張皓鈺　鄧剛　朱濤　張定國

摘要：為解決某船用柴油機機油中含碳量過高導致的早期老化現(xiàn)象，模擬實際作業(yè)工況對該柴油機進行仿真分析及臺架試驗，確定造成機油早期老化的主要原因為柴油機長期低速高負荷運行，導致缸內(nèi)燃燒不良，柴油的不完全燃燒產(chǎn)物污染機油；其次，柴油機熱負荷過高、機油溫度過高，加劇機油老化。通過減小噴油器噴孔直徑和增加噴油器噴孔數(shù)量，以改善缸內(nèi)燃燒；通過提高齒輪箱速比，提高柴油機轉速，以降低熱負荷。改進后進行仿真分析及臺架試驗驗證，結果表明：噴油器改進后，排氣煙度及燃油消耗率均下降，柴油機低速燃燒性能改善；齒輪箱速比改進后，缸內(nèi)燃氣熱力學溫度及燃氣傳遞給活塞頂面的熱量均明顯下降，柴油機熱負荷明顯降低。優(yōu)化后的柴油機進行臺架耐久試驗及性能試驗，結果表明：機油中碳的質量分數(shù)及機油黏度升高速率減小，燃油消耗率降低，排放煙度降低，活塞漏氣量減少，機油溫度降低，優(yōu)化措施有效解決柴油機機油早期老化問題。

關鍵詞：機油；早期老化；燃燒不良；噴油器；船用

中圖分類號：TK423文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2023）05-0093-06

引用格式：張皓鈺，鄧剛，朱濤，等.某船用柴油機機油含碳量過高分析及優(yōu)化［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2023，40（5）：93-98.

ZHANG Haoyu， DENG Gang， ZHU Tao， et al. Analysis of high oil carbon in a marine diesel engine and its optimization［J］.Internal Combustion Engine & Powerplant， 2023，40（5）：93-98.

0 引言

柴油機機油填充在活塞環(huán)與氣缸壁之間，能減少活塞做功時的漏氣量，中和柴油燃燒后形成的酸性物質，防止柴油機內(nèi)部發(fā)生腐蝕，有潤滑、冷卻、密封、清潔的作用[1-2]。若機油早期老化，會減弱中和酸性物質和清潔的能力，增大機油黏度，降低機油流動性、散熱性、密封性，導致各摩擦副間不能形成良好的油膜，加速摩擦副間的磨損，嚴重時造成柴油機化瓦、拉缸等故障[3-4]。機油溫度過高，機油中摻雜柴油、水分、金屬磨屑、缸內(nèi)燃燒產(chǎn)物等均會造成機油變質。

本文中針對某船用柴油機出現(xiàn)的機油早期老化問題，通過臺架試驗及一維熱力學仿真確定故障原因，并從改進柴油機低速燃燒和加強活塞冷卻2方面提出優(yōu)化措施，優(yōu)化后進行耐久試驗和臺架性能試驗驗證，解決該柴油機早期機油老化問題。

1 故障分析

1.1 故障描述

用于拖網(wǎng)漁船和蟹籠船的某柴油機，更換新機油不到1 000 h出現(xiàn)機油壓力報警信號，檢查發(fā)現(xiàn)，機油黏度升高，呈糊狀堵塞機油濾清器，機油早期老化，造成機油壓力降低，引起機油壓力報警，導致頻繁清洗機油濾清器，縮短換油周期，嚴重影響漁船作業(yè)。

檢測早期老化的機油油樣，碳的質量分數(shù)為18.31%，遠大于該牌號機油中碳的質量分數(shù)應小于等于1.50%的限值要求。經(jīng)以上分析，機油中碳的質量分數(shù)過高是造成機油黏度升高、引起機油早期老化的直接原因[5-6]。

1.2 原因分析

1.2.1 作業(yè)工況

裝配該柴油機的拖網(wǎng)漁船和蟹籠船均有長時間低速、高負荷運行的特點。以某拖網(wǎng)漁船為例，主機常用轉速為400～450 r/min，該轉速時間占比高達66%以上。采集該漁船常規(guī)運行約800 h的主機增壓壓力如圖1所示。

由圖1可知：主機轉速主要集中在400～450 r/min；主機增壓壓力基本在推進特性增壓壓力以上，且接近外特性增壓壓力，整體負荷偏高。

1.2.2 缸內(nèi)燃燒

柴油機若長時間低速運轉，會降低噴油速率，減小進氣渦流強度，導致燃油無法形成良好的霧狀，難以與空氣迅速混合形成均勻的可燃混合氣，缸內(nèi)燃燒較差，產(chǎn)生大量碳煙；柴油機負荷越高，噴油量越多，缸內(nèi)產(chǎn)生的碳煙越多[7-8]。

碳煙主要包括不完全燃燒的活性積聚物及含硫、氮、氧等化合物的積聚物。碳煙通過活塞、活塞環(huán)和氣缸壁間隙進入曲軸箱的過程中，發(fā)生化學變化，生成固體漆膜和油泥，成為機油的直接污染物。漆膜降低活塞的熱傳導性，使活塞溫度升高，發(fā)動機有效功減少；堅硬的漆膜增加氣缸壁磨損，磨掉的漆膜屑進入曲軸箱產(chǎn)生污染，加速機油早期老化和變質。柴油機燃燒產(chǎn)物及曲軸箱內(nèi)機油自發(fā)的化學反應生成物經(jīng)過各種氧化反應與生成物縮聚反應后生成油泥，加快機油早期老化速率。此外，缸內(nèi)高溫混合燃氣和廢氣導致曲軸箱壓力升高，機油從氣缸套到油底殼的回流速度變緩，導致缸內(nèi)機油的潤滑性降低[9-10]。

模擬發(fā)動機作業(yè)工況進行臺架試驗，按照該柴油機推進特性試驗標準，燃油消耗率應小于等于230 g/（kW·h），F(xiàn)SN煙度應小于等于3.0，曲軸箱漏氣體積流量應小于等于112.5 L/min。檢測該柴油機燃油消耗率為235.5 g/（kW·h），F(xiàn)SN煙度為3.3，曲軸箱漏氣體積流量為120 L/min，該柴油機燃燒不充分、燃油消耗率高、煙度大、漏氣量大。

1.2.3 熱負荷仿真計算

建立柴油機一維熱力學計算模型，分別分析該主機外特性轉速為450 r/min、額定轉速為1 000 r/min時，不同曲軸轉角對應的缸內(nèi)燃氣熱力學溫度和燃氣傳遞給活塞頂面的熱量（簡稱活塞頂面換熱量）如圖2所示。由圖2可知：外特性工況（450 r/min）的缸內(nèi)燃氣熱力學溫度和活塞頂面換熱量明顯高于額定工況（1 000 r/min）；低速外特性工況下，柴油機熱負荷偏高。

1.2.4 活塞測溫試驗

在活塞頂部不同位置（喉口、燃燒室底面、內(nèi)冷油腔表面、外冷油腔表面）安裝溫度傳感器，分別測量發(fā)動機外特性轉速為450 r/min、額定轉速為1 000 r/min時，活塞不同位置的最高瞬時攝氏溫度，測量結果如表1所示。

由表1可知：外特性工況活塞頂部各位置最高溫度和活塞頭部的機油最高溫度均高于額定工況。本文中從柴油機低速燃燒和活塞冷卻2個方面進行改進，解決該類漁船主機機油早期老化故障。

2 改進措施

2.1 優(yōu)化低速缸內(nèi)燃燒

在不影響柴油機動力性的前提下，減小噴油器噴孔直徑，增加噴孔數(shù)量，保持噴孔總面積不變，液滴直徑減小，霧化更好，油霧與空氣混合更充分，轉速較低時燃燒更充分，但影響高轉速時的燃油消耗率和煙度[11-13]。

將原柴油機8個噴孔直徑為0.310 mm的噴油器更換為10個噴孔直徑為0.265 mm的噴油器，進行噴油器噴孔單一變量的臺架試驗。噴油器改進前、后，柴油機的燃油消耗率和排氣煙度如圖3所示。

由圖3可知：更換噴油器后，低負荷比時，柴油機的燃油消耗率和排氣煙度均有明顯下降；最大燃油消耗率由263.3 g/（kW·h）減小為255.5 g/（kW·h），下降了約3.0%；最大FSN煙度由3.3減小為0.9，下降了約73%。

2.2 提高主機作業(yè)轉速

提高柴油機轉速可提高供油速率，改善燃油霧化質量，缸內(nèi)混合氣燃燒充分，減少燃燒產(chǎn)物對機油的污染，降低柴油機熱負荷及活塞冷卻油腔的機油溫度，增大機油壓力和體積流量，提高活塞頭部冷卻效果，降低機油溫度[14-16]。

在不影響船舶正常工作航速的前提下，保持柴油機輸出功率為237 kW，將柴油機齒輪箱速比從8.55提高到10.26，使柴油機轉速從450 r/min升高至540 r/min，采用一維熱力學仿真計算改變齒輪箱速比前、后的缸內(nèi)燃氣熱力學溫度和活塞頂面換熱量，結果如圖4所示。

由圖4可知：齒輪箱速比增大，柴油機轉速提高后，缸內(nèi)最高燃氣熱力學溫度降低約224.0 K，活塞頂面換熱量最大相對降低35.5%，該柴油機機油壓力隨轉速的變化如圖5所示。

由圖5可知：柴油機轉速由450 r/min升高為540 r/min，機油壓力由0.321 MPa升高為0.339 MPa，提高了5.6%。

隨著轉速的變化，測量機油體積流量從24.30 m3/h增大為29.16 m3/h，提高了20%。

提高齒輪箱速比，可降低柴油機熱負荷，從而降低機油溫度。

2.3 優(yōu)化驗證

將原柴油機8個噴孔直徑為0.310 mm的噴油器更換為10個噴孔直徑為0.265 mm的噴油器，齒輪箱速比由8.55提高到10.26，忽略儀器測量精度的影響，對改進后的柴油機進行50 h臺架耐久試驗，機油中碳的質量分數(shù)和機油黏度如表2所示。

由表2可知：改進后的柴油機進行50 h臺架耐久試驗后，機油中碳的質量分數(shù)和機油黏度上升趨勢均減緩。

對改進前、后的柴油機進行臺架性能試驗，結果如表3所示。

由表3可知：相比改進前，改進后的柴油機燃油消耗率降低，排放煙度降低，活塞漏氣量減少，活塞內(nèi)、外冷油腔表面溫度降低，機油中碳的質量分數(shù)及機油黏度相對變化明顯降低。

將改進后的柴油機安裝到故障漁船上，正常運行1 500 h以上，機油中碳的質量分數(shù)未明顯上升，機油黏度未過快增加，機油未出現(xiàn)早期老化現(xiàn)象，換油周期及壓力均在正常范圍內(nèi)，有效解決了漁船長期低速作業(yè)導致的機油早期老化故障。

3 結論

1）某船用柴油機長期低速高負荷作業(yè)，造成缸內(nèi)燃燒不良，未完全燃燒產(chǎn)物污染機油，使機油中碳的質量分數(shù)及機油黏度升高過快，造成機油早期老化。

2）低速高負荷工況會增加缸內(nèi)熱負荷，使活塞的機油溫度過高，加劇機油早期老化。

3）減小噴油器噴孔直徑，增大噴油器數(shù)量，可使柴油機低負荷時的燃油消耗率和排氣煙度降低。

4）提高齒輪箱速比，可增大柴油機工作轉速，改善柴油機低速燃燒性能，降低柴油機熱負荷，降低機油溫度。

5）改進噴油器結構及提高齒輪箱速比相結合，可減緩機油中碳的質量分數(shù)上升速率，增大機油流量，保證柴油機用于該類拖網(wǎng)漁船和蟹籠船主機時正常運行。

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Analysis of high oil carbon in a marine diesel engine

and its optimization

ZHANG Haoyu， DENG Gang， ZHU Tao， ZHANG Dingguo

Weichai Power Co.， Ltd.，Weifang 261061，China

Abstract：In order to solve the early aging phenomenon caused by high oil carbon content in a marine diesel engine， simulation analysis and bench testing are conducted. It is found that the main reason of early aging of the oil is long-term low speed and high load operation of the diesel engine， resulting in poor combustion in the cylinder， high thermal load of the diesel engine， and high oil temperature. By reducing the diameter of the fuel injector orifice， increasing the number of fuel injectors， and improving the fuel injectors， combustion in the cylinder is improved. By increasing the gearbox speed ratio and the diesel engine speed， the thermal load is reduced. After these improvement， simulation tests and bench tests are conducted to verify the results. The results show that after the improvement of the fuel injector， the exhaust smoke and fuel consumption rate decrease， and the low-speed combustion performance of the diesel engine improves. After improving the gearbox speed ratio， the thermodynamic temperature of the gas in the cylinder and the heat transferred from the gas to the piston top surface significantly decreases， and the thermal load of the diesel engine significantly decreases. The optimized diesel engine is tested for durability and performance. The results show that the mass fraction of carbon in the oil and the rate of increase of oil viscosity decrease， fuel consumption rate， smoke emission， piston leakage， and oil temperature decrease together. The optimization measures effectively solve the problem of early aging of diesel engine oil.

Keywords：engine oil; early aging; poor combustion; fuel injector; marine

（責任編輯：胡曉燕）

收稿日期：2022-10-28

第一作者簡介：張皓鈺（1984—），男，甘肅慶陽人，工程師，主要研究方向為發(fā)動機可靠性，E-mail：zhanghaoy@weichai.com。