中国石化长城船用中速机油4012 在MAN四冲程发动机上的应用研究

占志恒 杨慧青 郑金花

中国石化润滑油有限公司上海研究院

船舶在国民经济中的应用极其广泛，小到高速快艇，大到十几万吨的货船，均与国民经济密切相关。船用发动机是船舶的心脏，为船舶提供动力的同时，也是船舶设备用电的主要来源。根据船用发动机转速不同，分为高速机、中速机、低速机，其中船用中速发动机具有功率高、启动快、体积相对较小等优点，广泛应用于大型远洋船舶的发电机、中小型船舶的主机等。目前船用中速机主要来自芬兰Wartsila公 司 和MAN Energy Solutions 公司，这两家原始设备制造商（OEM）占据了约70%的市场份额[1]，其中 Wartsila 市场份额最高，约占46%，但在国内市场上，由于MAN四冲程中速机具有较好的性价比，深受国内船东青睐。

在燃料油方面，随着全球范围内环保法规的发展，对船舶使用的燃料油硫含量限制日益严苛，无论是硫排放控制区（SECA）范围，还是对船用燃料油硫含量的要求都在不断提高[2]。根据MARPOL 附则Ⅵ排放法规要求，从2020 年1 月1 日起，全球范围内实施0.5% (质量分数)的硫含量限制，要求在SECA 以外航行的所有船舶使用硫含量不高于0.5% (质量分数)的燃油或者必须安装脱硫装置；中国从2020年1 月1 日起，中国海域要使用硫含量≤0.5% ( 质量分数) 的燃油，海船进入内河使用硫含量≤0.1% (质量分数)的燃油[3，4]。随着燃料油硫含量的降低，对低碱值船用四冲程中速机油的需求也将日益增加。同时随着四冲程中速机朝高压、大功率、低滑油消耗率方向发展，对中速机油的清净性、油泥分散性、抗磨性和抗氧性均提出了更高的要求[5]。

船用四冲程中速机具有功率高、启动快、体积相对较小等优点，广泛应用于大型远洋船舶的发电机、中小型船舶的主机等；随着全球范围内环保法规的发展，对船舶使用的燃料油硫含量限制也日益严苛。为验证长城船用中速机油4012 在船用燃油低硫化下的性能表现，本文开展了长城船用中速机油4012在MAN四冲程发动机[使用燃油为MGO 船用轻柴油，硫含量小于0.05%（质量分数）]上的应用研究，通过在用油监控、拆机检查，长城中速机油4012 表现出了优异的清净性、抗磨性、碱值保持性等综合性能，可以满足MAN 四冲程发动机的使用要求。

船用中速机油工作条件比较苛刻，且长期循环工作，既要承担船用气缸油的作用，与高温燃气接触，润滑缸套-活塞环，又要承担船用系统油的作用，润滑曲轴轴承、凸轮-挺杆等摩擦部位，冷却活塞。由于船用中速机油润滑部位众多，因此受污染的范围和途径广泛，其主要固体污染物包括燃烧产物、运动部件磨损产物、润滑油氧化产生的大分子物质及外界空气带入的粉尘、沙粒等；液体污染物包括冷却水、冷凝水、海水、淡水及机舱污水及未完全燃烧的燃料油。所以定期检测在用油质量是常用的有效手段之一，也可以间接反映设备的运行状态[6]。

中国石化长城船用中速机油4012（简称：长城船用中速机油4012）适用于以柴油为燃料的四冲程中速柴油机或LNG/柴油双燃料四冲程中速柴油机润滑；具有突出的抗磨损性能、清净分散性能、防锈和抗腐蚀性能，能有效减少金属机件的磨损、保持发动机部件清洁等，对发动机起到润滑保护作用。

为了进一步验证长城船用中速机油4012 在发动机上的性能表现，开展了该油品在MAN 四冲程中速机上的应用研究，通过6 000 h 应用研究的发动机检查和在用油监控，考察油品的综合性能。

试验部分

试验概况

长城中速机油4012 的应用研究在MAN L21/31 发动机上进行，使用的燃油为馏分油，应用研究为6 000 h，通过对在用油的监控，初、末次发动机吊缸检查，以验证油品综合性能。试验期间，定期检测发动机工况，定期取油样进行理化分析测试；在测试开始以及试验结束后，检测发动机关键零部件，重点评价发动机零部件的磨损以及沉积物生成情况。

试验发动机

试验发动机为6 缸的MAN L21/31 中速机，应用研究过程中载荷维持在75%。具体参数见表1。

表1 MAN L21/31试验发动机参数

试验燃料油

试验期间使用 MGO（Marine Gas Oil，船用轻柴油)作为燃料，硫含量小于0.05%（质量分数）。其典型参数见表2。

从表2 分析结果可见，在应用研究过程中，各批次燃油质量保持稳定，关键指标符合ISO 8217 中对馏分油的指标要求。

试验用中速机油

长城船用中速机油4012 典型数据见表3。

表3 长城中速机油4012典型数据

取样检测

在行船试验期间，对试验润滑油进行取样分析。在试验进行过程中，每隔500 h 取样一次。对采集的在用油样的运动黏度、总碱值、磨损金属元素（Fe、Cu）、污染元素（Si）等项目进行检测。

在用油评价依据

本次应用研究参考了MAN 公司船用中速机油在用油极限值，作为在用油性能的评价依据，见表4。

表4 MAN公司船用中速机油在用油极限值

MAN 公司对关键指标如运动黏度（40 ℃）、水含量、碱值、戊烷不溶物、铁、铜元素进行了极限值限制，中速机油在使用过程中在用油的各项指标均要求在极限值以内。

试验结果及讨论

在用油监控

碱值变化

碱值的大小反映了油品中和酸性物质的能力，中速机油在使用过程中需要中和燃料中硫元素燃烧产生的酸性物质，避免对设备带来腐蚀，为此需要对在用油的碱值进行监控。试验油品在试验过程中的碱值变化如图1 所示。

从图1 可以看出，在应用研究过程中，试验油品碱值均在正常范围以内，说明油品具有良好的碱值保持性。

图1 试验油品的碱值变化

黏度变化

黏度在一定程度上反映了油品在使用过程中的老化程度，即油品在使用过程中不可避免地与空气中的氧气发生氧化，生成氧化产物，在宏观上出现黏度增高的现象，当黏度增长过高时，会对设备润滑带来不利影响；另外当馏分油混入中速机油中，试验油的黏度将出现下降，从而导致机油黏度过低，产生的油膜强度不够，无法满足发动机润滑要求的情况。试验油品在试验过程中的黏度变化如图2 所示。

从图2 可以看出，在应用研究过程中，试验油品40 ℃运动黏度均在正常范围以内，说明油品具有良好的黏度控制能力。

图2 试验油品的40 ℃运动黏度变化

戊烷不溶物和水分变化

在用油的戊烷不溶物和水分监控反映了发动机气缸的密封性，同时戊烷不溶物多少也是抗氧化性能的重要体现，因为油品在高温运行的发动机中使用时，不可避免地会发生氧化作用，黏稠的氧化产物溶于油中，会导致其戊烷不溶物含量增加。试验油品在试验过程中的戊烷不溶物和水分变化如图3 所示。

从图3 可以看出，在应用研究过程中，试验油品的戊烷不溶物和水分均处于较低水平，远低于MAN要求的戊烷不溶物和水分的警示线，由此说明发动机气缸内燃烧良好，没有杂质进入，同时戊烷不溶物少，说明油品形成的油泥较少，油品的抗氧化性能好。水分含量较低，说明气缸密封性良好，没有出现水分的进入。

图3 试验油品的戊烷不溶物和水分变化

元素变化及其他

铜、铁元素是重要的磨损元素，通过对铜、铁元素的监控可以反映出发动机的磨损情况。从磨损元素监控来看，在应用研究过程中，试验油品的铜含量、铁含量均维持在5 mg/kg 以下，说明润滑油对发动机的保护良好，没有出现磨损异常的情况；此外，闪点也均在正常范围。

综上所述，从应用研究在用油监控结果来看，长城低碱值中速机油4012 具有良好的碱值保持性、黏度控制能力、抗氧化性能以及抗磨损性能，能够为发动机提高足够的润滑保护。

吊缸检查

在应用研究过程中，分别在试验开始、试验结束时对发动机进行吊缸检查。末次吊缸检查的照片见表5。

从表5 可见，主轴瓦、燃烧室、曲柄销等关键部位均保持良好，活塞环洁净，说明油品具有良好的清净性和抗磨损性能，经数千小时的应用研究，长城低碱值中速机油4012 对应用研究的发动机起到了良好的润滑保护作用。

表5 末次吊缸照片

通过在用油监控和发动机吊缸检查，长城中速机油4012 表现出了优异的清净性、抗磨性、碱值保持性等综合性能，对发动机起到了优异的润滑保护作用。

结论

长城中速机油4012 在MAN 发动机的6 000 h 应用研究表明，该油品具有良好的使用性能，可防止发动机部件磨损，保证发动机正常运转。从在用油跟踪和发动机拆机检查果来看，长城中速机油4012 表现出了优异的清净性、抗磨性、碱值保持性等综合性能。