船用柴油機(jī)氣缸積碳問(wèn)題分析及對(duì)策

鄧健星，湯卓鑫，羅火城

（玉柴船舶動(dòng)力股份有限公司，珠海 519175）

1 前言

隨著船東對(duì)船用低速柴油機(jī)功率重量比、燃料經(jīng)濟(jì)性、排放等要求不斷提高，柴油機(jī)的平均有效壓力、爆壓等關(guān)鍵參數(shù)也隨之提高。作為柴油機(jī)氣缸內(nèi)摩擦損失的主要運(yùn)動(dòng)件的潤(rùn)滑性能越來(lái)越受到關(guān)注，尤其對(duì)使用燃油硫含量要求越來(lái)越苛刻的情況下，船東不得不使用各種低硫油，同時(shí)為節(jié)約成本，柴油機(jī)長(zhǎng)期在低負(fù)荷下運(yùn)行，導(dǎo)致柴油機(jī)出現(xiàn)氣缸積碳，甚至拉缸等現(xiàn)象，給船舶正常運(yùn)營(yíng)帶來(lái)很大隱患。本文以某型柴油機(jī)為例，通過(guò)針對(duì)性分析，對(duì)船用柴油機(jī)氣缸潤(rùn)滑油提出進(jìn)一步的要求，同時(shí)規(guī)范操作規(guī)程，從源頭上基本解決氣缸積碳現(xiàn)象。

2 某型柴油機(jī)氣缸積碳排查情況

某型柴油機(jī)例行拆缸檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)各氣缸存在嚴(yán)重積碳現(xiàn)象（見(jiàn)圖1），經(jīng)深入分析，確定了產(chǎn)生該問(wèn)題的主要原因是：使用的氣缸潤(rùn)滑油的型號(hào)與燃油的特性不匹配，以及柴油機(jī)長(zhǎng)期處于非正常工況下運(yùn)行。

圖1 氣缸積碳

為了更深入地分析問(wèn)題，對(duì)柴油機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行排查：

1）柴油機(jī)燃油硫含量＞3.2%，屬于高硫份劣質(zhì)燃料渣油；

2）柴油機(jī)選用的氣缸潤(rùn)滑油TBN 值＜70，與高硫份劣質(zhì)燃料渣油不匹配；

3）柴油機(jī)氣缸潤(rùn)滑油注油率偏高，為1.6 g/kWh；

4）柴油機(jī)長(zhǎng)期處于低負(fù)荷經(jīng)濟(jì)運(yùn)行（＜50%負(fù)荷）工況狀態(tài)；

5）柴油機(jī)合同功率點(diǎn)為R4 點(diǎn)，最低轉(zhuǎn)速，最低功率。

3 氣缸積碳原因分析及防范措施

3.1 積碳形成機(jī)理

船用二沖程柴油機(jī)氣缸積碳，主要為硫酸鈣的產(chǎn)物，是由氣缸潤(rùn)滑油的添加劑碳酸鈣與濃硫酸中和化學(xué)反應(yīng)而形成的。在正常情況下，硫酸鈣被融混在氣缸潤(rùn)滑油膜中，活塞頭上的活塞環(huán)對(duì)珩磨加工的缸套金屬表面的積碳連續(xù)清理，大部分可隨廢氣排出氣缸。由于某種原因，氣缸套表面、活塞頭、燃燒室的其他區(qū)域的氣缸潤(rùn)滑油油膜減少，促使硫酸鈣逐漸沉積下來(lái)，加上煙灰和其他燃燒相關(guān)產(chǎn)物的熏陶集聚，在高溫油煙熏烤下的沉積物表面呈現(xiàn)深色或黑色，使氣缸內(nèi)形成積碳，柴油機(jī)溫度越高，形成的積碳越硬越緊密，與金屬粘結(jié)越牢固。

3.2 氣缸潤(rùn)滑油

船用二沖程柴油機(jī)，在運(yùn)行中通過(guò)注油槍連續(xù)不斷地往氣缸套壁上注入一定量氣缸潤(rùn)滑油，此時(shí)氣缸潤(rùn)滑油將均勻地分布在氣缸套壁上形成油膜，從而減少氣缸套與活塞環(huán)、氣缸套與活塞裙等摩擦副的磨損；運(yùn)動(dòng)副摩擦產(chǎn)生的金屬顆粒和燃燒產(chǎn)生的磨粒，將隨氣缸潤(rùn)滑油通過(guò)活塞環(huán)刮至掃氣箱并排出；氣缸潤(rùn)滑油中的堿性物質(zhì)，中和燃燒產(chǎn)物中的酸性物質(zhì)，減少對(duì)氣缸套的腐蝕[1]。

良好的氣缸潤(rùn)滑油，應(yīng)具備以下特性：良好的潤(rùn)滑性；合適的粘度和粘度指數(shù)；較好的清凈分散性、抗氧化性和抗磨損。

在選用氣缸潤(rùn)滑油時(shí)，務(wù)必注意氣缸潤(rùn)滑油堿性值（BN）。BN 值是中和燃油中的酸和控制缸套表面腐蝕磨損的重要參數(shù)，應(yīng)與柴油機(jī)使用燃油的硫含量相匹配。對(duì)于WinGD 船用二沖程柴油機(jī)，低硫燃油使用低堿值氣缸潤(rùn)滑油（BN40），若使用高堿值，需適當(dāng)降低注油率。

3.3 氣缸積碳產(chǎn)生的原因

氣缸積碳產(chǎn)生的原因非常復(fù)雜，主要與氣缸潤(rùn)滑油的型號(hào)、燃油的品質(zhì)、柴油機(jī)工作條件、操作方法等密切相關(guān)，現(xiàn)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：

1）氣缸潤(rùn)滑油注油率過(guò)高

柴油機(jī)在試航后未及時(shí)調(diào)整氣缸潤(rùn)滑油，導(dǎo)致缸內(nèi)噴射過(guò)多的氣缸潤(rùn)滑油，經(jīng)高溫燃燒產(chǎn)生積碳；

2）氣缸潤(rùn)滑油油品差

例如：總堿值（TBN）與燃料油含硫份量不匹配，去污垢的能力和熱穩(wěn)定性差等；氣缸潤(rùn)滑油的型號(hào)選用應(yīng)與燃料油含硫量相匹配，否則無(wú)法中和噴入氣缸酸性物質(zhì)，同時(shí)氣缸潤(rùn)滑油的去污性能差，無(wú)法及時(shí)清理缸內(nèi)多余的氣缸潤(rùn)滑油和積碳；

3）燃油油品差

例如：含硫量太高（＞3.5%），含水分、渣滓高等；在貯存和運(yùn)輸過(guò)程中，燃油容易發(fā)生氧化反應(yīng)生成膠狀物質(zhì)，這些膠狀物質(zhì)可能溶于柴油，燃油品質(zhì)越差，含殘?zhí)贾翟礁?，越易使柴油機(jī)形成積碳；同時(shí)，油品較差的燃油中酸性物質(zhì)和水分使噴油器偶件過(guò)早磨損，導(dǎo)致噴油器工作不正常，使燃燒室內(nèi)燃油燃燒不充分而形成積碳;

4）燃油進(jìn)機(jī)前未預(yù)熱、過(guò)濾

燃料油在進(jìn)入柴油機(jī)前務(wù)必加熱、過(guò)濾，保證燃料油進(jìn)機(jī)粘度在13～17 cSt，并不得含有＞25μm的雜質(zhì)，保證噴油器正常工作；

5）活塞環(huán)槽、活塞頭、燃燒室和排氣閥空間等長(zhǎng)期積碳未清理

氣缸潤(rùn)滑油屬于消耗油，燃燒后會(huì)出現(xiàn)一些積碳附在活塞環(huán)槽、活塞頭、排氣閥內(nèi)表面等，正常情況下，雖然部分的積碳會(huì)隨著廢氣氣流排出，但也要按照柴油機(jī)保養(yǎng)要求定期進(jìn)行清理；

6）柴油機(jī)長(zhǎng)期低負(fù)荷、超低負(fù)荷運(yùn)行

柴油機(jī)長(zhǎng)期在低負(fù)荷運(yùn)行，掃氣壓力過(guò)低，空燃比過(guò)低，并且柴油噴射壓力過(guò)低，從而導(dǎo)致燃燒不充分，形成大量的積碳；

7）柴油機(jī)噴油器霧化效果差，燃料燃燒不充分[2]；

在柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，每個(gè)噴油器在每一個(gè)工作循環(huán)以一定的角度往燃燒室噴入細(xì)微的燃油，當(dāng)噴油器的偶件出現(xiàn)卡滯時(shí)，會(huì)導(dǎo)致燃油霧化不良、噴油壓力過(guò)低等故障，使進(jìn)入燃燒室內(nèi)的燃油達(dá)不到充分燃燒的要求，導(dǎo)致燃燒不充分或來(lái)不及燃燒。

3.4 氣缸積碳的危害

積碳聚集在燃燒室內(nèi)，柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，噴油器噴出的燃油可能會(huì)被積碳吸收飽和后釋放，導(dǎo)致空燃比時(shí)高時(shí)低，使柴油機(jī)在低負(fù)荷時(shí)容易出現(xiàn)敲缸或轉(zhuǎn)速不穩(wěn)現(xiàn)象；在柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，積碳會(huì)影響燃燒部件的導(dǎo)熱性，活塞頭和氣缸套上的大量積碳會(huì)導(dǎo)致局部過(guò)熱，使剛度和強(qiáng)度下降，嚴(yán)重時(shí)造成噴油器偶件卡滯、氣缸套冷腐蝕、活塞環(huán)卡死和拉缸等。由此可見(jiàn)，柴油機(jī)內(nèi)部各處積碳給柴油機(jī)正常運(yùn)行帶來(lái)諸多不利影響，其主要危害有：

1）氣缸潤(rùn)滑劑供油率過(guò)高時(shí)，導(dǎo)致嚴(yán)重積碳，如果積碳過(guò)多并沒(méi)有及時(shí)清除，容易堵塞活塞環(huán)槽，造成活塞環(huán)活動(dòng)不靈活、失去彈性和密封性，或因串氣而斷裂，最終使活塞環(huán)徹底失效；

2）氣缸套表面因積碳層硬顆粒摩擦，導(dǎo)熱不均勻，產(chǎn)生氣缸套起線甚至拉缸，進(jìn)而使氣缸套報(bào)廢；

3）由于積碳造成活塞頭冷卻效果差，或因局部過(guò)熱而燒壞活塞頭；

4）燃燒室積碳過(guò)度，影響排氣閥桿和閥座正常功能，甚至導(dǎo)致?lián)p傷和破壞；

5）長(zhǎng)期積碳過(guò)度，影響活塞桿填料函正常功能，甚至導(dǎo)致?lián)p傷和破壞；

6）長(zhǎng)期積碳過(guò)度，影響增壓器透平端零部件正常功能，甚至導(dǎo)致?lián)p傷和破壞。

3.5 減少氣缸積碳的措施

柴油機(jī)在工作過(guò)程中，氣缸潤(rùn)滑油不斷注入氣缸內(nèi)注入，燃燒產(chǎn)生一定量的積碳是不可避免的現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)積碳的生成機(jī)理和柴油機(jī)操作方面采取預(yù)防措施，減少積碳：

1）選用合格的氣缸潤(rùn)滑油品牌和型號(hào)

根據(jù)燃油的含硫量，選用合適的氣缸潤(rùn)滑油。圖2 為不同硫含量的燃油，對(duì)應(yīng)不同BN 值的氣缸潤(rùn)滑油。

圖2 不同硫含量的燃油對(duì)應(yīng)不同BN 值的氣缸潤(rùn)滑油

柴油機(jī)技術(shù)在不斷發(fā)展，為提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，采用更高的爆壓和燃燒室部件溫度，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件更加苛刻，所以在選用氣缸潤(rùn)滑油型號(hào)時(shí)需特別嚴(yán)謹(jǐn)和慎重，不單要考慮燃油的硫含量，還要考慮去污能力。如MAN 最新主機(jī)，要求選用BN140 和BN100 二類(lèi)氣缸潤(rùn)滑油；近期發(fā)布的BN40 二類(lèi)氣缸潤(rùn)滑油也滿足要求，如殼牌Shell Alexia 40XC 和雪佛龍Taro Ultra Advanced 40。

2）合理設(shè)定柴油機(jī)初期磨合運(yùn)行及正常運(yùn)行時(shí)氣缸潤(rùn)滑油的供油率

傳統(tǒng)機(jī)型（如RT-flex50-D），設(shè)定的氣缸潤(rùn)滑油注油率為0.6～1.2 g/kWh，根據(jù)裝用的氣缸潤(rùn)滑油系統(tǒng)類(lèi)型調(diào)整氣缸潤(rùn)滑油注油率；通常磨合期間，脈沖潤(rùn)滑油系統(tǒng)最大氣缸潤(rùn)滑油注油率為1.2 g/kWh；隨著氣缸磨合的進(jìn)程，根據(jù)氣缸實(shí)際狀況，逐步減少氣缸潤(rùn)滑油注油率。

船舶試航后，柴油機(jī)氣缸潤(rùn)滑油注油率應(yīng)設(shè)置為0.9 g/kWh，如需進(jìn)一步下調(diào)注油率，務(wù)必檢測(cè)活塞下部殘余的氣缸潤(rùn)滑油的堿值和鐵含量，其檢測(cè)結(jié)果滿足圖3 中安全區(qū)要求；同時(shí)通過(guò)掃氣口檢查氣缸套和活塞的工作面的實(shí)際狀況，圖4 為正常情況。兩者均需滿足，每次調(diào)整不能大于0.05 g/kWh。

圖3 活塞下部殘余氣缸潤(rùn)滑油檢驗(yàn)建議區(qū)

圖4 活塞環(huán)檢查照片

由于船舶航行時(shí)，實(shí)際情況比設(shè)計(jì)工況要復(fù)雜得多，所以氣缸潤(rùn)滑油實(shí)際注油率主要取決于船東對(duì)以下因素的綜合考慮：

（1）柴油機(jī)常用運(yùn)行負(fù)荷工況；

（2）燃油的油品質(zhì)量（主要是含硫量S）；

（3）輪機(jī)運(yùn)行管理水平和輪機(jī)員業(yè)務(wù)素質(zhì)；

（4）氣缸潤(rùn)滑油油品質(zhì)量（BN 值和去污能力）；

（5）船東對(duì)氣缸潤(rùn)滑油、燃料油價(jià)格與備件氣缸套或活塞環(huán)更換頻次。

3）定期吊缸妥善清除活塞環(huán)槽、活塞頭、燃燒室和排氣閥空間等積碳，保證活塞環(huán)在活塞環(huán)槽內(nèi)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，活塞頭表面沒(méi)有明顯的積碳；

4）盡量避免柴油機(jī)長(zhǎng)期低負(fù)荷、超低負(fù)荷運(yùn)行；如無(wú)法避免，應(yīng)改造氣缸套冷卻水系統(tǒng)，盡量提高缸套冷卻水溫度，避免出現(xiàn)缸套冷腐蝕及燃燒不完全情況；

5）定期檢查噴油器霧化效果，保證燃料在高壓下有效噴射，避免出現(xiàn)燃料燃燒不充分情況；

6）定期檢查排氣閥閥桿軸封，及時(shí)排除排氣閥閥桿潤(rùn)滑油泄漏或滲漏；

7）關(guān)注各缸排煙溫度，保證各缸排煙溫度低于515 ℃，各缸之間的溫度差不高于50 ℃。

4 結(jié)束語(yǔ)

船舶的正常行駛離不開(kāi)船用柴油機(jī)（主機(jī)）提供源源不斷的動(dòng)力，主機(jī)正常運(yùn)行也離不開(kāi)各系統(tǒng)的正常運(yùn)行和船員正常操作，主機(jī)氣缸積碳問(wèn)題嚴(yán)重影響船舶正常運(yùn)營(yíng)。本文提出的解決氣缸積碳措施，已從船舶運(yùn)營(yíng)中得到有效驗(yàn)證，具有一定的參考借鑒價(jià)值。