz Z., Probabilistyczny model diagnostyczny okrętowego silnika napędu głównego statku, praca doktorska, Gdańsk Basic Principles of Ship Propulsion, MAN Diesel & Turbo, Kopenhaga, Kamiński W. Badanie procesu starzenia oleju smarowego w zasilanych olejem opałowym silnikach Sulzer Praca doktorska. Akademia Marynarki wojennej. Gdynia Kamiński W., Szczepanek M., Eksploatacyjne aspekty utrzymania prawidłowych własności fizyko-chemicznych olejów smarowych w silnikach okrętowych, XII Sympozjum Paliwa płynne i produkty smarowe w gospodarce morskiej, Szczyrk Krupowies J. Wnioskowanie diagnostyczne na podstawie analizy własności eksploatowanego oleju silnikowego 6. MAN Diesel & Turbo, Engine Project Guide, Kopenhaga SIPWA-TP - Piston ring wear. Wartsila Corporation, Waasa Sulzer RT - flex, Engine Selection and Project Manual. Wartsila Corporation, Helsinki Łosiewicz Z., Kamiński W. Use of lube oils in terms of the structural composition of marine piston engines Zeszyty Naukowe, Akademia Morska w Szczecinie 2013, 36(108) Z. 2 S RTA - Type Engines - Piston Crown Spraying Plate of RTA 84C,M,T and CU Engines. Service Biulletin No RTA-22.1, Wartsila NSD Corporation, Winterthur S70ME-C Project Guide Electronically Controlled Two-stroke Engines. MAN B&W Diesel A/S, Kopenhaga