Dnevnik jednog strojara

Podmazivanje Cilindara brodskih sporohodnih 2T motora

Današnji trend u razvoju pomorstva i tehnologije općenito, a samim time i pritisci od strane brodara  , nagnali su proizvođače velikih brodskih dvotaktnih sporohodnih dizelskih motora da konstrukcijskim modifikacijama omoguće uporabu goriva sve lošije kvalitete. Takva goriva sadržavaju tvari koje u određenim uvjetima mogu postati vrlo korozivne. Danas se, generalno gledajući, za pogon trgovačkih brodova koristi sporohodni dvotaktni dizelski motori u rasponu snaga od 5,000 do 80,000 kW i to na goriva vrlo loše kvalitete. O gorivima i standardima goriva ćemo govoriti drugi put. Izgaranje takvih goriva u cilindrima motora neminovno uzrokuje stvaranje elektrokemijske i kemijske korozije, te trenje i trošenje elemenata cilindara i ispušnih vodova.

Od lubrikanata se očekuje da ispune sve veći broj zahtjeva. Njihova primarna funkcija je razdvajanje kliznih površina (podmazivanje), odvođenje topline i održavanje čistoće komponenti. Sekundarna funkcija lubrikanata je brtvljenje, izolacija, zaštita od korozije, kontrola oksidacije, prevencija pjenjenja, raspršivanje onečišćivača, prijenos energije, ublažavanje udara itd.

Motorna ulja trebaju zadovoljiti sljedeće uvjete:

– viskoznost mora udovoljavati uvjetima rada motora bez obzira na izmjenu temperature u dozvoljenim granicama;

 – moraju biti otporna na isparavanje

– moraju biti otporna prema oksidaciji i starenju;

– moraju imati mogućnost rastapanja čađe i koksa u produktima izgaranja;

– moraju imati zadovoljavajuću mazivost (dobru i trajnu čvrstoću uljnog filma);

 – ne smiju biti korozivna.


Ulja za podmazivanje su vrlo složena smjesa pojedinih aditiva i ”baznog” (osnovnog) ulja. Za svaku pojedinu primjenu postoji i specifična mješavina ulja za podmazivanje. Ova ulja su podijeljena po svojim fizikalnim i kemijskim svojstvima. Glavna podjela ulja za podmazivanje je po viskoznosti i području primjene. Viskoznost je trenje nastalo pri strujanju fluida zbog različite brzine gibanja njegovih slojeva. Ili pojednostavljeno: otpor tekućine tečenju. Kvaliteta trenja između slojeva tekućine klasificirana je brojem koji se naziva indeks viskoznosti (engl. Viscosity index – VI) Viskoznost je najvažnija pojedinačna fizikalna karakteristika ulja za podmazivanje jer ona ustvari određuje debljinu uljnog filma. Preciznije, indeks viskoznosti (VI) je definiran kao nejedinični broj koji označava učinak promjene temperature na kinematsku viskoznost ulja. Što je indeks viskoznosti ulja veći, manje opada viskozitet kako raste temperatura, te se tako održava deblji uljni film. SAE (society of automotive enginers) je odredilo standarde viskoznosti ulja a VI (viscosity indeks) se definira brojevima od 0 pa do 90 .Uz njega se obično doda indeks W sto označava zimu tj hladnoću.

U razvoju ulja za podmazivanje koristi se termin Tribologija. Taj termin je nastao iz uvjeta koja ulja za podmazivanje moraju zadovoljiti ,a to su:

1.trenje

2.trošenje

3.podmazivanje

Ulja za podmazivanje moraju zadovoljavati sljedeće kriterije :

 

– Mora smanjiti trenje klizanja između prstenova i prstena obloga na najmanju moguću mjeru, čime se minimalizira metal na metal kontaktno i trenje trošenja. To se postiže dodavanjem aditiva ( zincdithiophosphate ili sulphurised alkaline – vidi gornju tablicu) .Ti aditivi imaju nisku frikciju tj smanjuju otpor kretanja klipnih prstenova u cilindru.

Istrošenje  se definira kao oštećenje čvrste površine koja uglavnom uključuje progresivni gubitak materijala i nastaje zbog relativnog gibanja ( trenja)između supstanci te površine i supstanca ili površine koje su u kontaktu .

– Disperzivi i deterdženti i drugi aditivi koji se dodaju u ulje u cilindru jesu aditivi koji se koriste za neutralizaciju smola netopljivih u ulju ,oksidacijskih produkata i nečistoća koje se nalaze rasute u ulju.Svrha ovih disperziva je da spriječe spajanje oksidacijskih produkata u veće molekule a ukoliko dođe do pojave ovih efekata zbog istrošenosti ulja na zidovima se pojave kao lakirane površine preko kojih klipni prstenovi imaju veće trenje . Oni minimiziraju stvaranje mulja.

Ovdje je potrebno objasniti sto je mulj (sludge). Mulj je mekana, crna, želatinasta emulzija vode i nusproizvoda nastalih izgaranjem kod rada na niskim temperaturama motora.

 Lak (varnish ) je tvrdi, tanki sloj oksidiranih uljnih proizvoda koji se zapeče na dijelove tijekom rada na visokim temperaturama. Dakle, mulj je povezan s radom pri niskim temperaturama motora, dok je lak povezan s radom pri visokim temperaturama motora.

Dakle nakon generalnog uvoda o uljima  možemo krenuti na područje ulja za podmazivanje košuljica  cilindara sporohodnih brodskih motora.U prošlosti su se koristila goriva od 4.5% S2 ,a da bi se postotak sumpora danas spustio na 3.5% a uskoro tj 01.01.2020 postotak sumpora pada na 0.5%. Od 2015 u europskoj zajednici (SECA -sulphur emission control area) se koristi 0.1% sumpora ili ultra low sulphur.O gorivima ćemo nekom drugom prilikom.

Podmazivanje motora s križnom glavom vrši se odvojenim sustavom cilindarskog ulja. Normalna potrošnja iznosi od 0,8 do 1,6 g/kWh (Hans -Jensen lubrifikatori). U tijeku podmazivanja cilindara ulje mora udovoljiti ekstremnim uvjetima tlaka i temperature. U slučaju da ulje ima prenisku ili previsoku viskoznost, na površini cilindra se neće formirati zadovoljavajući uljni film. Ulje preniske viskoznosti nije u stanju održati uljni film pošto prebrzo isparava pod utjecajem visokih temperatura, a ulje prevelike viskoznosti ne može se dovoljno brzo širiti ( razmazati ) po površini cilindra da bi stvorilo neprekinuti uljni film. Uvjeti podmazivanja su se pogoršali kad su se počela upotrebljavati teška goriva koja u sebi imaju veći sadržaj sumpora. To je uvjetovalo potrebu za alkalnim uljima. Danas su u upotrebi samo alkalna ulja, a radi se o visokokvalitetnim mineralnim uljima ( čiji je indeks viskoznosti oko 50 ) s dodatkom aditiva koji povećavaju deterdžentna, disperzivna i alkalna svojstva ulja. Što je postotak sumpora u gorivu veći, ulje mora imati veću alkalnu rezervu, kako bi površine cilindra i klipa bile zaštićene od djelovanja kiselina nastalih izgaranjem goriva. Većina današnjih sporohodnih dizelskih motora koristi cilindarska ulja s TBN = 40 do 70 mg KOH / g ( SAE 50 ) u slučaju kada motor koristi teška goriva sa sadržajem sumpora 1 do 3,5 ( max 4,0 ) %. Za slučaj korištenja teških goriva s preko 3,5 % sumpora, koriste se ulja  s TBN većim od 70 mg KOH/g (do 100 mg KOH/g ), SAE preko 50. Ulja SAE 50 s TBN 20 do 25 mg KOH/g koriste se u motorima koji koriste goriva s 0,5 do 1,0 % sumpora. Za podmazivanje motora koja koriste goriva s niskim sadržajem sumpora, ispod 0,5 %, koriste se niskoalkalna ulja s TBN =10 do 15 mg KOH / g, SAE 30 do 40.

Tvornica MAN B&W za svoju zadnju generaciju motora s oznakom Mark 9 preporučuje upotrebu ulja s TBN 100.Razlog :degradacija teških goriva tako da ulje ne samo što treba neutralizirati kiseline nego treba poništiti i ostale štetne nusprodukte izgaranja.

 

Total Base Number – što je to?

 

BN ulja iskazuje svoj potencijal  neutralizacije  kiselih produkata nastalih izgaranjem.

Ti kiseli produkti nastaju zbog sumpora sadržanog u gorivu. BN se često naziva i “alkalnost”. Konkretno, to je količina kiseline – izražena u  ekvivalentnom broja miligrama alkalnog kalijevog hidroksida – za to je potrebno neutralizirati sve alkalne sastojke u jednom gramu uzorka. BN od 70 za tipičan sporohodni motor ulje u cilindru znači da je količina kiselinskog ekvivalenta

potrebno je do 70 miligrama kalijevog hidroksida radi neutralizacije alkalnih aditiva prisutnih u jednom gram ovog ulja.

Ili pojednostavljeno KOH sluzi da neutralizira visak baza tj osnova koje ustvari neutraliziraju kiseline sa svojim lužnatim svojstvima.A time se sprečava kalcifikacija cilindra.

Teško gorivo za brodske motore sadržava sumpor  u različitim količinama, koja se može kretati od 0,3 do 4,5 % mas. Za vrijeme izgaranjem goriva, sumpor se oksidira na SO2 i SO3 . Dio tih sumpornih oksida kombinira se s vodom tijekom izgaranja i tvore sumpornu i sumpornu kiselinu.

Te kiseline su izrazito korozivne za motorne komponente i treba ih neutralizirati kako bi se spriječilo  trošenje.

Za neutraliziranje kiselina potrebne su baze. To znači da u ulju moraju biti prisutne lužnate baze topive u ulju za podmazivanje košuljica koja se nalaze u motorima s unutrašnjim sagorijevanjem.

TBN se mjeri ovim izrazom :mgKOH/gr sample što znaci koliko miligrama Kalijevog hidroksida je potrebno da se neutralizira količina sumporne kiseline mjerena po gramu uzorka.

Npr.Tipično cilindarsko ulje BN70 znači da potrebna količina od 70 mg kalijevog hidroksida da se neutralizira količina alkala sadržana u jednom gramu uzorka.4

Goriva za brodove sadrže razne količine sumpora koji varira od 0.1 pa do 3.5% mase. Za vrijeme izgaranja goriva sumpor oksidira na SO2 i SO3.Dio tih sumpornih oksida reagira s vodom tj vlagom koja dolazi do cilindra ispirnim zrakom.Pri reakciji sumpornih oksida s vodom stvara se izuzetno korozivna sumporna kiselina H2SO4. Da bi se ova količina vlage smanjila na najmanju moguću mjeru instalira se Water mist catcher na ulazu zraka u ispirni kolektor a nakon rashladnika i ispirnog zraka. Naravno da i temperaturu ispirnog zraka treba držat iznad točke humidacije.

Za neutralizaciju kiselina potrebne su baze ili osnove  i zbog toga imamo Totalni Bazni broj ili totalni broj osnova .

Što su osnove ili baze: Baze su osnovni aditivi topivi u ulju. Kalijev hidroksid nije topiv u ulju i treba baze koje će ga povezati sa cesticama ulja. Base se sastoje od osnovnih detergenata koji su organski sapuni, soli zemljanih alkalnih metala kao Kalcij ,barij i magnezij.

Kalcijev i magnezijev sulfonat i kalcijum fenat se  najčešće primjenjuju. Trik je u spajanju alkalnih metala poput kalcijevog karbonata CaCO3 koji nije topiv u ulju za podmazivanje ,s drugim molekulama tako da taj novi spoj omogući CaCO3 da se stopi s uljem i da  bude u stanju neutralizirati kiseline bez stvaranja štetnih nuspojava.

Najkritičnije točke u Diesel motoru za stvaranje taloga tj depozita su kruna i prstenovi klipa.

Svi koji su vadili klipove brodskih dvotaktnih sporohodnih motora zamijetili su žute naslage na klipu koje naravno potiču os sumpora .Bilo je tu i onih crno sivih ,jako tvrdih, teško se ciste .To su naslage kalcijum karbonata (CaCO3  ) ili po hrvatski- krečnjak -kamen. Zbog tih naslaga se na vrhu košuljice ,između cilindra i glave motora ugrađuje PCR-piston cleaning ring. Njegov dijametar je malo veći od promjera košuljice i kod  prolaska klipa prsten ostruže nakupine kalcijum karbonata sa zidova krune klipa .Ukoliko ne bi bilo PCR-a naslage bi toliko narasle da bi strugale tj oštetile košuljicu. Kod četverotaktnih motora se koristi antipolishing ring koji ima potpuno istu funkciju i svrhu kao i PCR kod dvotaktnih motora.

 Na klipu možemo još naći i nakupine čađe i pepela .Čađa je produkt nepotpunog izgaranja goriva ,a pepeo su skup komponenti koje ne mogu dalje oksidirati.

Najopasnija situacija za motor je kad se koristi niskosumporno gorivo u kombinaciji sa cilindričnim uljem visokog TBN. Tada dolazi to takozvane overalkalinity tj viška kalicijevog karbonata koji se taloži na zidovima cilindra tako da umjesto fine glatke površine imamo kretanje klipa po kamenjaru.

Zbog pravilnog doziranja cilindričnog ulja TBO -time before overhaul je značajno porastao a time su se troškovi jako smanjili. Prije su se koristili Hans -Jensen  lubrikatori ,slika ispod


Iako su imali više mogućnosti podešavanja ,za cijeli blok ,pojedinačno ,jednostavno su brizgali previše ulja u cilindre i prsteni i cilindri su se trošili tako da je 8000 radnih sati bio standard izvlačenja klipa.Potrošnja cilindričnog ulja je bila 0.9-1.4 gr/KWH. Naravno da ce se javiti lagani overalkalinity.

Fazno ubrizgavanje

 

MAN je uočio i implementirao filozofiju da nije važno samo koliko nego i kada ubrizgat ulje u cilindar.

Ta tehnologija se zove Fazno ubrizgavanje .

FAZNO PODMAZIVANJE LUBRIFIKATORI Svrha faznog podmazivanja, je da se cilindarsko ulje doda na površinu košuljice u točno određenom trenutku, tj. kada se stap nalazi neposredno prije GMT u hodu prema GMT ,kad je prvi kompresioni prsten u ravnini sa lubrikatorskim diznama. Fazno podmazivanje se u praksi provodi pomoću lubrikatora (klipne pumpice) koji su mehanički pogonjeni od strane motora, a sinkronizirani su s radom motora. Količina ulja koja se ubrizgava na košuljice motora se može regulirati ručno ili automatski. Cilindarsko ulje se ubrizgava preko nepovratnog ventila, a ravnomjerno nanošenje na površinu košuljice osigurava se distribucijskim kanalima na košuljici i stapnim prstenima. Alfa podmazivanje je elektrohidraulički sustav podmazivanja koji dozira količinu cilindarskog ulja pomoću lubrikatora koji je elektronički pokretan i koji je sinkroniziran s radom motora. Bazira se na ubrizgavanju ulja u točno određenom trenutku pomoću moderne opreme čija se filozofija rada bazira na činjenici da se s poboljšanom kontrolom momenta ubrizgavanja ulja dolazi do uštede potrošnje cilindarskog ulja. Trenutak ubrizgavanja se bazira na signalu koji signalizira položaj koljenastog vratila. Tlak ulja kod elektronski upravljanog znatno je veći od tlaka ulja kod mehanički pokretanog lubrifikatora. To je u komparaciji dvaju sustava također prednost elektronskog upravljanja. Ulje bolje prodire u utor klipnog prstena, učinak podmazivanja je poboljšan. Kod elektronski upravljanog lubrifikatora vrijeme dovođenja ulja znatno je kraće u usporedbi s mehanički pokretanim lubrifikatorom.


Prednosti Alfa lubrikatora, osim što omogućava manju potrošnju cilindarskog ulja, dolaze do izražaja u potpunosti kod MAN ME-C motora jer je cijeli sustav Alfa lubrikatora integriran u visokotlačni elektrohidraulički sustav motora. Integriranost u sustav znači da se upravljanje sustavom Alfa lubrikatora vrši elektronskim upravljačkim sustavom motora (eng. ME ECS) a za aktuaciju Alfa lubrikatora koristi se visokotlačni hidraulički sustav ME-C motora. Moguća je samostalna ugradnja Alfa sustava lubrikatora na konvencionalne motore s tim da je tada potrebna ugradnja pumpne stanice i elektronske upravljačke jedinice.



Upotreba Alpha lubricatora ne samo da je smanjila potrošnju cilindričnog ulja (feed rate 0.60 g/kwh) nego je TBO znatno produžen. Pregledom klipova kroz kolektor ispirnog zraka uočeni su klipovi sa preko 35 000 wh u jako dobrom stanju.

Sulzer ,odnosno Wartsila koristi svoju tehnologiju ,Retro fit pulse system.

Osnovni princip sustava impulsa za podmazivanje je ubrizgavanje točno odmjerenih količina mazivog ulja u cilindru u točno određeno vrijeme pod pritiskom izravno u prstene klipa, odakle je ravnomjerno raspoređen po obodu obloge cilindra.

 

Preporuka u uputstvu za Wärtsilä RTA i RT-flex motore naknadno opremljene Pulse sustavom podmazivanja iznosi 0,8 g / kWh cilindričnog ulja . S tradicionalnom specifičnom potrošnjom ulja od 1,1 – 1,6 g / KWh, to znači da se potrošnja može smanjiti za 30-50% nakon nadogradnje motora s RPLS.


Svojstva cilindarskog ulja sastruganog sa stijenke košuljice odražavaju kemijska svojstva okoline te fizikalno stanje prstena i košuljice, stoga, postoji direktna povezanost između nekih ključnih komponenti sastruganog ulja i stvarnog stanja cilindara. Temeljem podataka iz analize sastruganog ulja, količine doziranog ulja, opterećenja motora i razini trošenja cilindara moguće je sastaviti algoritam podmazivanja. Automatska optimizacija doziranja količine ulja za podmazivanje se mijenja online motrenjem sastava sastruganog ulja iz svakog cilindra, podaci se šalju izravno u glavno računalo (s algoritmom podmazivanja) te se signali šalju prema svakom rasprskaču. Kontrola trošenja stijenke košuljice uzrokovanog korozijom se temelji na kontroli količine dobave.

Funkcija cilindarskog ulja očituje se u sljedećem :

  1. Omogućuje hidrodinamično podmazivanje, tj. osigurava odvajanje radnih površina cilindarske košuljice i stapnih prstena. Količina cilindarskog ulja koja je potrebna da se stvori uljni fi lm uglavnom je neovisna o kvaliteti goriva trenutno u uporabi, a dostatna količina ulja za podmazivanje što je propisuje proizvođač utvrđuje se pregledom radne površine cilindarske košuljice i stapnih prstena kroz ispirne kanale.
  2. Čisti, tj. ispire stapne prstene, njihove kanale i prostor između kanala na stapu. Ispiranje stapnih prstena, kanala i prostora između kanala na stapu od iznimne je važnosti, i prije svega ovisi o svojstvu detergentnosti ulja (deterdžentni aditivi). Sva cilindarska ulja renomiranih proizvođača (Shell, BP, Castrol, Shevron, Total i dr.) danas u uporabi, zadovoljavaju to svojstvo, pa čak i ako je količina ulja za podmazivanje vrlo mala (min 0,6 g/kWh).
  3. Kontrolira elektrokemijsku koroziju, tj. neutralizira sumpornu kiselinu H2SO4. U procesu izgaranja stvara se agresivna sumporna kiselina i količina joj ovisi o količini sumpora u gorivu. Stoga je potrebno odabrati cilindarska ulja koja se mogu nositi s ovim problemom. Poradi postizanja dobrih radnih svojstava svih elemenata u cilindru motora potrebno je osigurati i neprekinutost uljnog filma, pa se u tu svrhu moraju zadovoljiti sljedeći uvjeti: – vrijeme ubrizgavanja cilindarskog ulja mora biti pravovremeno, – vrsta i bazni broj BN cilindarskog ulja moraju biti u skladu s karakteristikama goriva koje je u uporabi. Preporučuju se cilindarska ulja viskoziteta SAE50 i baznog broja BN70 za već uhodan motor, a poželjna je uporaba cilindarskog ulja s BN80 ako je gorivo s većim sadržajem sumpora. Pri uhodavanju na probnom stolu ili za vrijeme uhodavanja na probnoj vožnji i nakon nje, preporučuju se cilindarska ulja s povećanim svojstvom detergentnosti. Nameće se pitanje kako zadržati dostatnu količinu cilindarskog ulja na površini košuljice cilindra ako stapni prsteni klize po njoj nejednolikom brzinom, pa se ne može osigurati konstantno hidrodinamično podmazivanje, a samim time ni neutralizacija sumporne kiseline po čitavoj površini.

Naime, kako se stapni prsteni približavaju gornjoj ili donjoj mrtvoj točki, zbog promjene smjera gibanja brzina im se smanjuje s maksimalne od oko 9,0 ms-1 na 0 ms-1. Pri malim brzinama gibanja hidrodinamično podmazivanje prelazi u elastohidrodinamičko, pa se stapni prsteni tada, u odnosu prema uljnom fi lmu ponašaju kao strugači, te ga uklanjaju s površine cilindarske košuljice, što znači da se formirana sumporna kiselina ne može neutralizirati jer je nedostatna količina ulja. Potrebno je napomenuti da nije isplativo povećati količinu ulja za podmazivanje kako bi se riješio nastali problem. Rješenje se pronašlo u završnoj obradi površine cilindarske košuljice. Većina strojno obrađenih površina ima površinsku hrapavost raspoređenu približno Gausovom razdiobom. Višestruke su površinske završne obrade puno važnije od jednoprocesnih, gledano s funkcionalne točke gledišta. Završna obrada tipa Plateau honed tipična je dvoprocesna završna obrada jer nastaje primjenom dvaju procesa, klasičnoga ili grubog poravnavanja (Coarse honing) i završnoga ili finog poravnavanja (Plateau honing). Poznato je da se završnom obradom poravnanja površine (Honing) dobiva površinska hrapavost po Gausovoj raspodjeli. Primjenom dvoprocesne površinske obrade, tj. ako se primijeni grubo, a zatim fi no poravnanje, nastat će preklapanje Gausovih razdioba hrapavosti površina jedne preko druge, pa će površina tako obrađene cilindarske košuljice imati karakteristike otporne na trošenje, ali i veliku površinsku nosivost a obradom nastale neravnine služe kao uljni džepovi i sakupljači strugotina.

Srećko Mimica