某船用柴油机机油含碳量过高分析及优化

张皓钰　邓刚　朱涛　张定国

摘要：为解决某船用柴油机机油中含碳量过高导致的早期老化现象，模拟实际作业工况对该柴油机进行仿真分析及台架试验，确定造成机油早期老化的主要原因为柴油机长期低速高负荷运行，导致缸内燃烧不良，柴油的不完全燃烧产物污染机油；其次，柴油机热负荷过高、机油温度过高，加剧机油老化。通过减小喷油器喷孔直径和增加喷油器噴孔数量，以改善缸内燃烧；通过提高齿轮箱速比，提高柴油机转速，以降低热负荷。改进后进行仿真分析及台架试验验证，结果表明：喷油器改进后，排气烟度及燃油消耗率均下降，柴油机低速燃烧性能改善；齿轮箱速比改进后，缸内燃气热力学温度及燃气传递给活塞顶面的热量均明显下降，柴油机热负荷明显降低。优化后的柴油机进行台架耐久试验及性能试验，结果表明：机油中碳的质量分数及机油黏度升高速率减小，燃油消耗率降低，排放烟度降低，活塞漏气量减少，机油温度降低，优化措施有效解决柴油机机油早期老化问题。

关键词：机油；早期老化；燃烧不良；喷油器；船用

中图分类号：TK423文献标志码：A文章编号：1673-6397（2023）05-0093-06

引用格式：张皓钰，邓刚，朱涛，等.某船用柴油机机油含碳量过高分析及优化［J］.内燃机与动力装置，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

柴油机机油填充在活塞环与气缸壁之间，能减少活塞做功时的漏气量，中和柴油燃烧后形成的酸性物质，防止柴油机内部发生腐蚀，有润滑、冷却、密封、清洁的作用[1-2]。若机油早期老化，会减弱中和酸性物质和清洁的能力，增大机油黏度，降低机油流动性、散热性、密封性，导致各摩擦副间不能形成良好的油膜，加速摩擦副间的磨损，严重时造成柴油机化瓦、拉缸等故障[3-4]。机油温度过高，机油中掺杂柴油、水分、金属磨屑、缸内燃烧产物等均会造成机油变质。

本文中针对某船用柴油机出现的机油早期老化问题，通过台架试验及一维热力学仿真确定故障原因，并从改进柴油机低速燃烧和加强活塞冷却2方面提出优化措施，优化后进行耐久试验和台架性能试验验证，解决该柴油机早期机油老化问题。

1 故障分析

1.1 故障描述

用于拖网渔船和蟹笼船的某柴油机，更换新机油不到1 000 h出现机油压力报警信号，检查发现，机油黏度升高，呈糊状堵塞机油滤清器，机油早期老化，造成机油压力降低，引起机油压力报警，导致频繁清洗机油滤清器，缩短换油周期，严重影响渔船作业。

检测早期老化的机油油样，碳的质量分数为18.31%，远大于该牌号机油中碳的质量分数应小于等于1.50%的限值要求。经以上分析，机油中碳的质量分数过高是造成机油黏度升高、引起机油早期老化的直接原因[5-6]。

1.2 原因分析

1.2.1 作业工况

装配该柴油机的拖网渔船和蟹笼船均有长时间低速、高负荷运行的特点。以某拖网渔船为例，主机常用转速为400～450 r/min，该转速时间占比高达66%以上。采集该渔船常规运行约800 h的主机增压压力如图1所示。

由图1可知：主机转速主要集中在400～450 r/min；主机增压压力基本在推进特性增压压力以上，且接近外特性增压压力，整体负荷偏高。

1.2.2 缸内燃烧

柴油机若长时间低速运转，会降低喷油速率，减小进气涡流强度，导致燃油无法形成良好的雾状，难以与空气迅速混合形成均匀的可燃混合气，缸内燃烧较差，产生大量碳烟；柴油机负荷越高，喷油量越多，缸内产生的碳烟越多[7-8]。

碳烟主要包括不完全燃烧的活性积聚物及含硫、氮、氧等化合物的积聚物。碳烟通过活塞、活塞环和气缸壁间隙进入曲轴箱的过程中，发生化学变化，生成固体漆膜和油泥，成为机油的直接污染物。漆膜降低活塞的热传导性，使活塞温度升高，发动机有效功减少；坚硬的漆膜增加气缸壁磨损，磨掉的漆膜屑进入曲轴箱产生污染，加速机油早期老化和变质。柴油机燃烧产物及曲轴箱内机油自发的化学反应生成物经过各种氧化反应与生成物缩聚反应后生成油泥，加快机油早期老化速率。此外，缸内高温混合燃气和废气导致曲轴箱压力升高，机油从气缸套到油底壳的回流速度变缓，导致缸内机油的润滑性降低[9-10]。

模拟发动机作业工况进行台架试验，按照该柴油机推进特性试验标准，燃油消耗率应小于等于230 g/（kW·h），FSN烟度应小于等于3.0，曲轴箱漏气体积流量应小于等于112.5 L/min。检测该柴油机燃油消耗率为235.5 g/（kW·h），FSN烟度为3.3，曲轴箱漏气体积流量为120 L/min，该柴油机燃烧不充分、燃油消耗率高、烟度大、漏气量大。

1.2.3 热负荷仿真计算

建立柴油机一维热力学计算模型，分别分析该主机外特性转速为450 r/min、额定转速为1 000 r/min时，不同曲轴转角对应的缸内燃气热力学温度和燃气传递给活塞顶面的热量（简称活塞顶面换热量）如图2所示。由图2可知：外特性工况（450 r/min）的缸内燃气热力学温度和活塞顶面换热量明显高于额定工况（1 000 r/min）；低速外特性工况下，柴油机热负荷偏高。

1.2.4 活塞测温试验

在活塞顶部不同位置（喉口、燃烧室底面、内冷油腔表面、外冷油腔表面）安装温度传感器，分别测量发动机外特性转速为450 r/min、额定转速为1 000 r/min时，活塞不同位置的最高瞬时摄氏温度，测量结果如表1所示。

由表1可知：外特性工况活塞顶部各位置最高温度和活塞头部的机油最高温度均高于额定工况。本文中从柴油机低速燃烧和活塞冷却2个方面进行改进，解决该类渔船主机机油早期老化故障。

2 改进措施

2.1 优化低速缸内燃烧

在不影响柴油机动力性的前提下，减小喷油器喷孔直径，增加喷孔数量，保持喷孔总面积不变，液滴直径减小，雾化更好，油雾与空气混合更充分，转速较低时燃烧更充分，但影响高转速时的燃油消耗率和烟度[11-13]。

将原柴油机8个喷孔直径为0.310 mm的喷油器更换为10个喷孔直径为0.265 mm的喷油器，进行喷油器喷孔单一变量的台架试验。喷油器改进前、后，柴油机的燃油消耗率和排气烟度如图3所示。

由图3可知：更换喷油器后，低负荷比时，柴油机的燃油消耗率和排气烟度均有明显下降；最大燃油消耗率由263.3 g/（kW·h）减小为255.5 g/（kW·h），下降了约3.0%；最大FSN烟度由3.3减小为0.9，下降了约73%。

2.2 提高主机作业转速

提高柴油机转速可提高供油速率，改善燃油雾化质量，缸内混合气燃烧充分，减少燃烧产物对机油的污染，降低柴油机热负荷及活塞冷却油腔的机油温度，增大机油压力和体积流量，提高活塞头部冷却效果，降低机油温度[14-16]。

在不影响船舶正常工作航速的前提下，保持柴油机输出功率为237 kW，将柴油机齿轮箱速比从8.55提高到10.26，使柴油机转速从450 r/min升高至540 r/min，采用一维热力学仿真计算改变齿轮箱速比前、后的缸内燃气热力学温度和活塞顶面换热量，结果如图4所示。

由图4可知：齿轮箱速比增大，柴油机转速提高后，缸内最高燃气热力学温度降低约224.0 K，活塞顶面换热量最大相对降低35.5%，该柴油机机油压力随转速的变化如图5所示。

由图5可知：柴油机转速由450 r/min升高为540 r/min，机油压力由0.321 MPa升高为0.339 MPa，提高了5.6%。

随着转速的变化，测量机油体积流量从24.30 m3/h增大为29.16 m3/h，提高了20%。

提高齿轮箱速比，可降低柴油机热负荷，从而降低机油温度。

2.3 优化验证

将原柴油机8个喷孔直径为0.310 mm的喷油器更换为10個喷孔直径为0.265 mm的喷油器，齿轮箱速比由8.55提高到10.26，忽略仪器测量精度的影响，对改进后的柴油机进行50 h台架耐久试验，机油中碳的质量分数和机油黏度如表2所示。

由表2可知：改进后的柴油机进行50 h台架耐久试验后，机油中碳的质量分数和机油黏度上升趋势均减缓。

对改进前、后的柴油机进行台架性能试验，结果如表3所示。

由表3可知：相比改进前，改进后的柴油机燃油消耗率降低，排放烟度降低，活塞漏气量减少，活塞内、外冷油腔表面温度降低，机油中碳的质量分数及机油黏度相对变化明显降低。

将改进后的柴油机安装到故障渔船上，正常运行1 500 h以上，机油中碳的质量分数未明显上升，机油黏度未过快增加，机油未出现早期老化现象，换油周期及压力均在正常范围内，有效解决了渔船长期低速作业导致的机油早期老化故障。

3 结论

1）某船用柴油机长期低速高负荷作业，造成缸内燃烧不良，未完全燃烧产物污染机油，使机油中碳的质量分数及机油黏度升高过快，造成机油早期老化。

2）低速高负荷工况会增加缸内热负荷，使活塞的机油温度过高，加剧机油早期老化。

3）减小喷油器喷孔直径，增大喷油器数量，可使柴油机低负荷时的燃油消耗率和排气烟度降低。

4）提高齿轮箱速比，可增大柴油机工作转速，改善柴油机低速燃烧性能，降低柴油机热负荷，降低机油温度。

5）改进喷油器结构及提高齿轮箱速比相结合，可减缓机油中碳的质量分数上升速率，增大机油流量，保证柴油机用于该类拖网渔船和蟹笼船主机时正常运行。

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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

（責任编辑：胡晓燕）

收稿日期：2022-10-28

第一作者简介：张皓钰（1984—），男，甘肃庆阳人，工程师，主要研究方向为发动机可靠性，E-mail：zhanghaoy@weichai.com。