中速柴油机的润滑 – 上

在前文【中速柴油机滑油的沥青质测试】和【中速柴油机滑油的轻柴油稀释】中我们介绍了中速机的燃油污染问题，燃油污染对柴油机和滑油的影响，燃油污染的测试方法以及如何在船处理。今天我们简单介绍一下中速柴油机关键部位的润滑特点，为后续介绍中速柴油机的滑油应用做些铺垫。

关键词： 油泥、磨损、氧化、卡滞

1. 中速柴油机润滑的特点

下图1简化的部件图表明了中速柴油机与低速十字头柴油机之间的主要区别，低速柴油机具有单独的气缸油和系统油润滑系统，而中速柴油机只有一种滑油润滑整个引擎。任何燃烧产物以及任何燃油系统的泄漏都将通过活塞环和缸套间的间隙进入曲轴箱和滑油。如果不能由润滑循环系统中的清洁装置（如分油机和滤器）清除，这些污染物将在整个柴油机中循环，并且滑油在使用中由于添加剂的消耗、油品的氧化变质以及被污染会导致滑油失效，最终可能导致柴油机磨损以及部件过早失效。

图1：中速柴油机的主要部件

中速柴油机会出现的潜在问题如图2所示，这些状况可能会导致柴油机寿命缩短、无计划停机、昂贵的维修费用、运行维护开支增加、安全可靠性受到很大的挑战，并且有可能造成船舶运营率降低的后果。

图2：中速柴油机润滑的潜在问题

下面我们分析一下中速柴油机主要部位的润滑特点。

2. 活塞与活塞环的润滑

如下图3所示，发动机运行时最热的部位就是在活塞与活塞环部位。

图3：中速柴油机操作时各个部位的温度

高温使润滑油及燃油裂解或聚合产生沉积物，环槽内的沉积物会导致活塞环卡死，严重可导致拉缸。燃油与润滑油可在缸壁及活塞裙产生漆膜，令冷却效果下降及缸套难以保持油膜（有关漆膜可以参考【船用低速柴油机的“漆膜”现象与危害】一文中相关介绍）。可导致活塞窜漏气、功率下降，如下图4所示。

图4：活塞与活塞环可能遇到的问题

活塞环槽内如果存在太多沉积物，则会导致缸壁上的油膜厚度受到影响，如下图5所示，严重时会导致活塞环卡死，最终可触发拉缸的发生。活塞侧隙的减少和新环的设计导致滑油承受了更大的氧化和热负荷。

图5：活塞环槽沉积物影响油膜的机理

活塞头和活塞环的设计改变，当活塞环工作温度能够保持在最低水平时，它的效率最好，更高的燃烧温度和压力导致活塞环必须往下迁移，这就是现在的高顶活塞头的设计。而这个改变增加了顶环以上活塞头和气缸套接触的空间，这个部位容易形成积碳，积炭会剥落成为磨粒引致活塞环、环槽以及缸套的磨损，严重可导致缸套表面抛光，导致润滑不良和气缸窜漏气。所以现在中速柴油机一般会安装Anti-Polishing Ring（防磨环或称为清洁环）来减轻这一现象, 原理和低速柴油机类似，如下图6所示。

图6：高顶活塞头和防磨环的设计

所以我们需要一种具有良好的热稳定性能以及清洁分散性能优良的滑油来缓解这些问题。关于滑油的性能介绍和选择会在后续文章中进行详细介绍和讲解。

3. 缸套的润滑

缸套表面需要有绗磨纹来存储滑油以保持油膜的连续性以及有效厚度。当然也需要滑油有足够的高温粘度、高温挥发控制能力、抗磨保护能力以及一定的酸碱中和能力以确保缸套的良好润滑。

4. 轴承的润滑

轴承的润滑挑战期是在启动那一刻，此时由边界润滑转为全流通动力润滑（如下图7所示），必须在启动前供油以避免磨损。滑油中的杂质，如水、磨损金属、灰尘、烟炱、油泥以及燃油等）会引发轴承的磨损。而这些杂质也会引发滑油的变质，导致滑油粘度异常、氧化度升高、添加剂流失等，最终导致滑油性能失效。

 图7：启动时润滑类型的改变

曲轴箱以及轴承区油泥的形成是因活塞窜漏气而进入曲轴箱的杂质的相互反应，如下图8所示。油泥使滑油粘度增加、堵塞油路以及部件缺油。

 图8：油泥的形成

对滑油的要求就是有良好的清洁分散能力，减少油泥的聚集；具备一定的酸碱中和能力；并有良好的抗磨性能。另外滑油由于烟炱、油泥等的污染，并且油分子在高温氧化下成为更大的分子，令得滑油粘度增加，粘度增加导致泵送困难、启动困难、以及部件缺油。所以滑油的抗高温氧化能力也非常重要。

5. 摇臂和气阀的润滑

因通气失效在摇臂区的燃油、水、滑油乳化后形成油泥，如下图9所示。油泥开始较软，在长期高温下变硬变脆。油泥堵塞油路，引致磨损、阀门咬死。需要滑油有良好的分散清洁能力，以减少油泥的形成。

 图9：摇臂区油泥的形成

如下图10所示，气阀凸轮和挺杆在启动时需要供油润滑，需要滑油有良好的低温泵送能力和流动性以及抗磨能力。接触压力高令部件易受磨损，滑油和燃油在高温下产生沉积物，气阀粘结及开关失效以致功率下降。多个气阀各有不同负荷及操作条件，增加润滑复杂性。停机时产生冷凝水及酸令部件易受磨损引致气阀粘结，需要滑油有良好的抗锈蚀和酸腐蚀能力。

 图10：气阀的润滑示意

6. 涡轮增压机的润滑

高排气温度令轴承过热，滑油裂解形成沉积物，沉积物令轴承磨损，严重会发生轴承咬死，如下图11所示，最终可导致增压器效率下降甚至失效。这时就需要滑油有非常好的抗高温氧化以及抗热裂解能力。

图11：增压器高温积碳 

7. 结束语

上面简单分析了中速柴油机的各部位润滑特点以及挑战，后续会介绍中速柴油机滑油的具体性能要求以及如何选择合格的润滑油产品来满足中速柴油机的操作和运行。