大型低速二沖程船舶柴油機氣缸油臺架試驗評定

魏海軍, 魏立隊, 李品友, 楊智遠, 李精明, 孫秀成

(上海海事大學 商船學院， 上海 201306)

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大型低速二沖程船舶柴油機氣缸油臺架試驗評定

魏海軍, 魏立隊, 李品友, 楊智遠, 李精明, 孫秀成

(上海海事大學 商船學院， 上海 201306)

摘要：為降低大型船用低速二沖程柴油機氣缸油實船試驗的風險，基于6S35ME-9型船用柴油機試驗臺架，把氣缸油系統分為三組:1#與2#氣缸使用試驗油A、3#與4#氣缸使用參比油、5#與6#氣缸使用試驗油B，在標定工況下運行，通過試驗過程評價、氣缸油清凈分散性評價、氣缸套與活塞環組件磨損量和油品光譜檢測為指標的抗磨性評價、柴油機關鍵參數評價、與參比油對比等綜合評定，確定試驗油的優劣。結果表明：對于三種油品，氣缸套、活塞環和活塞環槽的磨損量與通過氣缸油殘油檢測的金屬元素含量判斷的磨損狀況相比二者具有一致性，結合氣缸油的清凈分散性評定結果，可有效判斷油品是否可以進行實船試驗。同時，在試驗過程中油品中Fe、Cr元素含量60 h后趨于平衡，因此設定臺架試驗時間為100 h。經以上方法評定的氣缸油，經實船試驗符合要求。因此，基于該臺架試驗對氣缸油的評定方法是可行的、經濟的。

關鍵詞：大型低速柴油機;二沖程柴油機;船舶柴油機；氣缸油；臺架試驗；試驗評定

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160127.1137.020.html

占商船主推進動力裝置主導地位的大型低速十字頭式二沖程柴油機正向大缸徑、長沖程、高功率、高爆壓、低能耗、低排放、變工況等方向發展，這些均將對氣缸油提出新的更高要求，需要能夠適應各種工況的氣缸油[1-3]。不同于車用潤滑油有通用的規格或試驗便捷[4-6]，盡管船用潤滑油可以采用文獻[7-9]中試驗平臺進行試驗，但與實際運行工況差異較大，因此必須通過OEM(主要為MAN B&W、WARTSILA和三菱重工)認可的不少于4 000 h的實船實驗，實船實驗的成敗無疑將給潤滑油制造商帶來系統性的經濟風險和時間成本， 為此實機臺架試驗變得非常必要。過去多采用Bolnes 3DNL 170/600HF型三缸發動機進行臺架試驗[10]，但因其缸徑偏小(170 mm)，與實際船用柴油機工況差異較大，且試驗時間往往達600 h以上，因關聯度偏小和試驗經濟性較差而受到限制。相反，以實船使用的柴油機進行臺架試驗，其關聯度較高，但臺架試驗時間長短和關鍵指標的確定是關鍵。本文即是基于實船大規模使用的MAN 6S35 ME-9型柴油機進行臺架試驗，對氣缸油評定技術研究。

1氣缸油臺架試驗方法

MAN 6S35ME-9型為大型低速直噴式、二沖程、6缸、直流掃氣十字頭式、直接換向、電控燃油噴射式船用柴油機(見圖1)，額定轉速為142 r/min，額定功率3 570 kW，缸徑350 mm，行程1 550 mm，最大爆發壓力18.0 MPa。在試驗臺架上，輸出端與NCK2000型水力測功器相連。

柴油機氣缸油系統分為三組：1#和2#氣缸使用試驗油A、3#和4#氣缸使用參比油、5#和6#使用試驗油B(如圖2所示)。

圖1　試驗柴油機Fig.1　Experimental diesel engine

圖2　氣缸油試驗連接圖Fig.2　Connection diagram on the cylinder oil test

柴油機運行使用燃油為船用重油，氣缸油注油率約為0.8 g/(kW·h)。每10 h取氣缸壁滴落的氣缸油殘油作為試樣進行油品分析，每25 h停機檢查燃燒室內部和活塞環情況，確定運轉是否正常。在全負荷工況下運行，直至氣缸油殘油各項指標趨于穩定。試驗過程中，柴油機工況及參數必須控制在表1所定范圍內。表2為試驗氣缸油和參比氣缸油的常規理化指標。

表1　柴油機運行工況參數

表2　實測試驗氣缸油及參比油理化指標

2試驗結果分析及評定

2.1試驗過程評價

試驗過程中，分別在第25、50、75、100 h對各缸燃燒室進行了檢查，發現氣缸套、活塞環、活塞、活塞環槽等無異常磨損。同時，在運轉過程中，各主要參數也無突兀變化，表明按照表1參數控制柴油機的運行，其能夠在標定狀況下運行，試驗過程正常。

2.2氣缸油的清凈分散性評分結果

試驗前對各缸套和活塞組件進行了清潔，如圖3(a)所示，圖3(b)～(d)為試驗后活塞積碳情況。顯然，活塞表面積碳主要集中在活塞頭和活塞裙兩部分，活塞環槽部位積碳很少，試驗后各缸活塞環槽部位的滑油殘留物可輕易擦掉，且同樣未見缸套、活塞、活塞環表面有意外劃傷、拉缸等現象，由此進一步表明各缸內部燃燒、潤滑、密封正常，表明整個過程試驗工況良好。根據國際權威的美國CRC(Coordinating Research Council)活塞評分法，25分為輕度積碳，50分為中度積碳，100分為重度積碳。試驗中將活塞劃分為活塞頭、活塞裙、活塞環槽、活塞平臺等5部位，故滿分為500分。圖4為試驗后活塞表面的CRC積碳評分，6個活塞表面積碳均較少，相對于3#、4#參比活塞，1#、2#活塞清凈性稍好，5#、6#則略差。

圖3　試驗前后活塞積碳Fig.3　Carbon deposition of the piston before and after the test

2.3氣缸油的抗磨性試驗結果

2.3.1氣缸套、活塞環磨損結果

圖5為試驗后氣缸套在前后(圖(a))和左右(圖(b))兩個方向、軸向11個測點位置的磨損量(其中1#測點靠近缸套頂端，11#測點則靠近缸套低端)，磨損量最大值均發生在缸套上部區域，中下部磨損較小，符合一般規律。折合成1000 h標準磨損量，1#和2#氣缸套的最大磨損量均為0.050 mm/kh，3#和4#分別為0.050 mm/kh、0.070 mm/kh，5#和6#分別為0.080 mm/kh、0.160 mm/kh?？梢?，1#～4#缸正常，而5#～6#缸則超出了MAN公司約0.050 mm/kh的推薦值和0.100 mm/kh的極限值。在圖6(a)中，1#～4#缸活塞環徑向磨損較小，而活塞環5#、6#偏大，各缸活塞環磨損變化趨勢與圖5中缸套磨損一致；活塞環高度和活塞環槽磨損(圖6(b))則相差較小，且與MAN公司推薦值接近[11]。由此表明：潤滑油是導致各缸磨損差異較大的主因。由此判斷，相較于參比油，試驗油A的抗磨性較好，而試驗油B較差。

圖4　活塞積碳CRC評分Fig.4　CRC scores of Carbon deposition of the piston

(a)前后方向　　　　(b)左右方向圖5　氣缸套磨損Fig.5　Wear of the cylinder liners

(a)活塞環磨損　　　　　　　(b)環槽磨損圖6　活塞環和環槽磨損Fig.6　Wear of the piston rings and the top gap between rings and grooves

2.3.2油品檢測結果

檢測油品為氣缸油沿氣缸壁滴落在掃氣箱內的殘油。圖7為等離子發射光譜ICP對油品中重要元素的測量結果。含量變化可分為兩個階段：快速上升階段和穩定階段。試驗油品A和參比油，均在大約55 h后由上升階段進入穩定階段，且兩種油中Fe、Cr兩種元素含量均較為接近。而試驗油品B在65 h后才緩慢進入穩定階段，且兩種元素含量較參比油高，表明潤滑性能稍差，這與缸套、活塞環的磨損測量結論一致。

圖8為油品堿值變化情況。3種油品的堿值在試驗階段內差異較小，油品剩余總堿值TBN在20～30mgKOH/g間，表明3種油品均有足夠的堿性儲備，能夠滿足目前船舶常用燃油的要求。Fe、Cr兩個指標在55～65 h均進入穩定階段，TBN變化也比較平緩，表明在該試驗臺架上，100 h以內便可反映出油品的潤滑性能。據此，在108 h停止了試驗。相較于Bolnes 3DNL 170/600HF型柴油機臺架試驗，時間大大縮短，且可以同時試驗兩種油品，試驗成本降低明顯。

(a)Fe(b)Cr圖7　油品中Fe、Cr元素含量Fig.7　Fe and Cr component in the tested cylinder oil

圖8　氣缸油殘油中總堿值TBN含量Fig.8　TBN in the residual cylinder oil

2.4柴油機運行典型參數分析

柴油機其他參數在控制范圍內變化時，缸套冷卻水出口溫度和排煙溫度的過高或過低，都表明氣缸油未在標定工況工作，一方面可能因潤滑或密封不良影響到柴油機氣缸內的正常燃燒、排放，另一方面也可能因柴油機缸內燃燒排放異常，影響到氣缸油的正常潤滑。因此，這兩項指標必須關注。圖9表明，缸套冷卻水出口溫度和排煙平均溫度在試驗前后變化均較小，試驗過程中各缸兩個指標間的差異也較小，由此表明，兩種試驗油品對柴油機的運行影響與參比油相當。同時結合缸套、活塞組件表面的積碳和摩擦磨損情況，均表明試驗過程可靠，試驗方法可行。

(a)缸套冷卻水出口溫度　　　　　　　　(b)各缸排煙溫度圖9　試驗前后缸套冷卻水和排煙平均溫度變化Fig.9　The temperature changes of the cylinder cooling water and the exhaust gas before and after the test

2.5實船試驗驗證

此后，按照MAN B&W公司的規范，選擇一艘48 000 t的散貨船，主柴油機型號為6S50MC-C，進行了4 217 h的實船試驗，試驗過程中，主要使用含硫量2.5～3.5%的重油，氣缸油的平均注油率為1.16 g/ (kW·h)。整個過程中，1#～4#氣缸使用臺架試驗時的試驗油A，5#和6#氣缸使用參比油。圖10為試驗后測量的每1 000 h缸套和活塞環的平均磨損量。對比發現：使用參比油的5#和6#缸的磨損情況變化很小，而使用試驗油A的1#～4#各缸套和第一道活塞環的磨損量較試驗前使用參比油時的磨損率略有增加，同時較臺架試驗時的磨損量也略有增加，考慮到燃油種類和工況條件的變化和機型的差異，磨損增加屬于正常，清凈分散性也滿足要求，因此通過了MAN B&W公司的認證。隨后，兩條集裝箱船上的實船試驗也達到了MAN B&W公司的要求。由此表明：該試驗臺架的試驗方法是可行、可靠且較為經濟的。

(a)氣缸套磨損率　　(b)第一道活塞環的平均磨損率圖10　實船試驗前后缸套和活塞環的磨損率Fig.10　Wear of the cylinder liners and the piston rings before and after test on ship

3結論

1) 試驗過程中查看燃燒室狀況，試驗后根據缸套和活塞環及環槽的磨損量、氣缸油的清凈分散性評分、試驗氣缸油與參比油殘油中的Fe、Cr元素含量對比和氣缸油對柴油機關鍵參數的影響等多方面綜合判斷，可以確定氣缸油的優劣，決定是否用于實船實驗。

2) 試驗表明：試驗油品A各項性能較好，適宜實船試驗。而試驗油品B的抗磨性、清凈性均稍差，建議暫不進行實船試驗。

3) 氣缸套、活塞環及槽磨損量和氣缸油品中重要元素含量對于結果判斷具有一致性，磨損量測量只能用于結果判斷，而油品監測可以間斷性地判斷氣缸油潤滑下缸套與活塞環等的磨損過程情況。因此，根據試驗過程中Fe、Cr元素含量在60 h后趨于平衡，再計入其他因素影響，確定臺架試驗時間100 h即可，可以節省成本。

4) 另外，柴油機缸套冷卻水出口溫度和排煙溫度也能間接反映缸套與活塞、活塞環等間的密封、潤滑、摩擦磨損情況。因此，在試驗過程中也需要關注。

綜上所述，基于該臺架試驗對氣缸油的評定方法是可行的，可作為以后該類型柴油機氣缸油臺架試驗時的一個重要參考。

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收稿日期：2014-12-24.

基金項目：國家高技術研究發展計劃(2013AA040203).

作者簡介：魏海軍(1971-), 男, 教授,博士生導師； 通信作者：魏立隊, E-mail: weilidui@163.com.

doi:10.11990/jheu.201412062

中圖分類號：TK401

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)04-0503-05

Estimation of cylinder oil on large low-speed two-stroke marine diesel engines

WEI Haijun，WEI Lidui，LI Pinyou，YANG Zhiyuan，LI Jingming，SUN Xiucheng

(Merchant Marine College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Abstract：To reduce the risk of ship sailing tests for the cylinder oil of large low-speed two-stroke marine diesel engines, a test bench equipped with a 6S35ME-9 type marine diesel engine was used, and the cylinder oil system was divided into 3 groups: Cylinders 1 and 2 corresponded to testing oil A, 3 and 4 corresponded to a reference oil, and 5 and 6 corresponded to testing oil B. Under given working conditions, the tested oils were subjected to comprehensive evaluation, including testing process evaluation, clean dispersancy evaluation, and resistance-to-abrasion evaluation according to cylinder and piston ring wear and oil spectrum analysis, assessment of critical diesel engine parameters, and comparison with reference oil. The results show that, for the three types of oil, the measured wear values of cylinder liners, piston rings, and piston grooves are consistent with the amounts of metal found in the residual cylinder oils. By combining the above results with the estimated cylinder oil dispersancy, we can determine whether a cylinder oil can be used in ships. In addition, because the Fe and Cr contents in the residual cylinder oil are balanced after 60 h, 100 h is suitable for bench testing. Cylinder oil assessed by the above method is proved to be satisfactory by actual ship tests. Therefore, the proposed bench testing method for cylinder oil estimation is feasible and economical.

Keywords：large low-speed diesel engine; two-stroke diesel engine; marine diesel engine; cylinder oil; bench test; testing estimation

網絡出版日期：2016-01-27.

魏立隊(1975-), 男, 博士.