船舶柴油机与船舶柴油机润滑油
摘要:概述了按照柴油机转速和活塞平均速度划分的现代船舶柴油机分类。介绍了船用柴油机油的技术规范,包括主要的理化性能和台架试验性能,以及船舶柴油机燃料硫含量与船用柴油机油总碱值的对应关系。通过分析,指出了在船用柴油机油开发和应用时,认识船用柴油机结构、工作方式、转速类型和燃料油的含硫量是重要的;在船用油应用时,认识船用柴油机的结构、转速类型和燃料油的含硫量是必要的。
关键词:船舶;柴油机;柴油机油;性能;选油
中图分类号:TE626.3 文献标识码:A
Marine Diesel Engine and Engine Oil
WANG Ping
(SINOPEC Lubricant Company, Beijing 100085, China)
Abstract:The type of modern marine diesel engine divided in accordance with the diesel engine speed and piston average speed is summarized. The technical specifications of marine diesel engine oil are introduced, including the main physicochemical properties and bench tests properties. The relation between the sulfur content of marine diesel engine fuel and the TBN of marine diesel engine oil is also presented. By analysis, it is pointed out that it is important to know the structure, working mode and speed type of marine diesel engine as well as the sulfur content of marine diesel engine fuel when developing and applying the marine diesel engine oil.
Key words:marine; diesel engine; diesel engine oil; property; oil selection
0 前言
自1405年7月11日明成祖下令郑和七下西洋以来,人类开启了海洋交通往来的历史。世界经济的一体化和一系列双边或多边贸易协定的签订,更是给世界范围内海洋船舶运输的高速发展提供了广阔的市场空间。人类也从最初的使用以风能为动力的风帆木船发展到如今航行于世界各大洋的大型、超大型船舶,从一般的杂货轮、散货轮到集装箱轮、油轮等,无不体现出人类思想智慧结晶的科技成果——船舶内燃式柴油机的强大作用。那么,船用柴油机具有哪些基本特点,而与之相匹配的船用内燃机油又应具备哪些性能呢?本文将就船用内燃机的基本类型特点,以及船用内燃机油的技术规范及如何合理使用进行论述。
1 船舶柴油发动机分类
经过几十年来,尤其是近十年的发展,现代船用柴油机已经发展到一个较高的技术水平。以节能为中心,并充分兼顾到排放与可靠性的要求不但是现代柴油机的发展方向,而且已经成为现代船用柴油机的显著特征。
通常船舶柴油发动机的分类有三种方式。一是按柴油机工作循环特点分类;二是按柴油机进气方式分类;三是按柴油机转速和活塞平均速度分类。
按照柴油机转速和活塞平均速度分类方式,柴油机的速度是以曲轴转速或活塞平均速度来表示。可以分为:低速机、中速机和高速机三种。
1.1 船舶低速柴油机
船舶低速柴油发动机是船舶的主机,主要为船舶提供动力。按照工作循环特点的不同,低速机可分成二冲程低速机和四冲程低速机。
(1)二冲程低速柴油机
二冲程低速柴油机是船舶低速柴油机的主导产品,作为大型船舶的主机,二冲程低速机主要技术特点如表1所示。
由表1可以看出,二冲程低速机从普通机型向现代机型的进步,主要体现在功率的提高和单位耗油量的降低,同时满足了国际海洋环保的要求。功率的大幅度提高,极大地满足了建造大型和巨型船舶的需要;单位耗油量的降低,满足了当今人类对环保的追求和愿望,达到环保型发动机的要求。
(2)四冲程低速柴油机
四冲程低速柴油机是船舶低速柴油机的一种,目前世界上见到的不多。其结构与二冲程低速机相同,分气缸和曲轴箱上下两部分。曲轴箱的工作方式与四冲程机相同,气缸的工作方式则与二冲程机相同。根据机型的大小,缸数一般在4~8之间,冲程、单位耗油量与同等气缸数的二冲程低速机接近,也能满足国际海洋环保的要求。但转速较之高些,一般最高设计转速可以达到390 r/min。
日本的船用柴油机设计制造商通常拥有四冲程低速柴油机的技术专利,并常用于日本制造的各类船舶中,如各种运输船、工程船和海洋渔船等作为主机。表2分别列出采用日本新泻铁工制造所技术制造的现代四冲程低速柴油机和AKASAKA四冲程低速柴油机的主要技术参数。
1.2 船舶中速柴油机
船舶中速机一般作为船舶的副机,与船舶发电机相连,用于驱动发电机发电,保障船舶在航行期间的电力供应。但有时也可作为船舶的主机使用。
船舶中速机为四冲程柴油发动机。其主要技术特点如表3所示。
由表3可以看出,四冲程中速机从普通型向现代机型的进步,主要体现在功率提高、活塞平均速度加快和单位耗油量的降低,同时满足了国际海洋环保的要求。
1.3 船舶高速柴油机
大型船舶高速柴油机是船用柴油机的一种。现代大型船舶高速柴油机都使用了直喷和涡轮增压设计。作为船舶动力和发电使用,具有节能、大功率、气缸数量多、转速一般在1200 r/min以上等特点,能使船舶获得更高的航行速度。国际发动机制造商一般都具有制造船舶高速机的能力,如著名的发动机制造商德国MTU发动机制造公司在船舶高速机制造上一直在国际上享有盛名。德国MTU公司制造的“V”型20缸高速机排气量达到了8000 L,最大持续功率已经达到8200 kW,满足了21世纪船舶发展趋势的要求。表4列出了MTU公司船舶高速柴油机个别型号的主要技术参数。
在船舶高速机中,还有专门用于如渔船、捕捞船、散货轮以及拖轮、挖泥船、工程船等小型高速船舶的小型船用高速柴油机,可用作主机和副机。表5列出了两种类型的小型船用高速柴油机的主要性能参数。
2 船用柴油机油技术性能要求
虽然国际上船用柴油机油每年的总消费量多达近300万t,但没有统一的规格标准。各船用油生产厂商一般是针对各种类型船舶柴油机的工作特点,结合所拥有的船用油添加剂技术,进行船用油产品开发的。虽然没有统一遵循的产品标准,但总的来看描述产品的基本性能趋于一致,使得产品的规格牌号及其命名规则基本相同。这为船用油产品和技术在世界范围的交流提供了便利。
2.1 二冲程低速机船用油基本性能要求
如前所述,由于船舶二冲程低速柴油机的结构和工作特点,使得柴油机的气缸和曲轴箱对润滑油有着不同的性能要求。表6、表7分别列出了船用气缸油和船用系统油(曲轴箱润滑油)的基本理化性能要求。
2.2 四冲程中速机船用油基本性能要求
如前所述,由于船舶四冲程中速机在结构和工作特点上与车用柴油机相似,润滑曲轴箱、缸壁、钢套和大小头等润滑油部位共用一个润滑系统和一种润滑油,即船用中速机油。表8列出船用中速机油的基本理化性能要求。
2.3 船用油台架性能
由于国际上在船用油上没有统一的产品规格标准,因此也就没有统一的评定船用油台架性能的标准台架。从船用油作为一种独立的润滑油品开始,船用油配方研究者为了使研究的船用油品能够尽快获得商业应用,通常是根据船舶柴油机类型进行油品配方开发的,对于大型船舶柴油机,一般是购买国际上有代表性的船舶柴油机改装成试验台架,设定一定的试验参数用于模拟评价所开发船用油品的柴油机使用性能。但为了方便评价船用油的台架性能,通常采用CD级柴油机油台架评定方法来模拟评价船用油的台架性能。对于小型船舶高速柴油机台架性能则按CD级柴油机油台架评定方法进行评价。这些CD级柴油机油台架主要是评价船用油的高温氧化和清净性能,如表9所示。
2.4 实船试验
实船试验是最终考核所开发船用油能否满足船舶在航行过程中实际使用的需要,并最终取得油品在船舶航行安全应用方面的通行证。实船试验需要按船舶柴油机制造商规定的航行时间进行,通常规定实际行船试验时间应不少于4000 h,重在考察油品性能变化规律、船舶柴油机磨损状况、摩擦面状况与各部件的参数变化情况等,从而对油品做出是否满足船舶柴油机使用要求的结论。
3 船用油应用
船用油的应用通常除依据船舶柴油机的类型及其技术参数外,从合理润滑的角度出发重点还有根据船舶柴油机在检验期内所使用燃料油的性质。前者主要决定船用油的粘度等级,一般情况下粘度等级由船舶柴油机设计商在船舶柴油机设计定型时已经设定好;而后者主要确定船用油的碱值等级。王红梅等人对不同硫含量与使用性能的影响进行了系统的研究,采用同一质量等级相同碱值的柴油机油和不同硫含量燃料进行相同程序的台架试验,表明尽管采用高硫燃料的清净性评分不一定比低硫燃料的差,但严重者已经产生活塞环卡死的现象。因此在船用油粘度等级确定以后,主要是碱值等级的确定,这给船舶润滑管理者和船用油制造商留下了一定的选择空间。
(1)船用气缸油碱值等级选择
在船用二冲程低速机燃烧室内,气缸油是和燃料一起燃烧,并在润滑缸壁和活塞面的同时,对因燃烧产生的酸性物质SOX起快速中和作用。因此气缸油碱值等级的选择与所用燃料硫含量有对应关系,如表10所示。
(2)船用系统油碱值等级选择
船用系统油是用于船舶二冲程低速机曲轴箱的润滑油,以外部循环方式对曲轴箱各摩擦副进行润滑。由于二冲程低速机的曲轴箱和气缸之间有隔板分开,气缸中燃烧产物和未燃烧物不会流进曲轴箱中,因此系统油的碱值等级一般很少,碱值也不会太高,主要是能够保证提供足够的润滑性、清净性和分散性,同时能够保证安全可靠的分水性能。
(3)船用中速机油的选择
船用中速机油在润滑船舶四冲程中速机各摩擦副时,与系统油润滑船舶二冲程低速机曲轴箱各摩擦副的方式相同,也是以外部循环方式进行。并通过缸壁上的注油孔对缸壁和活塞面进行润滑。因此中速机油与燃料及燃烧产生的酸性物质SOX在气缸内有接触,为保证中速机油安全、可靠的润滑,燃料的硫含量对中速机油的碱值也有要求。表11列出中速机油碱值中心值选择与燃料含硫量的对应关系。
(4)船舶高速机和四冲程低速机用油选择
对于大型船舶高速机而言,一般参照中速机选用中速机油作为润滑介质。对于小型船舶高速机而言,则直接采用CD级柴油机油作为润滑介质。
对于船舶四冲程低速机用油的选择,一般是参照四冲程中速机用油进行选择。同时,根据四冲程低速机结构和工作特点,气缸和曲轴箱采用不同粘度等级的中速机油润滑。通常是紧邻的两个粘度等级的油品,且曲轴箱采用粘度牌号较小的一种。由于船舶四冲程低速机气缸与曲轴箱之间没有隔板分开,那些未与燃料一起燃烧的润滑气缸的较高粘度的中速机油会沿着缸套壁流进曲轴箱,因此随着运转时间的增加,循环润滑曲轴箱的较低粘度的油品会因较高粘度油品的不断“流入”,粘度会逐渐增大。
4 结论
(1)现代大型船舶柴油机单位燃油消耗已经从传统型船舶柴油机的大约220 g/kW•h,下降到约200 g/kW•h,极大地满足了现代海洋环保的要求。
(2)现代船舶柴油柴油机按转速区分,二冲程柴油机只有低速机,其最大转速在220 r/min;四冲程柴油机分为四冲程低速机、四冲程中速机和四冲程高速机;四冲程低速机的最大转速一般在350~390 r/min,四冲程中速机的最大转速在1000~1200 r/min,四冲程高速机最小转速一般不低于1200 r/min。
(3)船舶二冲程低速机润滑油有两种类型,气缸采用船用气缸油润滑,曲轴箱采用船用系统油润滑。
(4)船舶四冲程中速机和船舶中大型四冲程高速机采用船用中速机油润滑。船舶四冲程小型高速机采用CD级柴油机油润滑。
(5)船舶四冲程低速机虽然也是采用中速机油润滑,但用作润滑气缸的油品粘度高于用于润滑曲轴箱油品的粘度,一般是高一个粘度牌号。
(6)船用气缸油、系统油和中速机油除了理化性能需满足基本技术要求外,还必须取得4000 h的实际行船试验验证,才能得到实际应用。
(7)在应用船用油时,除需要根据船舶柴油机设计制造厂商推荐的粘度等级外,还需要根据实际采用的燃料硫含量来选取合适的碱值牌号。
参考文献:
[1] 谢世平.现代航空发动机技术与发展[M].北京:人民交通出版社,2004.
[2] 王红梅,陈国需,胡泽祥,等. 高硫含量对柴油使用性能的影响[J].润滑与密封,2008,33(1):117-121.
收稿日期:2009-03-23。
作者简介:王平(1961-),男,硕士,高级工程师,2000年毕业于华东理工大学化学工程专业,现从事科技研究与管理,曾获全国青年科技标兵,完成国家科技开发项目2项,完成省部级科技开发课题5项,国家发明3项,部级科技进步三等奖2项,已公开发表论文30余篇。