船用柴油機氣缸積碳問題分析及對策

鄧健星，湯卓鑫，羅火城

（玉柴船舶動力股份有限公司，珠海 519175）

1 前言

隨著船東對船用低速柴油機功率重量比、燃料經濟性、排放等要求不斷提高，柴油機的平均有效壓力、爆壓等關鍵參數也隨之提高。作為柴油機氣缸內摩擦損失的主要運動件的潤滑性能越來越受到關注，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，同時為節約成本，柴油機長期在低負荷下運行，導致柴油機出現氣缸積碳，甚至拉缸等現象，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，同時規范操作規程，從源頭上基本解決氣缸積碳現象。

2 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，發現各氣缸存在嚴重積碳現象（見圖1），經深入分析，確定了產生該問題的主要原因是：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。

圖1 氣缸積碳

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，與高硫份劣質燃料渣油不匹配；

3）柴油機氣缸潤滑油注油率偏高，為1.6 g/kWh；

4）柴油機長期處于低負荷經濟運行（＜50%負荷）工況狀態；

5）柴油機合同功率點為R4 點，最低轉速，最低功率。

3 氣缸積碳原因分析及防范措施

3.1 積碳形成機理

船用二沖程柴油機氣缸積碳，主要為硫酸鈣的產物，是由氣缸潤滑油的添加劑碳酸鈣與濃硫酸中和化學反應而形成的。在正常情況下，硫酸鈣被融混在氣缸潤滑油膜中，活塞頭上的活塞環對珩磨加工的缸套金屬表面的積碳連續清理，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產物的熏陶集聚，在高溫油煙熏烤下的沉積物表面呈現深色或黑色，使氣缸內形成積碳，柴油機溫度越高，形成的積碳越硬越緊密，與金屬粘結越牢固。

3.2 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、氣缸套與活塞裙等摩擦副的磨損；運動副摩擦產生的金屬顆粒和燃燒產生的磨粒，將隨氣缸潤滑油通過活塞環刮至掃氣箱并排出；氣缸潤滑油中的堿性物質，中和燃燒產物中的酸性物質，減少對氣缸套的腐蝕[1]。

良好的氣缸潤滑油，應具備以下特性：良好的潤滑性；合適的粘度和粘度指數；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，應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。

3.3 氣缸積碳產生的原因

氣缸積碳產生的原因非常復雜，主要與氣缸潤滑油的型號、燃油的品質、柴油機工作條件、操作方法等密切相關，現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整氣缸潤滑油，導致缸內噴射過多的氣缸潤滑油，經高溫燃燒產生積碳；

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定性差等；氣缸潤滑油的型號選用應與燃料油含硫量相匹配，否則無法中和噴入氣缸酸性物質，同時氣缸潤滑油的去污性能差，無法及時清理缸內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，燃油容易發生氧化反應生成膠狀物質，這些膠狀物質可能溶于柴油，燃油品質越差，含殘碳值越高，越易使柴油機形成積碳；同時，油品較差的燃油中酸性物質和水分使噴油器偶件過早磨損，導致噴油器工作不正常，使燃燒室內燃油燃燒不充分而形成積碳;

4）燃油進機前未預熱、過濾

燃料油在進入柴油機前務必加熱、過濾，保證燃料油進機粘度在13～17 cSt，并不得含有＞25μm的雜質，保證噴油器正常工作；

5）活塞環槽、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，燃燒后會出現一些積碳附在活塞環槽、活塞頭、排氣閥內表面等，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卡滯時，會導致燃油霧化不良、噴油壓力過低等故障，使進入燃燒室內的燃油達不到充分燃燒的要求，導致燃燒不充分或來不及燃燒。

3.4 氣缸積碳的危害

積碳聚集在燃燒室內，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，導致空燃比時高時低，使柴油機在低負荷時容易出現敲缸或轉速不穩現象；在柴油機運行過程中，積碳會影響燃燒部件的導熱性，活塞頭和氣缸套上的大量積碳會導致局部過熱，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、活塞環卡死和拉缸等。由此可見，柴油機內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，容易堵塞活塞環槽，造成活塞環活動不靈活、失去彈性和密封性，或因串氣而斷裂，最終使活塞環徹底失效；

2）氣缸套表面因積碳層硬顆粒摩擦，導熱不均勻，產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，甚至導致損傷和破壞；

5）長期積碳過度，影響活塞桿填料函正常功能，甚至導致損傷和破壞；

6）長期積碳過度，影響增壓器透平端零部件正常功能，甚至導致損傷和破壞。

3.5 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注入，燃燒產生一定量的積碳是不可避免的現象，應根據積碳的生成機理和柴油機操作方面采取預防措施，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，對應不同BN 值的氣缸潤滑油。

圖2 不同硫含量的燃油對應不同BN 值的氣缸潤滑油

柴油機技術在不斷發展，為提高發動機效率，采用更高的爆壓和燃燒室部件溫度，這使得發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；近期發布的BN40 二類氣缸潤滑油也滿足要求，如殼牌Shell Alexia 40XC 和雪佛龍Taro Ultra Advanced 40。

2）合理設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

傳統機型（如RT-flex50-D），設定的氣缸潤滑油注油率為0.6～1.2 g/kWh，根據裝用的氣缸潤滑油系統類型調整氣缸潤滑油注油率；通常磨合期間，脈沖潤滑油系統最大氣缸潤滑油注油率為1.2 g/kWh；隨著氣缸磨合的進程，根據氣缸實際狀況，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設置為0.9 g/kWh，如需進一步下調注油率，務必檢測活塞下部殘余的氣缸潤滑油的堿值和鐵含量，其檢測結果滿足圖3 中安全區要求；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，每次調整不能大于0.05 g/kWh。

圖3 活塞下部殘余氣缸潤滑油檢驗建議區

圖4 活塞環檢查照片

由于船舶航行時，實際情況比設計工況要復雜得多，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）燃油的油品質量（主要是含硫量S）；

（3）輪機運行管理水平和輪機員業務素質；

（4）氣缸潤滑油油品質量（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更換頻次。

3）定期吊缸妥善清除活塞環槽、活塞頭、燃燒室和排氣閥空間等積碳，保證活塞環在活塞環槽內靈活轉動，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，應改造氣缸套冷卻水系統，盡量提高缸套冷卻水溫度，避免出現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，避免出現燃料燃燒不充分情況；

6）定期檢查排氣閥閥桿軸封，及時排除排氣閥閥桿潤滑油泄漏或滲漏；

7）關注各缸排煙溫度，保證各缸排煙溫度低于515 ℃，各缸之間的溫度差不高于50 ℃。

4 結束語

船舶的正常行駛離不開船用柴油機（主機）提供源源不斷的動力，主機正常運行也離不開各系統的正常運行和船員正常操作，主機氣缸積碳問題嚴重影響船舶正常運營。本文提出的解決氣缸積碳措施，已從船舶運營中得到有效驗證，具有一定的參考借鑒價值。