某柴油機機油過早老化問題分析及改進

許曉穎，劉近報，周峰，于佳，田紅霞，李志杰

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

為保證柴油機各摩擦副之間正常運行，需在摩擦副表面供給一定壓力的潤滑油，對摩擦副進行冷卻與潤滑，形成潤滑油膜，減小摩擦阻力及磨損，保證發動機正常運行，延長發動機使用壽命。

機油與高溫的金屬摩擦副零件及空氣接觸，機油溫度升高，容易氧化變質[1-2]。由活塞環縫隙竄入曲軸箱內的高溫燃燒廢氣及各種金屬磨屑、沉積物等造成機油嚴重污染[3-4]。此外，冬季從低溫起動到發動機高溫、高負荷運轉，機油溫度波動可達100 ℃以上[5-7]，工作溫度變化范圍過大，也會加速機油老化。

某柴油機在全速、全負荷耐久試驗中出現機油老化快的現象，主要表現為機油運動黏度快速增加，碳含量短時間內超出正常范圍。本文中通過對影響機油老化的因素進行排查，確定機油老化快的原因并制定改進措施。

1 柴油機問題描述

某發電用水冷、4沖程、增壓中冷，大功率直噴柴油機，機油更換周期為500 h，柴油機主要技術參數如表1所示。

表1 柴油機主要技術參數

柴油機在測試臺架上進行全速、全負荷耐久試驗，運行至61 h時，檢測柴油機機油運動黏度為43.2 mm2/s，超過了文獻[8]中黏度為12.5～16.3 mm2/s的要求；機油中直徑大于5 μm的顆粒數量(以下簡稱大顆粒值)為142.1，超出一般機油中大顆粒值不超過100的規定。柴油機運行至96 h時，柴油機機油運動黏度升高至151.2 mm2/s，機油中大顆粒值為265，遠超限值。

將機油由CD-4 15W-40更換為CF-4 15W-40繼續進行耐久試驗，柴油機運行至198 h時機油中大顆粒值再次超標，拆檢搖臂罩發現機油變黑且搖臂上有較多油泥，此時機油運動黏度為158.73 mm2/s，碳煙質量分數為4.95%，超出一般機油中碳煙質量分數不高于2.5%的規定。試驗過程中檢查柴油機運行狀態，各種運轉數據均顯示正常。試驗過程中監測機油中大顆粒物值為287，超出限值，初步判斷機油過早老化是由機油含碳量增加造成的。

2 問題分析

在耐久試驗過程中，機油使用時間不足100 h就出現老化現象。除了正常老化外，原因可能還包括：機油牌號不對、部分區域機油溫度過高、燃燒室生成物[9]等。為了驗證主要原因，進行排除試驗。

2.1 更換機油牌號

選擇CD、CF、CI 3種牌號的機油進行耐久試驗，標號中的第2個字母表示機油等級，排列字母越往后油品質量等級越高。3種牌號機油運動黏度隨運行時間變化曲線如圖1所示。

圖1 3種牌號機油運動黏度隨運行時間變化曲線

由圖1可知：3種牌號的機油運動黏度隨運行時間變化差別較大；CD、CF級機油運動黏度升高速率很快，尤其是CD機油，在運行時間為40 h時，黏度已經達到26.4 mm2/s，超出限值；CI機油運動黏度變化不大；CF級機油運動黏度變化居于CD和CI之間。機油級別越高，對發動機的潤滑和清潔效果越好，顆粒物的容納能力越強。

2.2 不同區域機油溫度

柴油機機油在高溫、高壓下工作時，抗氧化穩定性變差，熱分解、氧化和聚合的過程加劇[10-12]。柴油機運行時，測試不同區域機油溫度：出水溫度為95 ℃左右時，主油道最高機油溫度為105 ℃，油底殼機油溫度為113 ℃，滿足使用要求；增壓器回油溫度為120 ℃，達到溫度上限。

2.3 燃燒室生成物

發動機燃料在燃燒過程中產生各種氧化物、烴類、煙灰等物質，隨著活塞環竄氣進入曲軸箱發生化學變化產生固體漆膜及煙泥，污染機油造成機油老化及零部件磨損[13-14]。分析柴油機運行數據，煙度為0.29～0.85 FSN，最低燃油消耗率為195 g/(kW·h)，最高排氣溫度為536 ℃，標定工況過量空氣系數為1.61，空燃比為23.04，均在正常范圍內，進行拆機檢查及燃燒分析計算排查故障原因。

2.3.1 拆機檢查

對柴油機進行拆檢，發現各缸活塞頂部均有不同程度的碳煙，且第3、5、6缸活塞頂部及氣缸套壁面碳煙明顯。

清理活塞頂部后觀察油束落點及活塞環岸變色情況，發現油束落點痕跡明顯，靠近活塞外圓且存在變色不均勻現象；活塞火力岸與油束落點對應處有變色現象，說明數量較多的柴油噴射到活塞頂面，在頂面燃燒，造成局部高溫。

2.3.2 燃燒分析計算

燃燒系統確定的前提下，噴油油束在活塞頂的落點與噴油正時有密切關系，若噴油正時提前，油束距離活塞頂面稍遠，滯燃期較長，著火前形成更多的可燃混合氣，燃燒充分。若噴油正時滯后，活塞上行，油束距離活塞頂面較近，容易造成燃燒不充分。性能開發時確定柴油機噴油提前角對應的曲軸轉角為14°，而實際噴油提前角對應的曲軸轉角約為5°，不考慮避閥坑的深度，進行燃燒過程仿真分析，如圖2所示。

圖2 噴油提前角曲軸轉角5°時燃燒過程仿真分析

由圖2可知，由于噴油正時滯后，燃油剛好噴在活塞頂部，部分燃油反彈濺射在氣缸壁上，造成缸套壁面附近形成當量比為1左右的混合氣體。由于缸套壁面溫度低，混合氣體遇冷冷凝，形成液態燃油附著于壁面，低溫的缸套壁面不利于燃油的蒸發霧化，導致柴油機運行過程中缸套壁面一直存在未霧化的液態燃油，這些燃油吸附混合氣中的碳煙，在活塞環刮油過程中進入曲軸箱內，導致機油中的含碳量超標，黏度變大，摩擦副潤滑不良，磨損加劇，機油中大顆粒值增加并超出限值。

3 解決措施及驗證

柴油機機油內大顆粒物值過高的主要原因是油束落點異常導致燃燒過程中產生顆粒物，對柴油機燃燒進行優化：1)燃燒室容積增加7.6%，壓縮比由16提高到17， 縮短噴油持續期；2)活塞喉口直徑增加12.3 mm；3)減小噴油器油束夾角，避免油束噴射到活塞頂面上。

使用優化后的柴油機，采用孔數均為8、噴嘴結構相同、體積流量不同、噴油器油束夾角不同的4種噴油器，具體參數如表2所示，進行標定轉速下負荷特性試驗，記為方案1～4。對比不同轉矩下的燃油消耗率、煙度，試驗結果如圖3所示。

表2 噴油器參數

a)燃油消耗率 b)煙度

由圖3a)可知：4種方案的燃油消耗率隨轉矩的變化趨勢基本一致，轉矩在800 N·m以下時，燃油消耗率差別不大，但轉矩在800 N·m以上時差別較大；方案1油耗最高，方案2次之，方案3、4的油耗較低。由此可見：油束夾角對油耗的影響較大，夾角較小時，大部分柴油噴在燃燒室凹坑內，有利于降低油耗。由圖3b)可知：方案4的煙度排放最高，方案3的最低。方案4的體積流量大于方案3，大流量造成局部缺氧，油量增加，煙度排放高。經以上分析，應減小噴油器油束夾角，同時控制噴油體積流量。

選擇方案3對應的噴油器，油束夾角為144°，體積流量為2600 mL/min，柴油機優化后進行300 h耐久試驗，機油運動黏度隨運行時間變化曲線如圖4所示。

圖4 耐久試驗機油運動黏度隨時間變化曲線

由圖4可知：300 h耐久后試驗機油運動黏度為16.21 mm2/s，試驗測得碳煙的質量分數為0.78%，機油運動黏度與碳煙質量分數均在規定范圍內。機油含碳量未出現異常，機油老化問題得到解決。

4 結論

1)機油級別越高，高溫狀態下發動機潤滑能力越強。

2)控制噴油體積流量，可有效控制煙度排放。

3)對于本機型發動機，減小噴油器油束夾角，可改變油束落點，減少碳煙生成。

4)柴油機性能開發過程中，應于產品開發前增加燃燒分析計算環節，有利于縮短產品開發周期，保證產品可靠性。