船用柴油機氣缸積碳問題分析及對策

隨著船東對船用低速柴油機功率重量比、燃料經(jīng)濟性、排放等要求不斷提高，柴油機的平均有效壓力、爆壓等關(guān)鍵參數(shù)也隨之提高。作為柴油機氣缸內(nèi)摩擦損失的主要運動件的潤滑性能越來越受到關(guān)注，尤其對使用燃油硫含量要求越來越苛刻的情況下，船東不得不使用各種低硫油，同時為節(jié)約成本，柴油機長期在低負荷下運行，導(dǎo)致柴油機出現(xiàn)氣缸積碳，甚至拉缸等現(xiàn)象，給船舶正常運營帶來很大隱患。本文以某型柴油機為例，通過針對性分析，對船用柴油機氣缸潤滑油提出進一步的要求，同時規(guī)范操作規(guī)程，從源頭上基本解決氣缸積碳現(xiàn)象。一、某型柴油機氣缸積碳排查情況某型柴油機例行拆缸檢查時，發(fā)現(xiàn)各氣缸存在嚴重積碳現(xiàn)象（見圖1），經(jīng)深入分析，確定了產(chǎn)生該問題的主要原因是：圖1氣缸積碳使用的氣缸潤滑油的型號與燃油的特性不匹配，以及柴油機長期處于非正常工況下運行。為了更深入地分析問題，對柴油機運行狀況進行排查：1）柴油機燃油硫含量＞3.2%，屬于高硫份劣質(zhì)燃料渣油；2）柴油機選用的氣缸潤滑油TBN值＜70，與高硫份劣質(zhì)燃料渣油不匹配；3）柴油機氣缸潤滑油注油率偏高，為1.6g/kWh；4）柴油機長期處于低負荷經(jīng)濟運行（＜50%負荷）工況狀態(tài)；5）柴油機合同功率點為R4點，最低轉(zhuǎn)速，最低功率。二、氣缸積碳原因分析及防范措施1、積碳形成機理船用二沖程柴油機氣缸積碳，主要為硫酸鈣的產(chǎn)物，是由氣缸潤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滑油膜中，活塞頭上的活塞環(huán)對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)域的氣缸潤滑油油膜減少，促使硫酸鈣逐漸沉積下來，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，柴油機溫度越高，形成的積碳越硬越緊密，與金屬粘結(jié)越牢固。2、氣缸潤滑油船用二沖程柴油機，在運行中通過注油槍連續(xù)不斷地往氣缸套壁上注入一定量氣缸潤滑油，此時氣缸潤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；運動副摩擦產(chǎn)生的金屬顆粒和燃燒產(chǎn)生的磨粒，將隨氣缸潤滑油通過活塞環(huán)刮至掃氣箱并排出；氣缸潤滑油中的堿性物質(zhì)，中和燃燒產(chǎn)物中的酸性物質(zhì)，減少對氣缸套的腐蝕

[1]。良好的氣缸潤滑油，應(yīng)具備以下特性：良好的潤滑性；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。在選用氣缸潤滑油時，務(wù)必注意氣缸潤滑油堿性值（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)與柴油機使用燃油的硫含量相匹配。對于WinGD船用二沖程柴油機，低硫燃油使用低堿值氣缸潤滑油（BN40），若使用高堿值，需適當降低注油率。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，主要與氣缸潤滑油的型號、燃油的品質(zhì)、柴油機工作條件、操作方法等密切相關(guān)，現(xiàn)從以下幾個方面進行分析：1）氣缸潤滑油注油率過高柴油機在試航后未及時調(diào)整氣缸潤滑油，導(dǎo)致缸內(nèi)噴射過多的氣缸潤滑油，經(jīng)高溫燃燒產(chǎn)生積碳；2）氣缸潤滑油油品差例如：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；氣缸潤滑油的型號選用應(yīng)與燃料油含硫量相匹配，否則無法中和噴入氣缸酸性物質(zhì)，同時氣缸潤滑油的去污性能差，無法及時清理缸內(nèi)多余的氣缸潤滑油和積碳；3）燃油油品差例如：含硫量太高（＞3.5%），含水分、渣滓高等；在貯存和運輸過程中，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?，越易使柴油機形成積碳；同時，油品較差的燃油中酸性物質(zhì)和水分使噴油器偶件過早磨損，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）燃油進機前未預(yù)熱、過濾燃料油在進入柴油機前務(wù)必加熱、過濾，保證燃料油進機粘度在13~17cSt，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期積碳未清理氣缸潤滑油屬于消耗油，燃燒后會出現(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，雖然部分的積碳會隨著廢氣氣流排出，但也要按照柴油機保養(yǎng)要求定期進行清理；6）柴油機長期低負荷、超低負荷運行柴油機長期在低負荷運行，掃氣壓力過低，空燃比過低，并且柴油噴射壓力過低，從而導(dǎo)致燃燒不充分，形成大量的積碳；7）柴油機噴油器霧化效果差，燃料燃燒不充分[2]；在柴油機運行過程中，每個噴油器在每一個工作循環(huán)以一定的角度往燃燒室噴入細微的燃油，當噴油器的偶件出現(xiàn)卡滯時，會導(dǎo)致燃油霧化不良、噴油壓力過低等故障，使進入燃燒室內(nèi)的燃油達不到充分燃燒的要求，導(dǎo)致燃燒不充分或來不及燃燒。4、氣缸積碳的危害積碳聚集在燃燒室內(nèi)，柴油機低負荷運行時，噴油器噴出的燃油可能會被積碳吸收飽和后釋放，導(dǎo)致空燃比時高時低，使柴油機在低負荷時容易出現(xiàn)敲缸或轉(zhuǎn)速不穩(wěn)現(xiàn)象；在柴油機運行過程中，積碳會影響燃燒部件的導(dǎo)熱性，活塞頭和氣缸套上的大量積碳會導(dǎo)致局部過熱，使剛度和強度下降，嚴重時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，柴油機內(nèi)部各處積碳給柴油機正常運行帶來諸多不利影響，其主要危害有：1）氣缸潤滑劑供油率過高時，導(dǎo)致嚴重積碳，如果積碳過多并沒有及時清除，容易堵塞活塞環(huán)槽，造成活塞環(huán)活動不靈活、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，進而使氣缸套報廢；3）由于積碳造成活塞頭冷卻效果差，或因局部過熱而燒壞活塞頭；4）燃燒室積碳過度，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）長期積碳過度，影響活塞桿填料函正常功能，甚至導(dǎo)致?lián)p傷和破壞；6）長期積碳過度，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。5、減少氣缸積碳的措施柴油機在工作過程中，氣缸潤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)積碳的生成機理和柴油機操作方面采取預(yù)防措施，減少積碳：1）選用合格的氣缸潤滑油品牌和型號根據(jù)燃油的含硫量，選用合適的氣缸潤滑油。圖2為不同硫含量的燃油，對應(yīng)不同BN值的氣缸潤滑油。圖2不同硫含量的燃油對應(yīng)不同BN值的氣缸潤滑油柴油機技術(shù)在不斷發(fā)展，為提高發(fā)動機效率，采用更高的爆壓和燃燒室部件溫度，這使得發(fā)動機的工作條件更加苛刻，所以在選用氣缸潤滑油型號時需特別嚴謹和慎重，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，要求選用BN140和BN100二類氣缸潤滑油；近期發(fā)布的BN40二類氣缸潤滑油也滿足要求，如殼牌ShellAlexia40XC和雪佛龍TaroUltraAdvanced40。2）合理設(shè)定柴油機初期磨合運行及正常運行時氣缸潤滑油的供油率傳統(tǒng)機型（如RT-flex50-D），設(shè)定的氣缸潤滑油注油率為0.6~1.2g/kWh，根據(jù)裝用的氣缸潤滑油系統(tǒng)類型調(diào)整氣缸潤滑油注油率；通常磨合期間，脈沖潤滑油系統(tǒng)最大氣缸潤滑油注油率為1.2g/kWh；隨著氣缸磨合的進程，根據(jù)氣缸實際狀況，逐步減少氣缸潤滑油注油率。船舶試航后，柴油機氣缸潤滑油注油率應(yīng)設(shè)置為0.9g/kWh，如需進一步下調(diào)注油率，務(wù)必檢測活塞下部殘余的氣缸潤滑油的堿值和鐵含量，其檢測結(jié)果滿足圖3中安全區(qū)要求；圖3活塞下部殘余氣缸潤滑油檢驗建議區(qū)同時通過掃氣口檢查氣缸套和活塞的工作面的實際狀況，圖4為正常情況。兩者均需滿足，每次調(diào)整不能大于0.05g/kWh。圖4活塞環(huán)檢查照片由于船舶航行時，實際情況比設(shè)計工況要復(fù)雜得多，所以氣缸潤滑油實際注油率主要取決于船東對以下因素的綜合考慮：（1）柴油機常用運行負荷工況；（2）燃油的油品質(zhì)量（主要是含硫量S）；（3）輪機運行管理水平和輪機員業(yè)務(wù)素質(zhì)；（4）氣缸潤滑油油品質(zhì)量（BN值和去污能力）；（5）船東對氣缸潤滑油、燃料油價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，活塞頭表面沒有明顯的積碳；4）盡量避免柴油機長期低負荷、超低負荷運行；如無法避免，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