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船用高速柴油机的润滑

高速柴油机在某些船型应用比较广泛,如作为高速客滚轮、拖轮、游艇、渔业、公务、特种以及近海作业等类型船舶的驱动动力,以及在大型商船上的应急发电、救生艇等应用。之前我们陆续介绍了低速和中速柴油机的润滑以及滑油应用的相关介绍,今天我们就船用柴油机剩下的高速机板块介绍一下相关的润滑情况和滑油应用。

关键词:燃烧,烟炱,氧化,滑油等级,复式粘度, 换油周期,合成润滑油 

1. 船用高速柴油机的特点

船用高速柴油机与中速柴油机在润滑方面有很多类似的地方,关于中速柴油机的润滑可以参考【中速柴油机的润滑–上】中相关的内容。

一般情况下高速柴油机的燃油为MDO、MGO等轻质直馏燃油。由于燃油类型、柴油机转速以及缸径大小不同,高速柴油机的燃烧和中速柴油机有着一定的区别,高速柴油机的燃烧系统如下图1所示。充分的燃烧需要良好的燃油雾化效果,燃油和空气的混合度以及适当的压缩比等。

图1:高速柴油机燃烧系统

现代船用高速柴油机的特点:

功率较大

极低的润滑油消耗率

使用直馏轻质燃油

没有燃油分油机

根据柴油机厂建议和油品品质来更换滑油

2. 高速柴油机的发展和改进

燃油喷射系统和配气系统

改进的柱塞泵在高压下(超过1500 bar)的良好喷射可以确保燃油和空气充分混合

优化的燃烧室设计确保更有效的空燃混合

喷射时间

燃油喷嘴由先进的发动机控制系统控制,确保精确的喷射时间和供油量

 喷射时间提前可导致较高的燃烧温度和较低的颗粒状污染,但NOX含量较高

推迟喷射时间可以降低燃烧温度和NOX含量,但烟炱含量会较高

严格的排放法规促使了延迟喷射及更高的喷射压力

较冷的气缸壁接触到燃油

更高的喷射压力令燃油喷射得更远

延迟喷射的效果如下图2所示。

图2:延迟喷射效果

3. 高速柴油机的润滑要求 

由于船用高速柴油机一般烧MDO或MGO等直硫轻质燃油,没有燃油分油机处理燃油,因此燃油的品质对柴油机的润滑影响比较大。

高速柴油机严苛的运行工况可能会导致:

发动机寿命缩短

过多无计划停机时间

损失运营收入

昂贵的修理费

操作开支的增加

安全可靠性受考验

在之前的【中速柴油机的润滑–上】中我们介绍了柴油机部件的润滑特点,如活塞与活塞环、缸套、轴承、摇臂和气阀以及增压器。在这里需要强调一下活塞与活塞环的润滑,为了减少滑油的消耗,活塞和缸套之间的设计间隙减少,导致滑油承受更大的氧化和热负荷,如下图3所示。

图3:活塞环的设计

所以就需要一种具有良好的热稳定性、清洁分散性和持久性的润滑油。如滑油的热稳定性以及清洁分散能力不足,就会在活塞环槽形成过量的沉积物,导致异常磨损甚至拉缸。另外滑油的高温油膜强度非常重要。柴油机厂对滑油的品质都有严格的要求。

在【中速柴油机滑油的烟炱问题】以及【中速柴油机滑油的氧化问题】中,我们介绍了油品粘度会因为这些因素而升高。柴油机工况不良以及滑油的品质会导致油品的粘度升高。现在我们介绍一下滑油粘度下降的情况,除了燃油污染稀释滑油的情况,由于高速柴油机的特性,滑油在柴油机运行过程中,由于剪切作用,油品的粘度可能会随着使用时间而下降,如下图4所示。粘度改进剂分子在机件剪切下成为更小的分子令油粘度下降,粘度下降令油膜厚度变小从而造成磨损增加。 

图4:滑油粘度下降的因素之一

4. 高速柴油机的滑油

高速柴油机滑油的典型成分如下图5所示:

图5:高速柴油机滑油的主要成分 

4.1 清净剂和分散剂 

清净剂没有净化作用,清净剂分子的极性本质阻止污染物沉淀于金属表面。

减少积碳、漆膜、胶膜

反应在碱值的高低,高温燃烧下会形成金属灰分

主要成分为钙、镁

分散剂是将污染物悬浮、分散于油中,扩散剂分子附于小颗粒上保持其浮游于油中防止小颗粒粘合成沉淀物。

减少油泥的形成

减少因烟炱引起的润滑油稠化

分散剂会稍微增加油品的碱值 (但使用中很快消耗掉)

主要成分为无灰聚合物

4.2 粘度

船用高速柴油机滑油除了单级粘度如SAE30或SAE40外还可能会用到复式粘度。一般是按照环境温度来决定粘度等级,复式复粘度比单级粘度使用效果好,复式粘度变化受工况温度影响没有单级粘度大。

粘度过高 - 影响启动并增加燃油的消耗

粘度过低 - 影响润滑效率并增加磨损以及滑油的消耗

下图6是不同粘度等级油品对应的工作环境温度范围。

图6:不同粘度油品的工作环境温度

4.3 复式黏度

大部分柴油机的曲轴箱油温度是80至100℃。某些柴油机的油温可达130至170℃。

下图7为复式粘度油品(绿色)的优点:

图7:复式粘度的优点 

5. 为什么需要优质的润滑油 

越来越严格的排放标准促使柴油机的设计改变,导致机油中的灰份提高,需要机油来配合。需要延长换油期和减少维修费用,同时柴油机的寿命得以延长。此时柴油机滑油被作为发动机的一个部分来设计和生产。 

图8是不同年代对高速柴油机滑油的等级要求,由于船用高速柴油机的排放还没有陆地用柴油机那么严格,有些在用的船用柴油机设计还比较老旧,市面上还有很多等级相对较低的柴油机滑油在被使用,如CF4,CI4等。从图8可以看出,等级越高的油品,在烟炱处理能力以及抗氧化能力方面越强。机油中的烟炱含量增加会增加磨损以及堵塞油格,详细介绍可以参考【中速柴油机滑油的烟炱问题】,而氧化相关问题可以参考【中速柴油机滑油的氧化问题】。

图8:高速柴油机滑油的等级

因为更严格的排放控制,导致了柴油机设计的改变,以及为了应对日趋严苛的排放法规而增加了尾气处理装置(如EGR, DPF以及SCR等),所以需要更好的润滑油来满足柴油机的严苛工况,某些类型滑油中的某些元素对尾气处理装置会产生不良的影响。 

优质润滑油的好处

延长换油周期,减少废油处理

降低燃油和滑油的消耗

减少滤芯更换

减少无计划停机

延长柴油机的使用寿命

对于延长换油周期,我们需要考量以下几点:

柴油机厂家的建议,特别是在保修期内

按燃油质量/消耗量、滑油消耗量以及柴油机负荷等因素

按滑油化验报告情况(趋势分析可以有效预判换油时间)

滑油是否有分离装置或者过滤系统

滑油的品质,可以参考滑油化验结果来建立相应的数据库,或咨询滑油供应商

一般来说,合成油的换油周期是普通矿物油的3-10倍不等 

6. 合成润滑油成功案列分享 

使用合成滑油而延长换油周期的例子:

某渔船,发动机型号DEUTZ SBA 6M 816 ,使用润滑油 MOBILGARD 1 SHC,换油周期从250小時延长到1,500小時。

某渔船,发动机型号DEUTZ MWM 604 B,使用润滑油 MOBIL DELVAC 1,换油周期从500小時延长到2,000小時。

某高速渡轮,发动机型号MTU 8V396以及MTU 12V396,使用润滑油MOBIL DELVAC 1,换油周期从500小時延长到2,000小時,并取得了节省燃油3%的效果。

某拖轮,发动机型号DETROIT 12V71,使用润滑油 MOBILGARD 1 SHC,换油周期从500小時延长到5,000小時,柴油机磨损率降低了50%。

7. 结束语 

上述我们简单介绍了高速柴油机的特点,润滑要求,以及选择优质润滑油的必要性,并分享了一些使用合成润滑油的成功案例,希望对大家在船用高速柴油机的润滑应用上起到稍许的借鉴作用。以后会针对船用高速柴油机的合成润滑油做相关介绍和讲解。

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