Дизель – генератор Э16МАЗ и применение ремонтно- восстановительных составов

Испытания в ЦНИИД  – институт дизеля, проводились в 2005 г. по заказу ЗАО НПО «Руспромремонт», которая на тот момент являлась партнером компании RVS-Tec OY. По компонентному составу РВС производства ЗАО НПО «Руспромремонт» представляет собой суспензию мелкодисперсной минеральной смеси на масляной основе.

По существующей теории, попадая на поверхности трения вместе с маслом, соединения геомодификатора под воздействием высокой температуры и давления инициируют процесс формирования на трущихся поверхностях металлокерамического покрытия с высокой износостойкостью и малым коэффициентом трения. Следовательно, применение «РВС - технологии» в дизелях должно обеспечить повышение их ресурса путём восстановления и упрочнения поверхностей трущихся деталей и снижение расхода ГСМ за счёт уменьшения механических потерь, что актуально для организаций, эксплуатирующих двигатели внутреннего сгорания.

Вместе с тем, большой ассортимент предлагаемых на рынке автохимии геомодификаторов, а также ограниченное число работ, посвящённых их применению, не всегда приводят к положительным результатам в использовании ремонтно-восстановительных препаратов в дизелях. Поэтому проведение данных испытаний «РВС - технологии» на дизельных двигателях является весьма актуальной задачей, имеющей большое практическое значение.

Целью настоящей работы является оценка антифрикционных и антиизносных свойств продукта «РВС – технологии» и его влияния на экологические характеристики дизельного двигателя. Моторные испытания были проведены на дизель – генераторе Э16МАЗ в ООО «ЦНИДИ» по договору с ЗАО Научно-производственное объединение «Руспромремонт» - одним из основных производителей ремонтно–восстановительных препаратов в России.

1 Экспериментальная установка и методика

Проведение моторных испытаний

Оценка эффективности применения «РВС – технологии» в моторных маслах проводились на дизеле 4 ч 9,5/11 по следующим параметрам:

• износ деталей цилиндро - поршневой группы;
• нагаро и лакообразование на поршнях;
• изменение качества работающего масла;
• расход топлива и масла на угар;
• потери мощности на трение;
• содержание вредных выбросов в выхлопных газах;
• расход картерных газов;
• изменение компрессии в цилиндрах дизеля.

Для выполнения работ была разработана и согласована с ЗАО НПО «Руспромремонт» программа испытаний продукта «РВС – технология». Программа базируется на основных положениях ОСТ 24.060.09-79 «Методика оценки моторных и физико-химических свойств масел при их стендовых испытаниях».

Моторный стенд, на котором проводились испытания, представляет собой дизель – электрический агрегат Э16МАЗ производства Рижского дизелестроительного завода, состоящий из дизеля Р4-8 (типа 4 ч 9,5/11) и трёхфазного генератора 4ГМ-20, показанный на фото 2.1. Основные характеристики экспериментальной установки проведены в таблице 2.1. Нагрузка дизель – генератора осуществлялась с помощью реостатных сопротивлений (активная) по следующим дискретным значениям 4,3; 14,7 и 20 кВт. Для контроля параметров нагрузки стенд был дооборудован электроизмерительными приборами (амперметрами, вольтметром и частотомером). Замер частоты вращения коленчатого вала производился с помощью электронного тахометра «ТЭСА». В качестве первичного преобразователя служил индукционный датчик ППТ-26, установленный над зубчатым диском, смонтированным на коленчатом валу дизеля. Для замера температуры выхлопных газов на каждом цилиндре была установлена термопара ТХА-0515, сигнал от которой по компенсационным проводам (хромель - алюмель) поступал на милливольтметр типа Ш4500. Для ужесточения работы дизеля из системы смазки был исключён частично-поточный фильтр тонкой очистки масла.

Дизельный двигатель моторного стенда

Таблица 2.1 Основные технические данные дизель – электрического агрегата Э16МАЗ

Замер потерь мощности на трение осуществлялся методом двойного выбега. Сущность метода заключается в фиксации тахограммы остановки дизеля под нагрузкой. Для получения тахограммы была использована методика измерений мгновенных значений частоты вращения коленчатого вала дизеля с применением персонального компьютера. Для формирования электрического сигнала использовался индукционный датчик скорости ДС – 1, установленный на кожухе над зубчатым венцом маховика дизеля. Перевод электрической величины в цифровой код осуществлялся с помощью аналого – цифрового преобразователя. Данные измерений после обработки по специальным программам распечатывались на лазерном принтере в виде графика, удобного для последующей обработки и расчётов.

На рис. 2.1 в качестве примера показаны тахограммы двойного выбега дизель – генератора Э16МАЗ после 150 часов работы на масле М - 14В2 с добавкой «РВС – 1» при Ne = 20 кВт. По полученным графикам определялся угол наклона тахограммы к оси абсцисс при нагруженном (αн) и ненагруженном (αо) дизеле. Потери мощности на трение при этом определялись из следующего соотношения:

где αн и αо – соответственно углы наклона тахограмм нагруженного и ненагруженного дизеля;

ηм – механический КПД дизеля.

Для устранения влияния изменения компрессии в цилиндро – поршневых группах дизеля ряд тахограмм фиксировался с включённым декомпрессором.

Измерения выбросов вредных веществ с отработавшими газами дизеля проводились специалистами лаборатории «ЦНИДИ – Экосервис». Для контроля состава отработавших газов по компонентам NOx, CO, CH использовалась комплексная газоаналитическая система ТЕСТ -1КП. Замер дымности отработавших газов (дымовое число фильтра FSN) проводился фильтрационным методом с помощью прибора марки «BOSCH». Испытания по оценке вредных выбросов велись по дизель – генераторному циклу в соответствии с ГОСТ Р 51249 – 99 с последующим расчётом удельных средневзвешенных значений по каждому контролируемому параметру.

Расход газов, прорывающихся через ЦПГ дизеля,  измерялся газовым счётчиком типа ГСБ-400.

Испытания дизеля проводились на моторном масле М - 14В2 ГОСТ 12337 – 84 производства «Лукойл – Пермнефтеоргсинтез» и дизельном топливе ГОСТ 305 – 82 марки З – 0,2 минус 35 «ЕВРО» (поставщик «Петербургская топливная компания)

В соответствии с программой работ в процессе испытаний из системы смазки дизеля периодически производился отбор проб работающего моторного масла для их физико – химического анализа в лаборатории. Контроль процесса старения масла при проведении базового и опытного этапов моторных испытаний осуществлялся по следующим основным направлениям: загрязнение, окисление и срабатывание присадок. С этой целью пробы масел анализировались по следующим показателям: вязкость кинематическая, фотометрический коэффициент загрязнённости, водородный показатель рН, щелочное число, диспергирующая способность, сульфатная зольность. Возможность возникновения аварийной ситуации в дизеле (попадание топлива и воды в систему смазки) контролировалась параметрами: температура вспышки и содержание воды в масле.

Износ деталей цилиндро – поршневой группы оценивался изменением веса поршневых колец и вкладышей подшипников, обмером цилиндровых втулок и зазоров в замках колец в конце каждого этапа испытаний.

Оценка нагаро- и лакообразования на поршнях и клапанах производилась по отрицательной системе (0 баллов – чистый элемент поршня, 10 баллов – на 100% заполненный отложениями) согласно ОСТ 24.060.09 – 79.

В ходе испытаний замерялся расход топлива на номинальном режиме и по нагрузочной характеристике работы дизель – генератора. Компрессия по цилиндрам замерялась на горячем двигателе сразу после его остановки.

Расход масла на угар фиксировался в конце каждого этапа с учётом долива и отобранных для анализа проб.

2 Результаты моторных испытаний «РВС–технологии» на дизель-генераторе Э16МАЗ2.1. Оценка антифрикционных свойств

«РВС – технологии» при работе дизеля 4 Ч 9,5/11

В соответствии с программой работ на дизель - генераторе Э16МАЗ было проведено два этапа испытаний по 154 моточаса каждый – первый (базовый) на масле М - 14В2 и второй (опытный) с применением «РВС - технологии». В ходе выполнения 2-го этапа ввод добавки «РВС - 1» в систему смазки осуществлялся тремя порциями по 2 мл в период 20-50 часов работы дизеля.

Оценка антифрикционных свойств «РВС - технологии» производилась по параметрам: изменение механического КПД дизеля и удельного расхода топлива. Результаты замеров потерь мощности дизеля на трение методом двойного выбега и расчета механического КПД приведены в табл.3.1 и на рис.3.1. Как отмечалось ранее, для устранения влияния изменения компрессии в цилиндрах ряд тахограмм фиксировался с включенным декомпрессором. Из представленных данных видно, что ввод «РВС - 1» в систему смазки привел к повышению механического КПД дизеля на 4-5% в зависимости от режима его нагрузки. При этом по абсолютной величине значения механического КПД, полученные с включенным декомпрессором выше по сравнению с аналогичными замерами без включения декомпрессора.

Таблица 3. Влияние добавки «РВС - 1» на механический КПД дизеля 4 ч 9,5/1

На рис. 3.1 (б) показана динамика роста механического КПД в процессе 2-го этапа испытаний. При Ne = 14,7 кВт после ввода «РВС - 1» механический КПД вырос с 0,91 до 0,96 к 150 часам работы дизеля.

Результаты замеров удельного расхода топлива приведены на рис. 3.2.

Сравнительный анализ нагрузочных характеристик дизель - генератора по первому и второму этапам испытаний показал снижение удельного расхода топлива при применении «РВС - технологии» в пределах 4,1-6,6% в зависимости от нагрузки дизеля. На номинальной нагрузке (Ne = 20 кВт) снижение удельного расхода топлива составило 6,3%: (с 286 г/кВтч до 268 г/кВтч). На рис.3.2 (б) показано изменение удельного расхода топлива на номинале во времени на 1-ом и 2-ом этапах испытаний. Из представленных данных видно, что на втором (опытном) этапе наблюдается снижение расхода топлива, что соответствует приведенным выше данным о снижении мощности механических потерь после введения в систему смазки добавки «РВС - 1».

2.2 Кинетика расхода газов через картер дизеля

Замер расхода картерных газов производился один раз за цикл испытаний при номинальной нагрузке дизеля. Подключение газового счетчика ГСБ-400 осуществлялось к трубке отвода газов из клапанной крышки во впускной коллектор дизеля. Результаты измерений приведены на рис. 3.3. Анализ данных показал, что в начале каждого этапа наблюдались относительно высокие значения расходов газа (8,5-9,3) л/мин., что, видимо, было связано с переборкой дизеля. Кроме того, на втором этапе на 4-ом поршне был установлен новый комплект компрессионных колец и шатунных вкладышей. После приработки в течение 15 - 20 часов после переборки расход картерных газов снижается: на 1-ом этапе до 6 л/мин., а на 2-ом - до 7,5 л/мин. Во временном интервале 20 - 150 часов, как видно из рис.3.3, на 1-ом этапе происходит увеличение расхода газов до 7,0-7,5 л/мин., связанное, вероятно, с износом деталей ЦПГ. В это же время на этапе с применением добавки «РВС - 1» наблюдается снижение расхода картерных газов до уровня 6,0 л/мин. Объяснение этому процессу, очевидно, следует искать в повышении газоплотности цилиндропоршневой группы при использовании «РВС - технологии». Подтверждением этому могут служить данные замеров компрессии по цилиндрам, выполненные на 1-ом и 2-ом этапах испытаний, приведённые в табл. 3.2.

Таблица 3.2 Результаты замеров компрессии по цилиндрам дизеля 4 ч 9,5/11.

Из таблицы 3.2 видно повышение компрессии в 1-ом и 2- ом цилиндрах на 2-м этапе испытаний. В эти цилиндры после 49 часов работы дизеля ввиду небольших значений замеренной компрессии был введён препарат «РВС – 1».

Повышение газоплотности ЦПГ и увеличение компрессии по цилиндрам может быть вызвано образованием большого количества нагара и лака на боковых поверхностях поршней и поршневых кольцах. Поэтому, представляется целесообразным в данном разделе отчёта рассмотреть результаты оценки нагаро - лакообразования на поршнях после каждого этапа испытаний. В таблице 3.3 показано сравнение загрязнённости элементов поршней после проведения 1-го и 2-го этапов испытаний.

Таблица 3.3 Влияние «РВС – 1» на образование нагаро – лакоотложений на поршнях дизеля 4 ч 9,5/11

Из данных таблицы 3.3 следует, что степень загрязнённости практически всех элементов поршней после работы дизеля на масле М – 14В2 с «РВС - 1» ниже по сравнению с результатами оценки после 1-го этапа испытаний. При этом общий балл загрязнённости поршней при работе на масле М – 14В2 составляет 8,1 балла, а на этапе с применением «РВС – 1» - 4,6 балла. Следовательно, в данном случае, нагаро - лакоотложения не могут быть причиной снижения количества прорывающихся газов и повышения газоплотности поршней при использовании «РВС – технологии».

2.3 Исследование антиизносных свойств «РВС – технологии» при работе дизеля 4 Ч 9,5/11

Износ поверхностей трения поршневых колец и вкладышей шатунных подшипников оценивался гравиметрическим методом на 1-ом и 2-ом этапах испытаний. Кроме того, контролировалось изменение зазоров в замках поршневых колец, в сопряжениях поршень – втулка и кольцо – канавка. На поршнях дизеля 4 ч 89,5/11 установлено по 4 кольца: первое - хромированное, прямоугольного сечения, второе и третье – торсионные (скручивающиеся), с выточкой во внутреннем верхнем углу поперечного сечения, четвёртое – маслосъёмное, коробчатое, с пружинным экспандером.

Результаты замеров износа поршневых колец в процессе испытаний приведены в таблицах 3.4 и 3.5. При работе дизеля на масле М – 14В2  с добавкой «РВС – 1» износ колец уменьшился в среднем на 20%. Наибольшее снижение - 41% было получено по износу маслосъёмных колец. Снижение износа от первого к четвёртому поршневому кольцу при сравнении результатов 1-го и 2-го этапов испытаний, вероятно, является следствием улучшения антиизносных свойств моторного масла за счёт применения добавки «РВС–1». Результаты гравиметрирования по снижению износа поршневых колец в присутствии «РВС – 1» подтверждаются сравнительными данными по замеру зазоров в замках колец, представленными в таблице 3.5.

Таблица 3.4 Износ поршневых колец дизеля 4 ч 9,5/11 после 154 часов работы на различных маслах

Примечание. В таблице 3.4 представлены средние значения износа колец по 4-м цилиндрам.

Таблица 3.5 Изменение зазоров в замках поршневых колец после 154 часов работы дизеля 4 ч 9,5/11

Примечание. Замер зазоров производился в калибре – (95 -0,035) мм.

Параметры износа вкладышей шатунных подшипников приведены в таблице 3.6. Анализ результатов показывает уменьшение износа как верхних, так и нижних вкладышей подшипников при работе дизеля на масле М – 14В2  с добавкой «РВС – 1». Снижение среднего значения суммарного износа вкладышей составило 44% по сравнению с базовым этапом.

Информация по изменению монтажных, номинальных и предельно-допустимых зазоров ЦПГ дизеля: изменение зазоров в сопряжении «кольцо – канавка» при работе на масле с «РВС – 1» незначительно и составляет 1 – 2 мкм, а в ряде случаев по 3-му и 4-му поршневым кольцам вообще отсутствует. Таким образом, полученные результаты по снижению износа при использовании «РВС – 1» могут служить подтверждением теории образования на поверхностях трения в присутствии геомодификатора композитной металлокерамической структуры (металл – минерал), обладающей высокой твёрдостью и износостойкостью /2,3/.

Таблица 3.6 Износ вкладышей шатунных подшипников после 154 часов работы дизеля 4 ч 9,5/11 на разных маслах

2.4 Влияние «РВС – технологии» на изменение состава отработавших газов

В настоящее время большое внимание уделяется снижению содержания токсических компонентов CO, CH, NOx и сажи в отработавших газах двигателей. В соответствии с программой испытаний через 70 и 150 моточасов работы дизеля на каждом этапе проводились замеры выбросов вредных веществ в отработавших газах. Обобщённые результаты измерений представлены в таблице 3.7.

Из приведённых данных видно, что на этапе с применением добавки «РВС – 1» нормируемые по ГОСТ Р 51249-99 параметры – средневзвешенные значения: оксидов азота (NOx) возросли на 6,6%, а оксидов углерода (СО) и углеводородов (СН) уменьшились на 11,2% и 30,8% соответственно. Дымовое число фильтра FSN (ГОСТ Р 51250-99) снизилось на 62,5%.

Полученные результаты, видимо, являются следствием уменьшения расхода топлива за счёт снижения механических потерь и улучшения рабочего процесса (повышения полноты сгорания топлива) дизеля. Кроме того, на уменьшение содержания остаточных углеводородов (СН) в отработавших газах, вероятно, оказал влияние более низкий расход масла на угар, полученный на 2-ом этапе испытаний (см. табл.3.7), а также более низкий уровень прорыва газов из камеры сгорания в зазоры поршневой группы, рассмотренный выше.

Таким образом, добавка «РВС – 1» к моторному маслу эффективно снижает содержание CO, CH и особенно дымность в отработавших газах дизельного двигателя, а также расходы топлива и масла на угар.

Таблица 3.7 Изменение содержания вредных выбросов, расходов топлива и масла при работе дизеля на масле М – 14В2 с добавкой «РВС - 1»

2.5 Анализ процесса старения масла при использовании «РВС – технологии» в системе смазки дизеля

Эффект от применения ремонтно-восстановительных составов, как отмечалось ранее, достигается, видимо, за счёт образования металло - керамических структур на трущихся поверхностях. При этом смазочное масло рассматривается как средство доставки геомодификатора к парам трения, который не должен менять его эксплуатационных свойств.

Вместе с тем, представляется целесообразным проанализировать влияние геомодификаторов, представляющих собой суспензии минералов различной степени дисперсности, как на отдельные эксплуатационные свойства, так и на процесс старения моторного масла в дизеле в целом.

С этой целью во время испытаний из системы смазки дизеля периодически отбирались пробы масла и проводился их анализ. Кинетика изменения основных физико-химических параметров масла представлена на рис. 3.4 и рис. 3.5. Из приведённых данных видно, что на обоих этапах испытаний процесс старения масла характеризуется средним уровнем интенсивности. Значения щелочного числа (содержания присадок в масле) не опускались ниже 5,4 мг кон/г, водородного показателя рН (наличие соединений кислотного характера)