天然气发动机磨合期润滑油状态试验研究

李新伟，王坤程，周长旺，王 伟，齐 凤，韩云龙

（中国石油集团济柴动力有限公司，山东济南 250306）

0 引言

天然气发动机出厂后，因加工和装配工艺的精度问题，必然会存在一定的几何缺陷。如不经磨合而直接投入使用，往往会影响发动机的寿命。发动机磨合期的润滑油状态对形成稳定的耐磨表层，形成稳定的润滑油膜，降低零部件间的磨损速度、降低摩擦系数等具有重要影响。本文就天然气发动机磨合期润滑油状态进行了研究，以初步掌握其规律。

1 发动机试验台架设计

天然气发动机试验台架主要由天然气发电机组、阻感负载箱和测试系统组成。发电机组是该试验的试验载体，阻感负载箱提供试验所需的阻性和感性负载，测试系统检测发电机组的运行参数和润滑油的参数。为便于试验，发动机配备发电机后组成发电机组。该试验台架结构简单、易于操作（图1）；测试系统控主要由发电机组的监测模块和负载控制模块组成，监测模块监控发电机组的运行参数，负载控制模块主要用于加减载的控制；负载控制模块控制阻性负载箱和感性负载箱给发电机组提供负载；发电机组的性能参数和润滑油参数由测试系统的监测模块进行监测。在整个试验过程中尽可能模拟真实工况。

图1 试验台架结构示意

2 天然气发动机的基本参数

在试验中采用某型6 缸直列、标定功率350 kW、标定转速1500 r/min 的天然气发动机，配置300 kW 的发电机，组成发电机组。

（1）发动机型号为6L，冲程为4、缸数为6，L 形排列，标定功率P标为350 kW，标定转速n标为1500 r/min。

（2）发电机型号为1FC354，额定功率P额为300 kW，额定电流I额为413 A，额定电压U额为600 V；为发电机的额定频率F额为50 Hz；功率因数cosφ 为0.8。

3 磨合期润滑油状态试验研究

测试系统的进油位置选取在机油泵和润滑油滤清器之间，此位置可有效反映润滑油在各个功率运行段的性能状态。

在本次试验中，润滑油选用昆仑天威CF-4 15W-40 型号的润滑油，为发动机说明书中的推荐选用型号。

3.1 润滑油状态试验设计

在天然气发动机的磨合过程中，润滑油的性质会发生改变，如颗粒浓度、尺寸、数量等。通过传感器采集发动机润滑油的状态，润滑油监测系统可进行实时采样和分析。

在本次试验中，使发动机运行在额定转速1500 r/min 的稳定状态，然后分别对75 kW、150 kW、225 kW 和300 kW 的负载进行测试，分别对应额定功率的25%、50%、75%和100%的负载工况。在试验中，每种工况的磨合时间均为2 h。

该润滑油状态的试验设计的具体参数如表1 所示：P试为试验负载功率，T试为试验时间，T累为累计试验时间。

表1 润滑油状态试验设计

3.2 润滑油清洁度测试

按试验设计的4 个功率段，分别为75 kW、150 kW、225 kW和300 kW，每个功率段运行2 h，累计运行时间8 h。

通过润滑油监测系统的实时采集分析，然后绘出各个功率段的润滑油清洁度测试曲线（图2）。

图2 润滑油的污染程度与运行时间的关系

由图2 可以发现，运行1 h 后润滑油的污染程度增加较快，在第2～3 h、4～5 h 和6～7 h 的时间段内，润滑油的污染程度未发生显著变化，在运行到1～2 h、3～4 h 和7～8 h 的时间段内，润滑油的污染程度显著上升，同时还可以看出磨合期内润滑油的污染程度有明显上升趋势。

3.3 润滑油中磨损颗粒数目和直径尺寸

在8 h 的磨合期内，因零部件间的相对运动，由于润滑油在零部件间的润滑作用，必然导致有大量的磨损颗粒混入润滑油中。

在测试中发现，绝大多数的磨损颗粒直径都在70～110 μm。而磨损颗粒的数量有明显增加，在各个时间段内，磨损的颗粒数量的增长速度基本成比例增加，且基本与磨合时间呈线性关系（图3）。

图3 磨损颗粒数量与时间关系曲线

3.4 润滑油中磨损颗粒浓度与负载的关系测试

一般情况下，在磨合期内润滑油的磨损颗粒浓度随负载的变化而变化，负载升高则颗粒浓度升高（图4）。

图4 磨损颗粒浓度与负载的关系曲线

其中，在运行在75 kW 功率段2 h 后，其颗粒浓度上升的速度较快，在其他的功率段，颗粒浓度的变化基本呈线性规律上升。

4 结论

正常运行时，天然气发动机在磨合期内的润滑油污染程度，随磨合时间的增加而增加。磨损颗粒的直径在70～110 μm，数量与磨合时间基本呈线性关系。磨损颗粒浓度随负载的增加而增加，基本上为线性关系。

由此推论，如监测到的润滑油性能数据发生突变，则说明发动机出现异常磨损，需紧急停机后进行处理。