一種新研制船用柴油機(jī)油及其整機(jī)耐久性研究

王莉, 吳亞龍，張傲，楊超，包冬梅，陳冬梅

(1.中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧 大連 116032；2.河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司，河南 洛陽 471000；3.中國石油吉林石化分公司，吉林 吉林 132000)

0 引言

目前國際上船用柴油機(jī)油的質(zhì)量等級普遍在提高，半個多世紀(jì)以來，隨著各國船用柴油機(jī)的不斷更新?lián)Q代[1]，與之相匹配的船用柴油機(jī)油也得到了快速發(fā)展。目前發(fā)達(dá)國家船用柴油機(jī)油普遍使用了API質(zhì)量等級分類中的CF或更高等級柴油機(jī)油。我國的船用柴油機(jī)油質(zhì)量等級普遍偏低，同時低質(zhì)量的船用柴油機(jī)油使用的相對壽命較短，難以滿足長周期行船的需求。隨著排放法規(guī)的日益嚴(yán)格要求，對潤滑油燃燒的產(chǎn)物也提出嚴(yán)格要求[2]，所以我們研制出一種高質(zhì)量等級并有著良好的抗磨性能的船用柴油機(jī)油，用于適應(yīng)長周期的行船過程，從而代替低質(zhì)量等級、使用壽命短的船用柴油機(jī)油。選用試驗(yàn)工況相對苛刻、高轉(zhuǎn)速、考核試驗(yàn)超過1000 h，而且用油量相對較少的耐久試驗(yàn)中對其使用性能及其與裝備的適用性進(jìn)行考察。從油品的各種理化指標(biāo)和拆機(jī)結(jié)果可以表明新研制的船用柴油機(jī)油具有良好的清凈分散性、抗氧化性、抗磨損性能及其潤滑性能，綜合性能表現(xiàn)良好。

1 試驗(yàn)用潤滑油的研制

根據(jù)船用柴油機(jī)的高性能要求，開展了基礎(chǔ)油及各功能添加劑等對油品抗水、分水性能的影響研究；研究了清凈分散劑、抗氧抗磨劑等添加劑對油品高溫清凈性、煙炱分散性、抗磨損性及抗氧抗腐蝕性的影響，與原船用柴油機(jī)油相比，油品在清凈分散性、抗氧抗磨性等方面均有明顯提高，并且整體性能和國外競品相比相當(dāng)或更好。對研制油品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室理化性能考察，見表1，可以看出該油品具有良好的分散性、抗氧抗腐蝕性、抗磨性能和清凈分散性能，并且都能滿足暫定指標(biāo)的要求。通過了各種臺架試驗(yàn)，解決了船用發(fā)動機(jī)油的使用時間短、清凈分散性差等問題，基本達(dá)到國際先進(jìn)水平[3]。

表1 研制油實(shí)驗(yàn)室實(shí)測數(shù)據(jù)

2 試驗(yàn)用柴油機(jī)

參與試驗(yàn)的CHD620V16H6柴油機(jī)是在德國道依茨曼海姆(DEUTZ-MWM)公司的TBD620V16柴油機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行重大技術(shù)改進(jìn)的新研制自主裝備，四沖程，16缸，V型90°夾角；缸徑170 mm；行程195 mm;最高轉(zhuǎn)速為 1800 r/min。采用單級廢氣渦輪增壓，增壓空氣中間冷卻，直噴式，廢氣渦輪增壓器布置在柴油機(jī)輸出端，并帶排氣冷卻消聲器。該機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、高可靠性、體積小、重量輕、功率大、操作維修方便、外觀布置合理，美觀大方等特點(diǎn)，尤其是低油耗、高壽命，被廣泛應(yīng)用于船舶領(lǐng)域。

其潤滑系統(tǒng)由潤滑油預(yù)供泵、潤滑油泵、潤滑油濾清器、潤滑油離心濾清器、潤滑油冷卻器、減壓閥、潤滑油管等組成。柴油機(jī)各部位運(yùn)動機(jī)件的潤滑方式有壓力潤滑、飛濺潤滑、注油潤滑等。柴油機(jī)采用以壓力潤滑為主的綜合潤滑方式。

3 整機(jī)耐久試驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)要求，柴油機(jī)完成1000 h整機(jī)耐久試驗(yàn)，考察一種船用柴油機(jī)油的潤滑性能，評定該油品對大功率船用柴油機(jī)的適應(yīng)性。整個耐久試驗(yàn)未出現(xiàn)重大零件損壞和更換的情況。整機(jī)試驗(yàn)共完成柴油機(jī)單機(jī)1000 h耐久性試驗(yàn)，柴油發(fā)電機(jī)組200 h耐久性試驗(yàn)，英國勞氏船級社(LR)100 h高周疲勞試驗(yàn)，柴油機(jī)205 h性能試驗(yàn)，柴油機(jī)試驗(yàn)時間超過1600 h，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)95000多組。

4 試驗(yàn)結(jié)果

對試驗(yàn)油品的100 ℃運(yùn)動黏度、堿值、石油醚不溶物、開口閃點(diǎn)、水分等，進(jìn)行檢測，并最終完成1097 h整機(jī)耐久試驗(yàn)，對油品進(jìn)行檢測，參照換油指標(biāo)，見表2。

表2 油品使用1097 h對照換油指標(biāo)分析

從試驗(yàn)結(jié)果來看，油品在使用1097 h后，油品主要性能指標(biāo)遠(yuǎn)未達(dá)到換油指標(biāo)要求。

4.1 耐久試驗(yàn)機(jī)油結(jié)果分析

4.1.1 運(yùn)動黏度分析

油品的黏度是發(fā)動機(jī)正常潤滑的基本保證。發(fā)動機(jī)工作過程中油品黏度的變化受多種因素的影響，如油品中增黏劑受到剪切作用降解,燃油稀釋等會使黏度下降，油品氧化、油泥生成及不溶物的增加等會導(dǎo)致油品黏度增加。運(yùn)動黏度變化率一定程度上表征了油品質(zhì)量的衰變情況。油品運(yùn)動黏度增長快，說明氧化加劇、油泥增多，油品的流動性變差，難以迅速到達(dá)摩擦表面，磨損加劇、耗能增加；運(yùn)動黏度下降會導(dǎo)致柴油機(jī)油的油膜變薄，潤滑性能下降，發(fā)動機(jī)會由于油膜不夠而增加磨損[4]。合適的運(yùn)動黏度能夠保證發(fā)動機(jī)油在摩擦金屬表面產(chǎn)生合適強(qiáng)度的油膜，保證潤滑效果。

試驗(yàn)期間對取樣樣品進(jìn)行100 ℃運(yùn)動黏度檢測，其變化如圖1所示。

注：圖中大連研發(fā)表示大連潤滑油研究開發(fā)中心，SGS表示通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)(上海)有限公司。樣品由上述兩家公司進(jìn)行檢測。

從圖1可以看出，試驗(yàn)油樣在試驗(yàn)過程中黏度變化平穩(wěn)，隨著時間的增長，油品運(yùn)動黏度呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢，油品形成的油膜保持合適的強(qiáng)度。經(jīng)計算，與試驗(yàn)前的新油油樣黏度值對比，試驗(yàn)結(jié)束后柴油機(jī)油運(yùn)動黏度增幅為11.5%，該結(jié)果表明試驗(yàn)結(jié)束后油品運(yùn)動黏度未超過換油指標(biāo)范圍。

4.1.2 堿值分析

足夠的堿值用于中和燃料燃燒產(chǎn)生的少量酸性物質(zhì)，防止腐蝕；同時堿值也反映油品中清凈劑的量，足夠的清凈劑可保證油品的清凈性，控制沉積物的產(chǎn)生[5]。試驗(yàn)油的堿值變化如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)油品在試驗(yàn)周期內(nèi)堿值變化趨勢

從圖2可以看出，伴隨著整機(jī)耐久臺架試驗(yàn)時間的推移，試驗(yàn)油樣的堿值呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，在試驗(yàn)過程中堿值變化平穩(wěn)，曲線斜率逐漸降低。表明油品具有良好的堿值保持性，油品保持良好的酸中和性能，保證足夠的清凈性，防止活塞等部位積炭和沉積物產(chǎn)生。

經(jīng)測量，該油品試驗(yàn)結(jié)束后的堿值最低值為9.51 mgKOH/g，未超過換油指標(biāo)。

經(jīng)計算，與試驗(yàn)前的新油油樣堿值對比，試驗(yàn)結(jié)束后柴油機(jī)油運(yùn)動堿值降幅為20.7%，而指標(biāo)要求堿值降幅超過50%為超標(biāo)，所以試驗(yàn)結(jié)束后油品降幅未超過換油指標(biāo)范圍。

4.1.3 不溶物分析

油品在內(nèi)部高溫的條件下，特別是在發(fā)動機(jī)金屬部件作為催化劑的條件下，可能會發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生不溶物。因此試驗(yàn)油樣的戊烷不溶物含量能反映油品的氧化情況。正戊烷不溶物主要是指磨損金屬、粉塵雜質(zhì)、積炭等固體物質(zhì)[6]。試驗(yàn)油的戊烷不溶物變化如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)油品在試驗(yàn)周期內(nèi)正戊烷不溶物變化趨勢

從圖3可以看出，試驗(yàn)油在試驗(yàn)過程中戊烷不溶物一直保持較低的水平，表明油品氧化情況良好，油品具有良好的抗氧化性能，另外可以看出基本無固體顆粒不溶物混入油品。

試驗(yàn)油樣在試驗(yàn)過程中戊烷不溶物變化平穩(wěn)，伴隨著時間的增長，油品體相內(nèi)戊烷不溶物呈現(xiàn)出緩慢增加的趨勢。試驗(yàn)結(jié)束后柴油機(jī)油戊烷不溶物為0.15%，經(jīng)對比，試驗(yàn)結(jié)束后油品戊烷不溶物未超過換油指標(biāo)范圍，從戊烷不溶物指標(biāo)考慮，該油品還可繼續(xù)使用。

4.1.4 酸值變化

潤滑油中酸值增加的原因主要是油品的氧化、水解，受到輕質(zhì)油和防銹油的污染，受到強(qiáng)酸或者強(qiáng)堿的污染[7]。油品一般酸值的變化可反映油品的氧化情況。試驗(yàn)油的酸值變化如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)油品在試驗(yàn)周期內(nèi)酸值變化趨勢

從圖4可以看出，試驗(yàn)油的酸值變化較平穩(wěn)，油品具有良好的抗氧化性能。經(jīng)計算，試驗(yàn)結(jié)束后，油樣酸值增幅為3.0 mgKOH/g。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可知，在400 h前的試驗(yàn)前期，油樣酸值增幅較大，而在400 h后，油樣酸值增幅較小，并且數(shù)值逐漸平穩(wěn)，說明油樣中的堿性添加劑物質(zhì)開始起到中和作用，并讓堿值維持在較為平穩(wěn)的小幅波動范圍內(nèi)。

4.1.5 氧化值/硝化值分析

氧化是引起油液衰變的主要原因，潤滑油中的氧化產(chǎn)物會導(dǎo)致酸值、黏度、磨損增加，濾網(wǎng)的堵塞和添加劑的消耗。硝化與氧化反應(yīng)不同，是一種高溫凝聚的過程，同樣會使油液黏度增加，是油泥和漆膜生成的重要原因之一[8]。以紅外光譜直接趨勢法分析試驗(yàn)油品在試驗(yàn)過程中的氧化值/硝化值變化，可以更直觀地反映油品的氧化/硝化情況，試驗(yàn)油的氧化值/硝化值變化如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)油品在試驗(yàn)周期內(nèi)氧化物、硝化物變化趨勢

從圖5可以看出，試驗(yàn)油的氧化值/硝化值短期升高后保持平穩(wěn)狀態(tài)，油品具有良好的抗氧化/硝化性能。

4.1.6 煙炱含量分析

煙炱主要是柴油不完全燃燒的產(chǎn)物，煙炱會引起柴油機(jī)油顏色變黑，引起油品黏度增加、發(fā)動機(jī)磨損等問題，造成發(fā)動機(jī)摩擦副磨損和濾網(wǎng)堵塞[9]。對試驗(yàn)油進(jìn)行煙炱含量的監(jiān)控有利于掌握發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和潤滑油的質(zhì)量狀況。使用紅外光譜法對試驗(yàn)油的煙炱含量變化趨勢進(jìn)行監(jiān)控，如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)油品在試驗(yàn)周期內(nèi)煙炱含量變化趨勢

從圖6可以看出，試驗(yàn)油的煙炱含量300 h前增幅較大，300 h后增幅較小，變化平穩(wěn)，表明油品對煙炱具有良好的分散作用，能有效延緩油品性能下降。

4.1.7 元素含量分析

通過元素分析，可以得出設(shè)備可能存在異常磨損，能很好地監(jiān)測油品的狀態(tài)[10]。監(jiān)測試驗(yàn)油中的鐵、鋁、銅3種金屬元素含量，以監(jiān)控發(fā)動機(jī)設(shè)備活塞、缸套等主要金屬部件的磨損情況。監(jiān)測試驗(yàn)油中的鈣、鋅、磷，可以有效監(jiān)控添加劑衰變情況。試驗(yàn)油在試驗(yàn)過程中磨損元素含量變化如圖7和圖8所示。

圖7 試驗(yàn)油品在試驗(yàn)周期內(nèi)鈣、磷、鋅元素含量變化趨勢

圖8 試驗(yàn)油品在試驗(yàn)周期內(nèi)銅、鐵元素含量變化趨勢

從圖7、圖8可以看出，試驗(yàn)油添加劑元素含量平穩(wěn)，表明添加劑衰變緩慢，保證了清凈分散性和抗磨減摩性能；磨損金屬元素含量保持非常低的狀態(tài)，表明發(fā)動機(jī)設(shè)備活塞、缸套等金屬部件無異常磨損，試驗(yàn)油具有優(yōu)異的抗磨性能。

4.1.8 閃點(diǎn)分析

閃點(diǎn)是表示油品著火危險性和油品蒸發(fā)性能的一項(xiàng)安全性指標(biāo)。通過監(jiān)控再用試驗(yàn)油樣的閃點(diǎn)，可以看出是否有輕組分的燃料混入潤滑系統(tǒng)中，影響潤滑油膜的形成[11]。試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)油樣的閃點(diǎn)變化如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)油品在試驗(yàn)周期內(nèi)閃點(diǎn)變化趨勢

從圖9可以看出，試驗(yàn)油在試驗(yàn)過程中，伴隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，油品閃點(diǎn)與新油油樣閃點(diǎn)值較為接近，試驗(yàn)測量原因，數(shù)值略有波動，試驗(yàn)結(jié)束后，油樣閃點(diǎn)仍處于安全位置。

4.1.9 水分分析

在用油由于缸套老化滲漏、燃燒室產(chǎn)生的水汽等原因都可能引起油品中混入水分。水分的存在會對設(shè)備的零件發(fā)生電化學(xué)的腐蝕，加速試驗(yàn)油品的氧化，產(chǎn)生沉淀物和油泥，加快設(shè)備磨損減少設(shè)備的使用壽命。還可以形成氣蝕磨損，影響潤滑性能。進(jìn)水可以使油品氧化，酸值變高，設(shè)備隨之腐蝕，油品抗乳化性能降低，形成乳化膜，使油品黏度降低，影響設(shè)備的正常工作。進(jìn)水可以導(dǎo)致部分添加劑功能失效[12]?？傊謱櫥捅旧淼挠绊懯呛艽蟮?，所以試驗(yàn)過程中對試驗(yàn)油的水分進(jìn)行監(jiān)控尤為重要，其監(jiān)測結(jié)果如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)油品在試驗(yàn)周期內(nèi)水分含量變化趨勢

從圖10可以看出，伴隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，在用油中有極微量的水分產(chǎn)生，試驗(yàn)結(jié)束后油品的水分最終含量為0.003%，低于本油品換油指標(biāo)(0.2%)的換油要求，可以看出試驗(yàn)過程中試驗(yàn)油無水污染現(xiàn)象發(fā)生。

4.1.10 燃油稀釋分析

燃油稀釋會削弱油膜的承載能力，增大磨損，影響油品的使用性能。監(jiān)測柴油機(jī)油燃油稀釋的情況，可以及時更換新油。燃油稀釋后的柴油機(jī)油黏度和閃點(diǎn)明顯下降,傾點(diǎn)未發(fā)生明顯變化,酸堿值和抗氧化性能有一定程度的降低。彈流潤滑條件下發(fā)動機(jī)油的油膜厚度降低,同時燃油稀釋后柴油機(jī)油在邊界潤滑條件下的減摩與抗磨性能有所下降[13]。試驗(yàn)油樣的燃油稀釋如圖11所示。

圖11 試驗(yàn)油品在試驗(yàn)周期燃油稀釋變化趨勢

可以看出，油品中燃油稀釋的值很低，沒超過4.5%，未超過換油的要求。

4.2 柴油機(jī)拆檢情況分析

耐久考核試驗(yàn)后對柴油機(jī)進(jìn)行了全面的分析檢測，對所有重要零部件中具有相對運(yùn)動的部位全面進(jìn)行精密測量，對進(jìn)/排氣閥、進(jìn)/排氣閥座、活塞、氣缸蓋等承受熱負(fù)荷的零件進(jìn)行了著色滲透探傷檢驗(yàn)，與耐久考核試驗(yàn)前的測量結(jié)果進(jìn)行對比，各運(yùn)動副磨損以及主要零部件狀態(tài)均正常。

活塞頂部有少量積炭，無過熱現(xiàn)象，無熱疲勞痕跡，頂部外緣不明顯拉痕，裙部在銷座方向有正常的運(yùn)動痕跡，裙部石墨尚存，活塞環(huán)表面光滑、無拉痕、將磁力探傷檢查無疲勞裂痕，活塞環(huán)正常，均勻不積炭。

氣缸套工作表面網(wǎng)紋清晰，無異常磨損，外表光滑無穴蝕。曲軸主軸頸，連桿軸頸表面光滑，無拉痕，經(jīng)磁力探傷無裂痕。凸輪軸表面光滑，無異常磨損,無拉痕。主軸瓦表面光滑、無異常磨損、無剝落、無穴蝕、無過燒。連桿經(jīng)磁力探傷，無疲勞跡象。連桿螺栓長度正常。氣缸蓋燃燒室部分有少量積炭；進(jìn)/排氣閥及閥座無異常磨損、經(jīng)過著色探傷無裂紋。挺柱無異常磨損，無剝落，無拉痕。各傳動齒輪面無點(diǎn)蝕，無剝落，僅有微量磨損和正常的咬合痕跡，各中間齒輪軸光滑，無拉痕，無明顯的磨損。噴油器頭部有少量積炭，噴射開啟壓力在要求范圍內(nèi)(28～29 MPa)內(nèi)，霧化正常。進(jìn)排氣門部和密封面、進(jìn)排氣門座圈無異常磨損，進(jìn)排氣底面和氣缸蓋底面的密封面的距離不明顯變化，閥盤錐面有微量積炭。氣門搖臂孔無異常磨損，無拉痕。氣門導(dǎo)管光滑，無拉痕。氣閥間隙在循環(huán)停機(jī)后和分解檢查時復(fù)查，無明顯變化，在正常要求范圍內(nèi)。增壓器轉(zhuǎn)子軸向間隙和徑向間隙正常，轉(zhuǎn)動靈活，無油污。

5 結(jié)論

根據(jù)船用柴油機(jī)的高性能要求，通過對基礎(chǔ)油流變性能和添加劑的復(fù)配研究，研制出的一種新型的高質(zhì)量等級的船用柴油機(jī)油，具有良好的抗氧化、抗硝化、抗磨損性能、分散性能，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足了設(shè)計的要求。并且該船用柴油機(jī)油累計完成1097 h試驗(yàn)，綜合臺架試驗(yàn)工況來看，達(dá)到1000 h的耐久試驗(yàn)要求。通過對耐久試驗(yàn)該油品的監(jiān)測分析，從各項(xiàng)指標(biāo)來看，油品表現(xiàn)出良好的黏度和堿值保持性，表明油品具有良好的抗氧化、抗硝化、抗磨損性能、分散性能，能有效分散燃料油產(chǎn)生的煙炱。耐久試驗(yàn)后拆機(jī)評價，發(fā)動機(jī)零部件沉積物少，無異常磨損，表明試驗(yàn)油品具有良好的清凈分散性、抗氧性及潤滑性能，綜合性能表現(xiàn)良好。