烷基水楊酸鹽體系船用中速機油在四沖程發(fā)動機中的應(yīng)用

馮濤，馬浩騰，趙偉成，姜斯崎，王海峰，袁學(xué)軍

(中國石油上海潤滑油銷售分公司，上海 200122)

0 引言

隨著近來環(huán)保法規(guī)日益嚴(yán)格，對船舶發(fā)動機的排放要求也越加嚴(yán)格，由此所導(dǎo)致的發(fā)動機技術(shù)更新也越加明顯。而發(fā)動機技術(shù)的更新，則同時對其潤滑系統(tǒng)提出了全新的要求。曼恩公司的32/44CR型機型，便是具有代表性的低燃料油耗，高單缸功率的典型機型。通過應(yīng)用共軌技術(shù)，成功通過美國環(huán)保局(EPA)Tier Ⅱ第三類發(fā)動機排放要求。

而我國近年來對海洋排放的要求也日益嚴(yán)格，按排放物的分類，國內(nèi)環(huán)保部門分別對船舶燃料中硫含量及排放物中的NOx及HC含量做了不同的要求。交通運輸部提出了指導(dǎo)性意見，而江蘇省海局則于2015年提出了國內(nèi)的排放法規(guī)要求，對船舶燃料的硫含量提出了三個不同階段，使我國長三角區(qū)域、環(huán)渤海區(qū)域及珠三角區(qū)域內(nèi)的船舶排放達(dá)到合理范圍，具體要求見表1。

表1 長三角船舶燃料硫含量階段控制

而對NOx及HC排放的控制，則多依賴于發(fā)動機制造商在發(fā)動機技術(shù)上進(jìn)行更新，主要體現(xiàn)在使用機內(nèi)凈化技術(shù)及機外處理技術(shù)[1]，而不論哪種技術(shù)，均會對潤滑油的功能提出新的要求。通過重新設(shè)計的發(fā)動機，在單缸功率、燃油噴射及燃燒方式上，均會與傳統(tǒng)無排放要求的發(fā)動機有著明顯的差異。而新式發(fā)動機由于單缸功率加大，將會帶來更高的燃燒室溫度與壓力，而高壓共軌燃油的噴射，會導(dǎo)致更高的燃燒溫度與爆發(fā)壓力。這就對潤滑油的抗氧化性能及抗磨損性能提出了新的要求。

為滿足這一新式要求，中國石油潤滑油公司針對性的對船用油配方進(jìn)行了調(diào)整，引入了具有更好清凈分散性能的烷基水楊酸鹽清凈劑，并對抗氧劑及分散劑進(jìn)行調(diào)整，研制出了新一代船用中速機油，用于MAN B&W四沖程發(fā)動機上進(jìn)行潤滑使用，發(fā)動機工況20%～100%，燃料硫含量3.5%，經(jīng)過近6500 h使用，拆機檢測結(jié)果表明，潤滑油清凈分散性良好，抗磨性能優(yōu)異，可滿足發(fā)動機的潤滑使用。

1 實驗部分

1.1 配方方案

船用油配方多使用清凈劑、分散劑、抗氧劑、破乳劑、抗泡劑等核心添加劑，復(fù)配基礎(chǔ)油調(diào)制而成[2-3]。本方案中，選擇烷基水楊酸鹽進(jìn)行配方調(diào)制，其中烷基水楊酸鹽的技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 烷基水楊酸技術(shù)指標(biāo)

自表2中可以看出，該烷基水楊酸鹽堿值為280 mgKOH/g，為中高堿值，添加劑水分及機械雜質(zhì)控制較好。經(jīng)過與其他添加劑進(jìn)行復(fù)配后，調(diào)制成TBN40的船用中速機油DCB4040H，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 DCB4040H技術(shù)參數(shù)

從表3中可以看出，研制產(chǎn)品DCB4040H相關(guān)指標(biāo)滿足Q/SY RH2014中對TBN40產(chǎn)品要求，烷基水楊酸鹽清凈劑可應(yīng)用于TBN40的船用中速機油指標(biāo)要求。

1.2 實驗發(fā)動機參數(shù)

本次實驗，選取丹麥航運公司Scandlines所經(jīng)營的Puttgarden - Rodby客運航線上的一條客滾船Prinsesse Benedikte上進(jìn)行，實驗機型為MAN B&W公司所生產(chǎn)的6L32/44CR機型。該機型技術(shù)先進(jìn)，能夠?qū)崿F(xiàn)低燃油消耗時輸出較高功率，并同時保持較低的NOx排放，正是由于其出色的NOx排放控制，其已取得了美國環(huán)境保護(hù)局的Tier2三類發(fā)動機的排放認(rèn)證[1]。該發(fā)動機運行參數(shù)見表4。

表4 MAN 6L32/44CR發(fā)動機運行參數(shù)

1.3 實驗及檢測方案

由于所選擇的船舶是客滾船，每日僅在白天航行，單日航行時間約12 h，為保證實驗結(jié)果具有參考性，約定總測試時間6500 h，并在不同時間段內(nèi)進(jìn)行采樣分析。且主要的檢測項目為100 ℃黏度、水分、不溶物、堿值。同時進(jìn)行光譜分析，測定常規(guī)磨損元素Fe、Cu、Cr、Pb、Sn等。

在實驗初期，選擇特定缸，對發(fā)動機進(jìn)行拆機檢測，并記錄活塞環(huán)、缸套等關(guān)鍵部位數(shù)據(jù)；待實驗結(jié)束后，對同樣部位進(jìn)行檢測，并記錄相關(guān)部位磨損數(shù)據(jù)，進(jìn)行對比分析。

由于此類船用四沖程發(fā)動機通常不明確潤滑油換油期，僅對發(fā)動機內(nèi)的潤滑油進(jìn)行定期分析檢測，指標(biāo)不合適時進(jìn)行油品更換。但按照以往經(jīng)驗，配備油底殼的濕式發(fā)動機，其潤滑油的換油時間約3000～4000 h。

本次實驗機型為干式，外置潤滑油循環(huán)柜，柜體4 m3，每日運行有消耗后補加至正常機油位，實驗過程無換油。試驗過程中取樣總量16 L(單次取樣2瓶，每瓶500 mL，共取樣16次)，并對取出來的樣品進(jìn)行分析檢測。

2 結(jié)果討論

2.1 發(fā)動機拆機檢測

實驗中選擇了第4缸和第5缸進(jìn)行對比檢測，分別于實驗前后進(jìn)行測量，同時對運動部位進(jìn)行了測試分析。其中缸套檢測結(jié)果見表5，缸套表面見圖1。

表5 缸套磨損結(jié)果

5#缸缸套

圖1 5#缸缸套表面情況

從表5可以看出，4#及5#缸平均磨損值均遠(yuǎn)低于極限值，且磨損率也均小于極限磨損率，證明油品抗磨效果良好。而對5#缸的表面檢測表明，表面未見擦傷及異常磨損，缸套網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)依然存在。

同時對活塞環(huán)進(jìn)行了磨損檢測，結(jié)果見表6及圖2。

表6 活塞環(huán)磨損情況

4#缸活塞環(huán)

圖2 4#缸活塞環(huán)情況

從表6可以看出，4#及5#缸活塞環(huán)第1道環(huán)磨損率為0.006 mm/1000 h和0.007 mm/1000 h，均低于限定的0.024 mm/1000 h。第2道及第3道環(huán)幾乎未見磨損。而從圖2中4#缸活塞環(huán)實際情況來看，各環(huán)均為活動環(huán)，活塞環(huán)表面有輕微積炭。

曲軸箱及凸輪軸箱的潔凈程度見圖3。從圖中可以看出，箱體表面并無任何沉積物，箱體異常潔凈，證明油品清凈分散性能良好。

圖3 曲軸箱及凸輪軸箱

2.2 潤滑油的檢測

經(jīng)過長達(dá)6500 h的運行，對潤滑油油樣進(jìn)行了采集，并對潤滑油常規(guī)項目進(jìn)行了檢測，檢測結(jié)果包括黏度、水分、不溶物、堿值，相關(guān)結(jié)果見圖4～圖7。

圖4 100℃黏度

圖5 水分檢測結(jié)果

圖6 堿值測定結(jié)果

圖7 不溶物測定結(jié)果

從圖4中黏度測定結(jié)果可以看出，經(jīng)過長時間運轉(zhuǎn)，油品黏度基本保持不變，并未出現(xiàn)較大波動。從圖5中水分測定結(jié)果可以看出，油品具有較好的分水效果，水分一直維持在較低水平。不溶物測定也可以看出，長時間運轉(zhuǎn)不溶物含量未出現(xiàn)較大變化。

堿值測定結(jié)果可以表明，在使用周期內(nèi)，油品持續(xù)補加，堿值一直維持在大于30 mgKOH/g以上，油品堿值保持性較好。同時對油品的磨損元素進(jìn)行了檢測，相關(guān)結(jié)果見圖8～圖9。

圖8 Fe元素分析

圖9 其他磨損元素分析

從圖8鐵元素磨損來看，油品運行周期內(nèi)磨損控制較為合理，未出現(xiàn)異常磨損，而對其他元素Cr、Cu、Pb、Sn的檢測結(jié)果表明，磨損量均低于10 mg/kg，磨損控制較好。

3 結(jié)論

烷其水楊酸鹽清凈劑應(yīng)用于船用中速機油，用于MAN B&W新式四沖程發(fā)動機6L32/44CR的潤滑，具備較為優(yōu)異的清凈分散性及抗磨損性能。通過近6500 h的實機測試，對潤滑油的采樣檢測結(jié)果表明其黏度控制較好，水分及不溶物控制良好，堿值保持性較強。同時對發(fā)動機的拆解分析表明，該潤滑油具備較優(yōu)異的清凈分散性能及抗磨損性能。