船用柴油机气缸积碳问题分析及对策

2024-01-22邓健星汤卓鑫罗火城

广东造船 2023年6期

邓健星，汤卓鑫，罗火城

（玉柴船舶动力股份有限公司，珠海 519175）

1 前言

随着船东对船用低速柴油机功率重量比、燃料经济性、排放等要求不断提高，柴油机的平均有效压力、爆压等关键参数也随之提高。作为柴油机气缸内摩擦损失的主要运动件的润滑性能越来越受到关注，尤其对使用燃油硫含量要求越来越苛刻的情况下，船东不得不使用各种低硫油，同时为节约成本，柴油机长期在低负荷下运行，导致柴油机出现气缸积碳，甚至拉缸等现象，给船舶正常运营带来很大隐患。本文以某型柴油机为例，通过针对性分析，对船用柴油机气缸润滑油提出进一步的要求，同时规范操作规程，从源头上基本解决气缸积碳现象。

2 某型柴油机气缸积碳排查情况

某型柴油机例行拆缸检查时，发现各气缸存在严重积碳现象（见图1），经深入分析，确定了产生该问题的主要原因是：使用的气缸润滑油的型号与燃油的特性不匹配，以及柴油机长期处于非正常工况下运行。

图1 气缸积碳

为了更深入地分析问题，对柴油机运行状况进行排查：

1）柴油机燃油硫含量＞3.2%，属于高硫份劣质燃料渣油；

2）柴油机选用的气缸润滑油TBN 值＜70，与高硫份劣质燃料渣油不匹配；

3）柴油机气缸润滑油注油率偏高，为1.6 g/kWh；

4）柴油机长期处于低负荷经济运行（＜50%负荷）工况状态；

5）柴油机合同功率点为R4 点，最低转速，最低功率。

3 气缸积碳原因分析及防范措施

3.1 积碳形成机理

船用二冲程柴油机气缸积碳，主要为硫酸钙的产物，是由气缸润滑油的添加剂碳酸钙与浓硫酸中和化学反应而形成的。在正常情况下，硫酸钙被融混在气缸润滑油膜中，活塞头上的活塞环对珩磨加工的缸套金属表面的积碳连续清理，大部分可随废气排出气缸。由于某种原因，气缸套表面、活塞头、燃烧室的其他区域的气缸润滑油油膜减少，促使硫酸钙逐渐沉积下来，加上烟灰和其他燃烧相关产物的熏陶集聚，在高温油烟熏烤下的沉积物表面呈现深色或黑色，使气缸内形成积碳，柴油机温度越高，形成的积碳越硬越紧密，与金属粘结越牢固。

3.2 气缸润滑油

船用二冲程柴油机，在运行中通过注油枪连续不断地往气缸套壁上注入一定量气缸润滑油，此时气缸润滑油将均匀地分布在气缸套壁上形成油膜，从而减少气缸套与活塞环、气缸套与活塞裙等摩擦副的磨损；运动副摩擦产生的金属颗粒和燃烧产生的磨粒，将随气缸润滑油通过活塞环刮至扫气箱并排出；气缸润滑油中的碱性物质，中和燃烧产物中的酸性物质，减少对气缸套的腐蚀[1]。

良好的气缸润滑油，应具备以下特性：良好的润滑性；合适的粘度和粘度指数；较好的清净分散性、抗氧化性和抗磨损。

在选用气缸润滑油时，务必注意气缸润滑油碱性值（BN）。BN 值是中和燃油中的酸和控制缸套表面腐蚀磨损的重要参数，应与柴油机使用燃油的硫含量相匹配。对于WinGD 船用二冲程柴油机，低硫燃油使用低碱值气缸润滑油（BN40），若使用高碱值，需适当降低注油率。

3.3 气缸积碳产生的原因

气缸积碳产生的原因非常复杂，主要与气缸润滑油的型号、燃油的品质、柴油机工作条件、操作方法等密切相关，现从以下几个方面进行分析：

1）气缸润滑油注油率过高

柴油机在试航后未及时调整气缸润滑油，导致缸内喷射过多的气缸润滑油，经高温燃烧产生积碳；

2）气缸润滑油油品差

例如：总碱值（TBN）与燃料油含硫份量不匹配，去污垢的能力和热稳定性差等；气缸润滑油的型号选用应与燃料油含硫量相匹配，否则无法中和喷入气缸酸性物质，同时气缸润滑油的去污性能差，无法及时清理缸内多余的气缸润滑油和积碳；

3）燃油油品差

例如：含硫量太高（＞3.5%），含水分、渣滓高等；在贮存和运输过程中，燃油容易发生氧化反应生成胶状物质，这些胶状物质可能溶于柴油，燃油品质越差，含残碳值越高，越易使柴油机形成积碳；同时，油品较差的燃油中酸性物质和水分使喷油器偶件过早磨损，导致喷油器工作不正常，使燃烧室内燃油燃烧不充分而形成积碳;

4）燃油进机前未预热、过滤

燃料油在进入柴油机前务必加热、过滤，保证燃料油进机粘度在13～17 cSt，并不得含有＞25μm的杂质，保证喷油器正常工作；

5）活塞环槽、活塞头、燃烧室和排气阀空间等长期积碳未清理

气缸润滑油属于消耗油，燃烧后会出现一些积碳附在活塞环槽、活塞头、排气阀内表面等，正常情况下，虽然部分的积碳会随着废气气流排出，但也要按照柴油机保养要求定期进行清理；

6）柴油机长期低负荷、超低负荷运行

柴油机长期在低负荷运行，扫气压力过低，空燃比过低，并且柴油喷射压力过低，从而导致燃烧不充分，形成大量的积碳；

7）柴油机喷油器雾化效果差，燃料燃烧不充分[2]；

在柴油机运行过程中，每个喷油器在每一个工作循环以一定的角度往燃烧室喷入细微的燃油，当喷油器的偶件出现卡滞时，会导致燃油雾化不良、喷油压力过低等故障，使进入燃烧室内的燃油达不到充分燃烧的要求，导致燃烧不充分或来不及燃烧。

3.4 气缸积碳的危害

积碳聚集在燃烧室内，柴油机低负荷运行时，喷油器喷出的燃油可能会被积碳吸收饱和后释放，导致空燃比时高时低，使柴油机在低负荷时容易出现敲缸或转速不稳现象；在柴油机运行过程中，积碳会影响燃烧部件的导热性，活塞头和气缸套上的大量积碳会导致局部过热，使刚度和强度下降，严重时造成喷油器偶件卡滞、气缸套冷腐蚀、活塞环卡死和拉缸等。由此可见，柴油机内部各处积碳给柴油机正常运行带来诸多不利影响，其主要危害有：

1）气缸润滑剂供油率过高时，导致严重积碳，如果积碳过多并没有及时清除，容易堵塞活塞环槽，造成活塞环活动不灵活、失去弹性和密封性，或因串气而断裂，最终使活塞环彻底失效；

2）气缸套表面因积碳层硬颗粒摩擦，导热不均匀，产生气缸套起线甚至拉缸，进而使气缸套报废；

3）由于积碳造成活塞头冷却效果差，或因局部过热而烧坏活塞头；

4）燃烧室积碳过度，影响排气阀杆和阀座正常功能，甚至导致损伤和破坏；

5）长期积碳过度，影响活塞杆填料函正常功能，甚至导致损伤和破坏；

6）长期积碳过度，影响增压器透平端零部件正常功能，甚至导致损伤和破坏。

3.5 减少气缸积碳的措施

柴油机在工作过程中，气缸润滑油不断注入气缸内注入，燃烧产生一定量的积碳是不可避免的现象，应根据积碳的生成机理和柴油机操作方面采取预防措施，减少积碳：

1）选用合格的气缸润滑油品牌和型号

根据燃油的含硫量，选用合适的气缸润滑油。图2 为不同硫含量的燃油，对应不同BN 值的气缸润滑油。

图2 不同硫含量的燃油对应不同BN 值的气缸润滑油

柴油机技术在不断发展，为提高发动机效率，采用更高的爆压和燃烧室部件温度，这使得发动机的工作条件更加苛刻，所以在选用气缸润滑油型号时需特别严谨和慎重，不单要考虑燃油的硫含量，还要考虑去污能力。如MAN 最新主机，要求选用BN140 和BN100 二类气缸润滑油；近期发布的BN40 二类气缸润滑油也满足要求，如壳牌Shell Alexia 40XC 和雪佛龙Taro Ultra Advanced 40。

2）合理设定柴油机初期磨合运行及正常运行时气缸润滑油的供油率

传统机型（如RT-flex50-D），设定的气缸润滑油注油率为0.6～1.2 g/kWh，根据装用的气缸润滑油系统类型调整气缸润滑油注油率；通常磨合期间，脉冲润滑油系统最大气缸润滑油注油率为1.2 g/kWh；随着气缸磨合的进程，根据气缸实际状况，逐步减少气缸润滑油注油率。

船舶试航后，柴油机气缸润滑油注油率应设置为0.9 g/kWh，如需进一步下调注油率，务必检测活塞下部残余的气缸润滑油的碱值和铁含量，其检测结果满足图3 中安全区要求；同时通过扫气口检查气缸套和活塞的工作面的实际状况，图4 为正常情况。两者均需满足，每次调整不能大于0.05 g/kWh。