張皓鈺　鄧剛　朱濤　張定國(guó)

摘要：為解決某船用柴油機(jī)機(jī)油中含碳量過(guò)高導(dǎo)致的早期老化現(xiàn)象，模擬實(shí)際作業(yè)工況對(duì)該柴油機(jī)進(jìn)行仿真分析及臺(tái)架試驗(yàn)，確定造成機(jī)油早期老化的主要原因?yàn)椴裼蜋C(jī)長(zhǎng)期低速高負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致缸內(nèi)燃燒不良，柴油的不完全燃燒產(chǎn)物污染機(jī)油；其次，柴油機(jī)熱負(fù)荷過(guò)高、機(jī)油溫度過(guò)高，加劇機(jī)油老化。通過(guò)減小噴油器噴孔直徑和增加噴油器噴孔數(shù)量，以改善缸內(nèi)燃燒；通過(guò)提高齒輪箱速比，提高柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，以降低熱負(fù)荷。改進(jìn)后進(jìn)行仿真分析及臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：噴油器改進(jìn)后，排氣煙度及燃油消耗率均下降，柴油機(jī)低速燃燒性能改善；齒輪箱速比改進(jìn)后，缸內(nèi)燃?xì)鉄崃W(xué)溫度及燃?xì)鈧鬟f給活塞頂面的熱量均明顯下降，柴油機(jī)熱負(fù)荷明顯降低。優(yōu)化后的柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架耐久試驗(yàn)及性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：機(jī)油中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及機(jī)油黏度升高速率減小，燃油消耗率降低，排放煙度降低，活塞漏氣量減少，機(jī)油溫度降低，優(yōu)化措施有效解決柴油機(jī)機(jī)油早期老化問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：機(jī)油；早期老化；燃燒不良；噴油器；船用

中圖分類號(hào)：TK423文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1673-6397（2023）05-0093-06

引用格式：張皓鈺，鄧剛，朱濤，等.某船用柴油機(jī)機(jī)油含碳量過(guò)高分析及優(yōu)化［J］.內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2023，40（5）：93-98.

ZHANG Haoyu， DENG Gang， ZHU Tao， et al. Analysis of high oil carbon in a marine diesel engine and its optimization［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：93-98.

0 引言

柴油機(jī)機(jī)油填充在活塞環(huán)與氣缸壁之間，能減少活塞做功時(shí)的漏氣量，中和柴油燃燒后形成的酸性物質(zhì)，防止柴油機(jī)內(nèi)部發(fā)生腐蝕，有潤(rùn)滑、冷卻、密封、清潔的作用[1-2]。若機(jī)油早期老化，會(huì)減弱中和酸性物質(zhì)和清潔的能力，增大機(jī)油黏度，降低機(jī)油流動(dòng)性、散熱性、密封性，導(dǎo)致各摩擦副間不能形成良好的油膜，加速摩擦副間的磨損，嚴(yán)重時(shí)造成柴油機(jī)化瓦、拉缸等故障[3-4]。機(jī)油溫度過(guò)高，機(jī)油中摻雜柴油、水分、金屬磨屑、缸內(nèi)燃燒產(chǎn)物等均會(huì)造成機(jī)油變質(zhì)。

本文中針對(duì)某船用柴油機(jī)出現(xiàn)的機(jī)油早期老化問(wèn)題，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)及一維熱力學(xué)仿真確定故障原因，并從改進(jìn)柴油機(jī)低速燃燒和加強(qiáng)活塞冷卻2方面提出優(yōu)化措施，優(yōu)化后進(jìn)行耐久試驗(yàn)和臺(tái)架性能試驗(yàn)驗(yàn)證，解決該柴油機(jī)早期機(jī)油老化問(wèn)題。

1 故障分析

1.1 故障描述

用于拖網(wǎng)漁船和蟹籠船的某柴油機(jī)，更換新機(jī)油不到1 000 h出現(xiàn)機(jī)油壓力報(bào)警信號(hào)，檢查發(fā)現(xiàn)，機(jī)油黏度升高，呈糊狀堵塞機(jī)油濾清器，機(jī)油早期老化，造成機(jī)油壓力降低，引起機(jī)油壓力報(bào)警，導(dǎo)致頻繁清洗機(jī)油濾清器，縮短換油周期，嚴(yán)重影響漁船作業(yè)。

檢測(cè)早期老化的機(jī)油油樣，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.31%，遠(yuǎn)大于該牌號(hào)機(jī)油中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于等于1.50%的限值要求。經(jīng)以上分析，機(jī)油中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高是造成機(jī)油黏度升高、引起機(jī)油早期老化的直接原因[5-6]。

1.2 原因分析

1.2.1 作業(yè)工況

裝配該柴油機(jī)的拖網(wǎng)漁船和蟹籠船均有長(zhǎng)時(shí)間低速、高負(fù)荷運(yùn)行的特點(diǎn)。以某拖網(wǎng)漁船為例，主機(jī)常用轉(zhuǎn)速為400～450 r/min，該轉(zhuǎn)速時(shí)間占比高達(dá)66%以上。采集該漁船常規(guī)運(yùn)行約800 h的主機(jī)增壓壓力如圖1所示。

由圖1可知：主機(jī)轉(zhuǎn)速主要集中在400～450 r/min；主機(jī)增壓壓力基本在推進(jìn)特性增壓壓力以上，且接近外特性增壓壓力，整體負(fù)荷偏高。

1.2.2 缸內(nèi)燃燒

柴油機(jī)若長(zhǎng)時(shí)間低速運(yùn)轉(zhuǎn)，會(huì)降低噴油速率，減小進(jìn)氣渦流強(qiáng)度，導(dǎo)致燃油無(wú)法形成良好的霧狀，難以與空氣迅速混合形成均勻的可燃混合氣，缸內(nèi)燃燒較差，產(chǎn)生大量碳煙；柴油機(jī)負(fù)荷越高，噴油量越多，缸內(nèi)產(chǎn)生的碳煙越多[7-8]。

碳煙主要包括不完全燃燒的活性積聚物及含硫、氮、氧等化合物的積聚物。碳煙通過(guò)活塞、活塞環(huán)和氣缸壁間隙進(jìn)入曲軸箱的過(guò)程中，發(fā)生化學(xué)變化，生成固體漆膜和油泥，成為機(jī)油的直接污染物。漆膜降低活塞的熱傳導(dǎo)性，使活塞溫度升高，發(fā)動(dòng)機(jī)有效功減少；堅(jiān)硬的漆膜增加氣缸壁磨損，磨掉的漆膜屑進(jìn)入曲軸箱產(chǎn)生污染，加速機(jī)油早期老化和變質(zhì)。柴油機(jī)燃燒產(chǎn)物及曲軸箱內(nèi)機(jī)油自發(fā)的化學(xué)反應(yīng)生成物經(jīng)過(guò)各種氧化反應(yīng)與生成物縮聚反應(yīng)后生成油泥，加快機(jī)油早期老化速率。此外，缸內(nèi)高溫混合燃?xì)夂蛷U氣導(dǎo)致曲軸箱壓力升高，機(jī)油從氣缸套到油底殼的回流速度變緩，導(dǎo)致缸內(nèi)機(jī)油的潤(rùn)滑性降低[9-10]。

模擬發(fā)動(dòng)機(jī)作業(yè)工況進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，按照該柴油機(jī)推進(jìn)特性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，燃油消耗率應(yīng)小于等于230 g/（kW·h），F(xiàn)SN煙度應(yīng)小于等于3.0，曲軸箱漏氣體積流量應(yīng)小于等于112.5 L/min。檢測(cè)該柴油機(jī)燃油消耗率為235.5 g/（kW·h），F(xiàn)SN煙度為3.3，曲軸箱漏氣體積流量為120 L/min，該柴油機(jī)燃燒不充分、燃油消耗率高、煙度大、漏氣量大。

1.2.3 熱負(fù)荷仿真計(jì)算

建立柴油機(jī)一維熱力學(xué)計(jì)算模型，分別分析該主機(jī)外特性轉(zhuǎn)速為450 r/min、額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，不同曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的缸內(nèi)燃?xì)鉄崃W(xué)溫度和燃?xì)鈧鬟f給活塞頂面的熱量（簡(jiǎn)稱活塞頂面換熱量）如圖2所示。由圖2可知：外特性工況（450 r/min）的缸內(nèi)燃?xì)鉄崃W(xué)溫度和活塞頂面換熱量明顯高于額定工況（1 000 r/min）；低速外特性工況下，柴油機(jī)熱負(fù)荷偏高。

1.2.4 活塞測(cè)溫試驗(yàn)

在活塞頂部不同位置（喉口、燃燒室底面、內(nèi)冷油腔表面、外冷油腔表面）安裝溫度傳感器，分別測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)外特性轉(zhuǎn)速為450 r/min、額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，活塞不同位置的最高瞬時(shí)攝氏溫度，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

由表1可知：外特性工況活塞頂部各位置最高溫度和活塞頭部的機(jī)油最高溫度均高于額定工況。本文中從柴油機(jī)低速燃燒和活塞冷卻2個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)，解決該類漁船主機(jī)機(jī)油早期老化故障。

2 改進(jìn)措施

2.1 優(yōu)化低速缸內(nèi)燃燒

在不影響柴油機(jī)動(dòng)力性的前提下，減小噴油器噴孔直徑，增加噴孔數(shù)量，保持噴孔總面積不變，液滴直徑減小，霧化更好，油霧與空氣混合更充分，轉(zhuǎn)速較低時(shí)燃燒更充分，但影響高轉(zhuǎn)速時(shí)的燃油消耗率和煙度[11-13]。

將原柴油機(jī)8個(gè)噴孔直徑為0.310 mm的噴油器更換為10個(gè)噴孔直徑為0.265 mm的噴油器，進(jìn)行噴油器噴孔單一變量的臺(tái)架試驗(yàn)。噴油器改進(jìn)前、后，柴油機(jī)的燃油消耗率和排氣煙度如圖3所示。

由圖3可知：更換噴油器后，低負(fù)荷比時(shí)，柴油機(jī)的燃油消耗率和排氣煙度均有明顯下降；最大燃油消耗率由263.3 g/（kW·h）減小為255.5 g/（kW·h），下降了約3.0%；最大FSN煙度由3.3減小為0.9，下降了約73%。

2.2 提高主機(jī)作業(yè)轉(zhuǎn)速

提高柴油機(jī)轉(zhuǎn)速可提高供油速率，改善燃油霧化質(zhì)量，缸內(nèi)混合氣燃燒充分，減少燃燒產(chǎn)物對(duì)機(jī)油的污染，降低柴油機(jī)熱負(fù)荷及活塞冷卻油腔的機(jī)油溫度，增大機(jī)油壓力和體積流量，提高活塞頭部冷卻效果，降低機(jī)油溫度[14-16]。

在不影響船舶正常工作航速的前提下，保持柴油機(jī)輸出功率為237 kW，將柴油機(jī)齒輪箱速比從8.55提高到10.26，使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?50 r/min升高至540 r/min，采用一維熱力學(xué)仿真計(jì)算改變齒輪箱速比前、后的缸內(nèi)燃?xì)鉄崃W(xué)溫度和活塞頂面換熱量，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：齒輪箱速比增大，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速提高后，缸內(nèi)最高燃?xì)鉄崃W(xué)溫度降低約224.0 K，活塞頂面換熱量最大相對(duì)降低35.5%，該柴油機(jī)機(jī)油壓力隨轉(zhuǎn)速的變化如圖5所示。

由圖5可知：柴油機(jī)轉(zhuǎn)速由450 r/min升高為540 r/min，機(jī)油壓力由0.321 MPa升高為0.339 MPa，提高了5.6%。

隨著轉(zhuǎn)速的變化，測(cè)量機(jī)油體積流量從24.30 m3/h增大為29.16 m3/h，提高了20%。

提高齒輪箱速比，可降低柴油機(jī)熱負(fù)荷，從而降低機(jī)油溫度。

2.3 優(yōu)化驗(yàn)證

將原柴油機(jī)8個(gè)噴孔直徑為0.310 mm的噴油器更換為10個(gè)噴孔直徑為0.265 mm的噴油器，齒輪箱速比由8.55提高到10.26，忽略儀器測(cè)量精度的影響，對(duì)改進(jìn)后的柴油機(jī)進(jìn)行50 h臺(tái)架耐久試驗(yàn)，機(jī)油中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和機(jī)油黏度如表2所示。

由表2可知：改進(jìn)后的柴油機(jī)進(jìn)行50 h臺(tái)架耐久試驗(yàn)后，機(jī)油中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和機(jī)油黏度上升趨勢(shì)均減緩。

對(duì)改進(jìn)前、后的柴油機(jī)進(jìn)行臺(tái)架性能試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

由表3可知：相比改進(jìn)前，改進(jìn)后的柴油機(jī)燃油消耗率降低，排放煙度降低，活塞漏氣量減少，活塞內(nèi)、外冷油腔表面溫度降低，機(jī)油中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及機(jī)油黏度相對(duì)變化明顯降低。

將改進(jìn)后的柴油機(jī)安裝到故障漁船上，正常運(yùn)行1 500 h以上，機(jī)油中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)未明顯上升，機(jī)油黏度未過(guò)快增加，機(jī)油未出現(xiàn)早期老化現(xiàn)象，換油周期及壓力均在正常范圍內(nèi)，有效解決了漁船長(zhǎng)期低速作業(yè)導(dǎo)致的機(jī)油早期老化故障。

3 結(jié)論

1）某船用柴油機(jī)長(zhǎng)期低速高負(fù)荷作業(yè)，造成缸內(nèi)燃燒不良，未完全燃燒產(chǎn)物污染機(jī)油，使機(jī)油中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及機(jī)油黏度升高過(guò)快，造成機(jī)油早期老化。

2）低速高負(fù)荷工況會(huì)增加缸內(nèi)熱負(fù)荷，使活塞的機(jī)油溫度過(guò)高，加劇機(jī)油早期老化。

3）減小噴油器噴孔直徑，增大噴油器數(shù)量，可使柴油機(jī)低負(fù)荷時(shí)的燃油消耗率和排氣煙度降低。

4）提高齒輪箱速比，可增大柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速，改善柴油機(jī)低速燃燒性能，降低柴油機(jī)熱負(fù)荷，降低機(jī)油溫度。

5）改進(jìn)噴油器結(jié)構(gòu)及提高齒輪箱速比相結(jié)合，可減緩機(jī)油中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升速率，增大機(jī)油流量，保證柴油機(jī)用于該類拖網(wǎng)漁船和蟹籠船主機(jī)時(shí)正常運(yùn)行。

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Analysis of high oil carbon in a marine diesel engine

and its optimization

ZHANG Haoyu， DENG Gang， ZHU Tao， ZHANG Dingguo

Weichai Power Co.， Ltd.，Weifang 261061，China

Abstract：In order to solve the early aging phenomenon caused by high oil carbon content in a marine diesel engine， simulation analysis and bench testing are conducted. It is found that the main reason of early aging of the oil is long-term low speed and high load operation of the diesel engine， resulting in poor combustion in the cylinder， high thermal load of the diesel engine， and high oil temperature. By reducing the diameter of the fuel injector orifice， increasing the number of fuel injectors， and improving the fuel injectors， combustion in the cylinder is improved. By increasing the gearbox speed ratio and the diesel engine speed， the thermal load is reduced. After these improvement， simulation tests and bench tests are conducted to verify the results. The results show that after the improvement of the fuel injector， the exhaust smoke and fuel consumption rate decrease， and the low-speed combustion performance of the diesel engine improves. After improving the gearbox speed ratio， the thermodynamic temperature of the gas in the cylinder and the heat transferred from the gas to the piston top surface significantly decreases， and the thermal load of the diesel engine significantly decreases. The optimized diesel engine is tested for durability and performance. The results show that the mass fraction of carbon in the oil and the rate of increase of oil viscosity decrease， fuel consumption rate， smoke emission， piston leakage， and oil temperature decrease together. The optimization measures effectively solve the problem of early aging of diesel engine oil.

Keywords：engine oil; early aging; poor combustion; fuel injector; marine

（責(zé)任編輯：胡曉燕）

收稿日期：2022-10-28

第一作者簡(jiǎn)介：張皓鈺（1984—），男，甘肅慶陽(yáng)人，工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)可靠性，E-mail：zhanghaoy@weichai.com。