船舶柴油機與船舶柴油機潤滑油

王 平

摘要:概述了按照柴油機轉(zhuǎn)速和活塞平均速度劃分的現(xiàn)代船舶柴油機分類。介紹了船用柴油機油的技術(shù)規(guī)范,包括主要的理化性能和臺架試驗性能,以及船舶柴油機燃料硫含量與船用柴油機油總堿值的對應關(guān)系。通過分析,指出了在船用柴油機油開發(fā)和應用時,認識船用柴油機結(jié)構(gòu)、工作方式、轉(zhuǎn)速類型和燃料油的含硫量是重要的;在船用油應用時,認識船用柴油機的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速類型和燃料油的含硫量是必要的。

關(guān)鍵詞:船舶;柴油機;柴油機油;性能;選油

中圖分類號:TE626.3 文獻標識碼:A

Marine Diesel Engine and Engine Oil

WANG Ping

(SINOPEC Lubricant Company, Beijing 100085, China)

Abstract:The type of modern marine diesel engine divided in accordance with the diesel engine speed and piston average speed is summarized. The technical specifications of marine diesel engine oil are introduced, including the main physicochemical properties and bench tests properties. The relation between the sulfur content of marine diesel engine fuel and the TBN of marine diesel engine oil is also presented. By analysis, it is pointed out that it is important to know the structure, working mode and speed type of marine diesel engine as well as the sulfur content of marine diesel engine fuel when developing and applying the marine diesel engine oil.

Key words:marine; diesel engine; diesel engine oil; property; oil selection

0 前言

自1405年7月11日明成祖下令鄭和七下西洋以來,人類開啟了海洋交通往來的歷史。世界經(jīng)濟的一體化和一系列雙邊或多邊貿(mào)易協(xié)定的簽訂,更是給世界范圍內(nèi)海洋船舶運輸?shù)母咚侔l(fā)展提供了廣闊的市場空間。人類也從最初的使用以風能為動力的風帆木船發(fā)展到如今航行于世界各大洋的大型、超大型船舶,從一般的雜貨輪、散貨輪到集裝箱輪、油輪等,無不體現(xiàn)出人類思想智慧結(jié)晶的科技成果——船舶內(nèi)燃式柴油機的強大作用。那么,船用柴油機具有哪些基本特點,而與之相匹配的船用內(nèi)燃機油又應具備哪些性能呢?本文將就船用內(nèi)燃機的基本類型特點,以及船用內(nèi)燃機油的技術(shù)規(guī)范及如何合理使用進行論述。

1 船舶柴油發(fā)動機分類

經(jīng)過幾十年來,尤其是近十年的發(fā)展,現(xiàn)代船用柴油機已經(jīng)發(fā)展到一個較高的技術(shù)水平。以節(jié)能為中心,并充分兼顧到排放與可靠性的要求不但是現(xiàn)代柴油機的發(fā)展方向,而且已經(jīng)成為現(xiàn)代船用柴油機的顯著特征。

通常船舶柴油發(fā)動機的分類有三種方式。一是按柴油機工作循環(huán)特點分類;二是按柴油機進氣方式分類;三是按柴油機轉(zhuǎn)速和活塞平均速度分類。

按照柴油機轉(zhuǎn)速和活塞平均速度分類方式,柴油機的速度是以曲軸轉(zhuǎn)速或活塞平均速度來表示。可以分為:低速機、中速機和高速機三種。

1.1 船舶低速柴油機

船舶低速柴油發(fā)動機是船舶的主機,主要為船舶提供動力。按照工作循環(huán)特點的不同,低速機可分成二沖程低速機和四沖程低速機。

(1)二沖程低速柴油機

二沖程低速柴油機是船舶低速柴油機的主導產(chǎn)品,作為大型船舶的主機,二沖程低速機主要技術(shù)特點如表1所示。

由表1可以看出,二沖程低速機從普通機型向現(xiàn)代機型的進步,主要體現(xiàn)在功率的提高和單位耗油量的降低,同時滿足了國際海洋環(huán)保的要求。功率的大幅度提高,極大地滿足了建造大型和巨型船舶的需要;單位耗油量的降低,滿足了當今人類對環(huán)保的追求和愿望,達到環(huán)保型發(fā)動機的要求。

(2)四沖程低速柴油機

四沖程低速柴油機是船舶低速柴油機的一種,目前世界上見到的不多。其結(jié)構(gòu)與二沖程低速機相同,分氣缸和曲軸箱上下兩部分。曲軸箱的工作方式與四沖程機相同,氣缸的工作方式則與二沖程機相同。根據(jù)機型的大小,缸數(shù)一般在4~8之間,沖程、單位耗油量與同等氣缸數(shù)的二沖程低速機接近,也能滿足國際海洋環(huán)保的要求。但轉(zhuǎn)速較之高些,一般最高設計轉(zhuǎn)速可以達到390 r/min。

日本的船用柴油機設計制造商通常擁有四沖程低速柴油機的技術(shù)專利,并常用于日本制造的各類船舶中,如各種運輸船、工程船和海洋漁船等作為主機。表2分別列出采用日本新瀉鐵工制造所技術(shù)制造的現(xiàn)代四沖程低速柴油機和AKASAKA四沖程低速柴油機的主要技術(shù)參數(shù)。

1.2 船舶中速柴油機

船舶中速機一般作為船舶的副機,與船舶發(fā)電機相連,用于驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電,保障船舶在航行期間的電力供應。但有時也可作為船舶的主機使用。

船舶中速機為四沖程柴油發(fā)動機。其主要技術(shù)特點如表3所示。

由表3可以看出,四沖程中速機從普通型向現(xiàn)代機型的進步,主要體現(xiàn)在功率提高、活塞平均速度加快和單位耗油量的降低,同時滿足了國際海洋環(huán)保的要求。

1.3 船舶高速柴油機

大型船舶高速柴油機是船用柴油機的一種?，F(xiàn)代大型船舶高速柴油機都使用了直噴和渦輪增壓設計。作為船舶動力和發(fā)電使用,具有節(jié)能、大功率、氣缸數(shù)量多、轉(zhuǎn)速一般在1200 r/min以上等特點,能使船舶獲得更高的航行速度。國際發(fā)動機制造商一般都具有制造船舶高速機的能力,如著名的發(fā)動機制造商德國MTU發(fā)動機制造公司在船舶高速機制造上一直在國際上享有盛名。德國MTU公司制造的“V”型20缸高速機排氣量達到了8000 L,最大持續(xù)功率已經(jīng)達到8200 kW,滿足了21世紀船舶發(fā)展趨勢的要求。表4列出了MTU公司船舶高速柴油機個別型號的主要技術(shù)參數(shù)。

在船舶高速機中,還有專門用于如漁船、捕撈船、散貨輪以及拖輪、挖泥船、工程船等小型高速船舶的小型船用高速柴油機,可用作主機和副機。表5列出了兩種類型的小型船用高速柴油機的主要性能參數(shù)。

2 船用柴油機油技術(shù)性能要求

雖然國際上船用柴油機油每年的總消費量多達近300萬t,但沒有統(tǒng)一的規(guī)格標準。各船用油生產(chǎn)廠商一般是針對各種類型船舶柴油機的工作特點,結(jié)合所擁有的船用油添加劑技術(shù),進行船用油產(chǎn)品開發(fā)的。雖然沒有統(tǒng)一遵循的產(chǎn)品標準,但總的來看描述產(chǎn)品的基本性能趨于一致,使得產(chǎn)品的規(guī)格牌號及其命名規(guī)則基本相同。這為船用油產(chǎn)品和技術(shù)在世界范圍的交流提供了便利。

2.1 二沖程低速機船用油基本性能要求

如前所述,由于船舶二沖程低速柴油機的結(jié)構(gòu)和工作特點,使得柴油機的氣缸和曲軸箱對潤滑油有著不同的性能要求。表6、表7分別列出了船用氣缸油和船用系統(tǒng)油(曲軸箱潤滑油)的基本理化性能要求。

2.2 四沖程中速機船用油基本性能要求

如前所述,由于船舶四沖程中速機在結(jié)構(gòu)和工作特點上與車用柴油機相似,潤滑曲軸箱、缸壁、鋼套和大小頭等潤滑油部位共用一個潤滑系統(tǒng)和一種潤滑油,即船用中速機油。表8列出船用中速機油的基本理化性能要求。

2.3 船用油臺架性能

由于國際上在船用油上沒有統(tǒng)一的產(chǎn)品規(guī)格標準,因此也就沒有統(tǒng)一的評定船用油臺架性能的標準臺架。從船用油作為一種獨立的潤滑油品開始,船用油配方研究者為了使研究的船用油品能夠盡快獲得商業(yè)應用,通常是根據(jù)船舶柴油機類型進行油品配方開發(fā)的,對于大型船舶柴油機,一般是購買國際上有代表性的船舶柴油機改裝成試驗臺架,設定一定的試驗參數(shù)用于模擬評價所開發(fā)船用油品的柴油機使用性能。但為了方便評價船用油的臺架性能,通常采用CD級柴油機油臺架評定方法來模擬評價船用油的臺架性能。對于小型船舶高速柴油機臺架性能則按CD級柴油機油臺架評定方法進行評價。這些CD級柴油機油臺架主要是評價船用油的高溫氧化和清凈性能,如表9所示。

2.4 實船試驗

實船試驗是最終考核所開發(fā)船用油能否滿足船舶在航行過程中實際使用的需要,并最終取得油品在船舶航行安全應用方面的通行證。實船試驗需要按船舶柴油機制造商規(guī)定的航行時間進行,通常規(guī)定實際行船試驗時間應不少于4000 h,重在考察油品性能變化規(guī)律、船舶柴油機磨損狀況、摩擦面狀況與各部件的參數(shù)變化情況等,從而對油品做出是否滿足船舶柴油機使用要求的結(jié)論。

3 船用油應用

船用油的應用通常除依據(jù)船舶柴油機的類型及其技術(shù)參數(shù)外,從合理潤滑的角度出發(fā)重點還有根據(jù)船舶柴油機在檢驗期內(nèi)所使用燃料油的性質(zhì)。前者主要決定船用油的粘度等級,一般情況下粘度等級由船舶柴油機設計商在船舶柴油機設計定型時已經(jīng)設定好;而后者主要確定船用油的堿值等級。王紅梅等人對不同硫含量與使用性能的影響進行了系統(tǒng)的研究,采用同一質(zhì)量等級相同堿值的柴油機油和不同硫含量燃料進行相同程序的臺架試驗,表明盡管采用高硫燃料的清凈性評分不一定比低硫燃料的差,但嚴重者已經(jīng)產(chǎn)生活塞環(huán)卡死的現(xiàn)象。因此在船用油粘度等級確定以后,主要是堿值等級的確定,這給船舶潤滑管理者和船用油制造商留下了一定的選擇空間。

(1)船用氣缸油堿值等級選擇

在船用二沖程低速機燃燒室內(nèi),氣缸油是和燃料一起燃燒,并在潤滑缸壁和活塞面的同時,對因燃燒產(chǎn)生的酸性物質(zhì)SO璛起快速中和作用。因此氣缸油堿值等級的選擇與所用燃料硫含量有對應關(guān)系,如表10所示。

(2)船用系統(tǒng)油堿值等級選擇

船用系統(tǒng)油是用于船舶二沖程低速機曲軸箱的潤滑油,以外部循環(huán)方式對曲軸箱各摩擦副進行潤滑。由于二沖程低速機的曲軸箱和氣缸之間有隔板分開,氣缸中燃燒產(chǎn)物和未燃燒物不會流進曲軸箱中,因此系統(tǒng)油的堿值等級一般很少,堿值也不會太高,主要是能夠保證提供足夠的潤滑性、清凈性和分散性,同時能夠保證安全可靠的分水性能。

(3)船用中速機油的選擇

船用中速機油在潤滑船舶四沖程中速機各摩擦副時,與系統(tǒng)油潤滑船舶二沖程低速機曲軸箱各摩擦副的方式相同,也是以外部循環(huán)方式進行。并通過缸壁上的注油孔對缸壁和活塞面進行潤滑。因此中速機油與燃料及燃燒產(chǎn)生的酸性物質(zhì)SO璛在氣缸內(nèi)有接觸,為保證中速機油安全、可靠的潤滑,燃料的硫含量對中速機油的堿值也有要求。表11列出中速機油堿值中心值選擇與燃料含硫量的對應關(guān)系。

(4)船舶高速機和四沖程低速機用油選擇

對于大型船舶高速機而言,一般參照中速機選用中速機油作為潤滑介質(zhì)。對于小型船舶高速機而言,則直接采用CD級柴油機油作為潤滑介質(zhì)。

對于船舶四沖程低速機用油的選擇,一般是參照四沖程中速機用油進行選擇。同時,根據(jù)四沖程低速機結(jié)構(gòu)和工作特點,氣缸和曲軸箱采用不同粘度等級的中速機油潤滑。通常是緊鄰的兩個粘度等級的油品,且曲軸箱采用粘度牌號較小的一種。由于船舶四沖程低速機氣缸與曲軸箱之間沒有隔板分開,那些未與燃料一起燃燒的潤滑氣缸的較高粘度的中速機油會沿著缸套壁流進曲軸箱,因此隨著運轉(zhuǎn)時間的增加,循環(huán)潤滑曲軸箱的較低粘度的油品會因較高粘度油品的不斷“流入”,粘度會逐漸增大。

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)代大型船舶柴油機單位燃油消耗已經(jīng)從傳統(tǒng)型船舶柴油機的大約220 g/kW?h,下降到約200 g/kW?h,極大地滿足了現(xiàn)代海洋環(huán)保的要求。

(2)現(xiàn)代船舶柴油柴油機按轉(zhuǎn)速區(qū)分,二沖程柴油機只有低速機,其最大轉(zhuǎn)速在220 r/min;四沖程柴油機分為四沖程低速機、四沖程中速機和四沖程高速機;四沖程低速機的最大轉(zhuǎn)速一般在350~390 r/min,四沖程中速機的最大轉(zhuǎn)速在1000~1200 r/min,四沖程高速機最小轉(zhuǎn)速一般不低于1200 r/min。

(3)船舶二沖程低速機潤滑油有兩種類型,氣缸采用船用氣缸油潤滑,曲軸箱采用船用系統(tǒng)油潤滑。

(4)船舶四沖程中速機和船舶中大型四沖程高速機采用船用中速機油潤滑。船舶四沖程小型高速機采用CD級柴油機油潤滑。

(5)船舶四沖程低速機雖然也是采用中速機油潤滑,但用作潤滑氣缸的油品粘度高于用于潤滑曲軸箱油品的粘度,一般是高一個粘度牌號。

(6)船用氣缸油、系統(tǒng)油和中速機油除了理化性能需滿足基本技術(shù)要求外,還必須取得4000 h的實際行船試驗驗證,才能得到實際應用。

(7)在應用船用油時,除需要根據(jù)船舶柴油機設計制造廠商推薦的粘度等級外,還需要根據(jù)實際采用的燃料硫含量來選取合適的堿值牌號。

參考文獻:

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收稿日期:2009-03-23。

作者簡介:王平(1961-),男,碩士,高級工程師,2000年畢業(yè)于華東理工大學化學工程專業(yè),現(xiàn)從事科技研究與管理,曾獲全國青年科技標兵,完成國家科技開發(fā)項目2項,完成省部級科技開發(fā)課題5項,國家發(fā)明3項,部級科技進步三等獎2項,已公開發(fā)表論文30余篇。