【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 了柴油機(jī)性能的發(fā)揮。 對(duì)筒狀活塞柴油機(jī)來講，它氣缸下端和曲軸相連，活塞和缸壁靠曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)飛濺潤(rùn)滑，同時(shí)起到冷卻、密封的作用。對(duì)大型筒狀活塞柴油機(jī)也同時(shí)可在缸壁上設(shè)置注 油孔進(jìn)行潤(rùn)滑。 圖 21 船用十字頭發(fā)動(dòng)機(jī)典型的潤(rùn)滑系統(tǒng) 與筒狀活塞柴油機(jī)不同，船用二沖程十字頭柴油機(jī)設(shè)置了橫隔板，將氣缸部分與曲軸箱分開潤(rùn)滑，氣缸部分的潤(rùn)滑油稱為船用氣缸油，它由缸壁上的注油孔，如 MAN 公司的低速十字頭發(fā)動(dòng)機(jī)，每缸至少八個(gè)注油孔，由注油孔注油至環(huán)帶區(qū)，在十字頭柴油機(jī)中氣缸潤(rùn)滑油是不循環(huán)使用的，屬一次性消耗，一般不注入曲軸箱。而其曲軸箱潤(rùn)滑油是獨(dú)立的循環(huán)油系統(tǒng)，亦稱系統(tǒng)油，其主要在油泵的壓力下流向各潤(rùn)滑面同時(shí)冷卻活塞。 潤(rùn)滑系統(tǒng) 作為船舶動(dòng)力裝置，船舶柴油機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)，通常由曲軸箱強(qiáng)制潤(rùn)滑，廢氣渦輪增壓器潤(rùn)滑和氣缸油注油潤(rùn)滑等。在某些機(jī)型中，曲軸箱強(qiáng)制潤(rùn)滑還為活塞提供冷卻用潤(rùn)滑油。 曲軸箱強(qiáng)制潤(rùn)滑 該系統(tǒng)一般有兩種形式：濕式曲軸箱潤(rùn)滑和干式曲軸箱潤(rùn)滑。 ◆ 濕式曲軸箱潤(rùn)滑 全部潤(rùn)滑油貯存在油低殼中，油低殼起著循環(huán)油箱作用，這種潤(rùn)滑系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，但由于潤(rùn)滑油易漏到曲軸箱中的燃?xì)饨佑|機(jī)會(huì)較多，所以油質(zhì)變化嚴(yán)重。 ◆ 干式曲軸箱潤(rùn)滑 為保證柴油機(jī)可靠地潤(rùn)滑和延長(zhǎng)潤(rùn)滑油的使用壽命，目前大多數(shù)船用主機(jī)和輔機(jī)都采用干式曲軸箱潤(rùn)滑。 渦輪增壓器潤(rùn)滑系統(tǒng) 渦輪增壓器是高轉(zhuǎn)速的機(jī)械，選用柴油機(jī)曲軸箱油亦可滿足其軸承的潤(rùn)滑要求，那樣可簡(jiǎn)化或和主機(jī)同一個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)，否則需要專用的透平油，則需有另一專門的潤(rùn)滑系統(tǒng)。 氣缸注油潤(rùn)滑 大型低速十字頭柴油機(jī)的底部有橫隔板將氣缸空間與曲軸箱空間分開，缸套的潤(rùn)滑采用注油方式潤(rùn)滑，也就是專設(shè)的氣缸注油器將潤(rùn)滑油 經(jīng)注油接頭達(dá)到氣缸周壁的各注油孔，是獨(dú)立的潤(rùn)滑系統(tǒng)。 圖 22 氣缸注油潤(rùn)滑系統(tǒng)示意圖 1氣缸油儲(chǔ)存柜； 2氣缸油濾器； 3氣缸油輸送泵； 4手動(dòng)泵； 5氣缸油日用油柜； 6氣缸注油器； 7注油接頭； 8氣缸套； 船用柴油機(jī)油分類 根據(jù)船舶動(dòng)力裝置中所涉及船舶上的機(jī)械繁多，而且都有潤(rùn)滑和使用潤(rùn)滑油脂的地方，品種也雜，但歸納起來，大致可分為 四大類： 氣缸油 用于潤(rùn)滑大型低速十字頭二沖程柴油機(jī)油活塞和氣缸套間的潤(rùn)滑，由于二沖程十字頭發(fā)動(dòng)機(jī)的沖程比較長(zhǎng)，所以氣缸和曲軸箱是分開潤(rùn)滑的，這從圖 22 中可看出。 系統(tǒng)油又稱曲軸箱油 主要作用是潤(rùn)滑、冷卻、防腐等，用于大型低速十字頭式發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱潤(rùn)滑，有時(shí)亦可用于增壓器輪機(jī)等的潤(rùn)滑。 中速筒狀活塞柴油機(jī)油 主要用于主機(jī)為筒狀活塞的中速柴油機(jī)的潤(rùn)滑 , 亦可用于高速的輔機(jī)，其特征是燃用劣質(zhì)渣油燃料，因此它的燃燒產(chǎn)物也很易進(jìn)入曲軸箱中，所以亦應(yīng)具有氣缸油中和酸性產(chǎn)物 的作用。 高速柴油機(jī)油 主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)為高速柴油機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑，其發(fā)動(dòng)機(jī)特點(diǎn)和使用的燃料基本與陸用柴油機(jī)類似，因此相應(yīng)質(zhì)量級(jí)別的柴油機(jī)油可以滿足船用高速柴油機(jī)的潤(rùn)滑，但要注意使用場(chǎng)合，并考慮油品的防銹和與水分離性的作用。 其他油品 舷外機(jī)油、以及用于不同的機(jī)械油品，如透平油、液壓油、冷凍機(jī)油、齒輪油、壓縮機(jī)油，尾軸油等。 船用柴油機(jī)油的發(fā)展 與普通柴油機(jī)油和汽油機(jī)油相比，船用柴油機(jī)油的發(fā)展速度較慢，也沒有明顯的質(zhì)量等級(jí)的更替。但是為了滿足船舶用戶的使用要求和新的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械潤(rùn)滑的要求，船用油的質(zhì)量水平也在不斷地提高。堿值的提高只是其更新的一個(gè)方面，它反映了船舶用戶所用燃油的變化情況，應(yīng)該說，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的革新對(duì)于船用油的發(fā)展則更具有具體的技術(shù)意義，而正在不斷推出的船舶排放法規(guī)將對(duì)船用油的發(fā)展產(chǎn)生更為積極和深刻的影響。 海洋環(huán)保法規(guī)的要求 據(jù)統(tǒng)計(jì)，在航運(yùn)發(fā)達(dá)的國(guó)家（如挪威）， 40%~50%的氮氧化物 NOx 排放來自船舶。在港口和航線密集的海區(qū)，如英吉利海峽，船舶排放的廢氣是該地區(qū)的主要污染源。加之船舶越來越多地使用劣質(zhì)燃料，硫化物 SOx 的排放量也隨之增加。船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的排放也成為影響全球 空氣質(zhì)量和環(huán)境的重要因素之一。為此，國(guó)際海事組織 IMO（ International Maritime Organization）提出了讓海洋更清潔的口號(hào)，于 1990 年 9 月在“防止船舶空氣污染及燃油品質(zhì)”中提出了船舶排放控制標(biāo)準(zhǔn)， 1997年 9 月制定了《 73/78 國(guó)際防止船舶造成污染公約》（又稱 MARPOL73/78 公約）的新增附錄 VI—— 《防止船舶污染大氣規(guī)則》，規(guī)定了船用柴油機(jī)的排放控制標(biāo)準(zhǔn)，要求 2020年 1月 1 日以后建造或重大改裝柴油機(jī)都要執(zhí)行合約的規(guī)定。該附錄于 2020 年 5 月被 15 個(gè)簽約國(guó)批準(zhǔn)，要求 2020年 5月 19日起強(qiáng)制執(zhí)行。 MARPOL73/78 公約中對(duì)船舶柴油機(jī)的有害排放主要控制以下 2 點(diǎn)： ① 關(guān)于 NOx 排放的限制 低速機(jī)（轉(zhuǎn)速 130r/min） 為 17g/kW h 中速機(jī)（ 130r/min轉(zhuǎn)速 2020r/min）為 17~ h 高速機(jī)（轉(zhuǎn)速 2020r/min）為 h ② 關(guān)于 SOx 排放的限制 禁止使用硫含量大于 %的燃料，并設(shè)置了 SOx 排放控制區(qū)，在這些區(qū)域中燃油硫含量不得高于 %。 MARPOL73/78 公約對(duì)航運(yùn)業(yè)的主要影響：一是含硫低質(zhì)燃料的使用受到了 限制，而使用含硫低質(zhì)燃料是降低運(yùn)輸成本的一項(xiàng)最有效的成果，目前，燃料油的平均硫含量是 %。二是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的影響，經(jīng)過多年的改進(jìn)，目前絕大部分的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)能夠滿足對(duì) NOx的控制。但是在控制區(qū)還是會(huì)受到較大影響，特別是歐洲議會(huì)提出的實(shí)施計(jì)劃，將會(huì)對(duì)在歐盟碼頭停靠的船只、在歐盟領(lǐng)海水域的船只使用燃油硫含量加以限制。 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展 船用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)思想是在滿足環(huán)保法規(guī)的前提下，追求更大的功率，和最低的使用費(fèi)用。目前，在低速十字頭發(fā)動(dòng)機(jī)方面，最強(qiáng)勁的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率已經(jīng)超過 65000kW，而每 千瓦小時(shí)的燃油用量已經(jīng)從先前的 200210 克降至 165170 克乃至更低。圍繞這兩個(gè)目的進(jìn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)是： ① 為了更高的工作效率，不斷提高沖程 /缸徑比例，目前這個(gè)數(shù)值已經(jīng)接近 4/1，稱為超長(zhǎng)，緊湊型柴油機(jī)。與之相應(yīng)的是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不斷降低，已從 70 年代的 120170rpm 降至目前的 58100rpm。國(guó)內(nèi)滬東造船廠從丹麥引進(jìn)的 5S50MC－ C 型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)即屬于這種新型發(fā)動(dòng)機(jī)，其沖程增加了 ％，而缸徑減少了 ％，主機(jī)功率增加了 10％。 ② 為了提高燃油經(jīng)濟(jì)性，延長(zhǎng)了燃油燃燒時(shí)間，并且 降低了螺旋推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)速度，從而獲得更高的推進(jìn)效率。 ③ 提高平均有效壓力，從而大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率。平均有效壓力已從 70 年代的 912bar 提高到目前的 。 ④ 燃燒室溫度比以往有所提高，但發(fā)動(dòng)機(jī)部件的熱載荷并不因此而提高。 ⑤ 為了滿足 MARPOL73/78 公約， NOx 的降低是以犧牲部分燃油經(jīng)濟(jì)性和熱效率為代價(jià)的，第一環(huán)區(qū)的溫度還將有所降低，采用直噴式燃燒室、可變噴油定時(shí)、廢氣再循環(huán)、缸內(nèi)噴水等措施。而 SOx 降低的最有效措施是降低燃料油的硫含量 ,雖然使用含硫低質(zhì)燃料是降低運(yùn)輸 成本的一項(xiàng)最有效的效果。因此發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)需要在環(huán)保法規(guī)和燃油經(jīng)濟(jì)性之間得到平衡 ⑥ 其他方面的改進(jìn)，包括針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)部件承載更有效的渦輪增壓系統(tǒng)；改進(jìn)燃油注射器，從而使得劣質(zhì)燃料能夠有效地燃燒；改進(jìn)氣缸油供應(yīng)裝置以便于潤(rùn)滑控制；降低潤(rùn)滑油的消耗量；延長(zhǎng)大修期間隔等等。 氣缸油的發(fā)展 最先研制出的氣缸油是乳化型氣缸油，是將水溶性高堿性化合物如醋酸鈣，用一種乳化劑摻混到合適的基礎(chǔ)油里，水占乳化液重量的 21%，這種氣缸油由于穩(wěn)定性差已經(jīng)完全被淘汰。 后來研制出一種不溶于水的堿性物質(zhì)，它在油里保持極細(xì)的 顆粒懸浮狀態(tài)，這種氣缸油有良好的中和酸和承載能力，但長(zhǎng)期儲(chǔ)存時(shí)，一部分極細(xì)顆粒的堿性物質(zhì)會(huì)脫離懸浮狀態(tài)，形成泥渣和沉淀物，這種氣缸油也基本被淘汰。 自 50 年代開始研制一種油溶性氣缸油，它是在油中加入油溶性的堿性添加劑而成的。這類氣缸油除具有良好的中和能力、承載能力、降低磨損外，還有長(zhǎng)期儲(chǔ)存時(shí)添加劑不會(huì)沉淀下來，使用時(shí)能保持氣缸內(nèi)部清潔等特性。現(xiàn)在大型低速十字頭發(fā)動(dòng)機(jī)都是使用這種油，一般均選用 SAE50 粘度等級(jí)。 50 年代開始發(fā)展的油品堿值只有 10~40mgKOH/g，以后隨著船用燃料向重油劣質(zhì)、高含硫量發(fā)展， 逐漸出現(xiàn)堿值 70、 100 mgKOH/g 的氣缸油。但用得最多的還是 70mgKOH/g 的氣缸油，它可適用于燃用硫含量 ~%的船用燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑。 系統(tǒng)油的發(fā)展 最先使用的是精制較好的純礦物油，不加添加劑，而是通過油中本身的天然抗氧組分，來保持油品穩(wěn)定，它允許水洗分油以除去酸性物和其他污染物。 然后使用的是含有抗氧劑和防銹劑的系統(tǒng)油，這種油改進(jìn)了純礦物油的抗氧和防銹性能，但它堿性太低，目前很少使用。 自 50 年代起開始發(fā)展清凈 分散劑油，這種油除了加入抗氧、防銹劑外，還加入清凈劑。具有抗 氧、防腐以及防高溫沉積物性能，這種油一般不能水洗分油，但不可避免地要被水污染。所以，這種系統(tǒng)油還具有抗水性和破乳性。 中速機(jī)油的發(fā)展 第一代中速機(jī)油中，沒有或較少加入金屬清凈劑；第二代中速機(jī)油中，只加入金屬清凈劑和少量抗氧劑；第三代中速機(jī)油中，不但加入金屬清凈劑而且加入無灰分散劑和抗氧劑?，F(xiàn)在使用的是第三代中速機(jī)油，它具有良好的抗氧、防腐、抗水性能，以及堿性保持性和控制活塞沉積物性能。 由于中速機(jī)油燃料也向重質(zhì)、劣質(zhì)燃料發(fā)展，大功率的船舶使用的燃料硫含量也在逐步提高，已經(jīng)達(dá)到 %以上，所以中 速機(jī)油的堿值也跟氣缸油一樣不斷提高，現(xiàn)在已經(jīng)有 40 mgKOH/g 的中速機(jī)油，但用得最多的還是 25~30 mgKOH/g 的中速機(jī)油。 船用柴油機(jī)油的未來發(fā)展 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的改進(jìn)無疑使得船用油的使用工況更加苛刻，而其中對(duì)潤(rùn)滑油性能要求有較大影響的參數(shù)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒性能、渦輪增壓和平均有效壓力、單位氣缸體積的燃油消耗以及發(fā)動(dòng)機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率等等。針對(duì)于以上發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的變化，船用潤(rùn)滑油的發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下幾點(diǎn)： ① 新的設(shè)計(jì)導(dǎo)致了更高的燃燒溫度以及更高的系統(tǒng)壓力，相應(yīng)地提高了潤(rùn)滑油膜的熱負(fù)荷和承載負(fù)荷。 這就要求潤(rùn)滑油在高溫下依然能夠保持足夠的粘度，能夠形成足夠強(qiáng)度的油膜。提高粘度等級(jí)或者選用更高粘度指數(shù)的基礎(chǔ)油是船用油的發(fā)展趨勢(shì)之一。 ② 在某些新型的發(fā)動(dòng)機(jī)中考慮到了發(fā)動(dòng)機(jī)部件的冷卻問題，較低的溫度對(duì)于潤(rùn)滑油的高溫性能的要求降低了。但是冷卻之后的溫度卻逐漸接近硫酸的露點(diǎn)，從而加劇了設(shè)備的腐蝕。而且隨著氣缸壓力的增加，硫酸的露點(diǎn)也相應(yīng)增高，從而對(duì)船用油的堿值及其保持性提出了更高的要求。 ③ 燃燒時(shí)間的延長(zhǎng)使得潤(rùn)滑油膜更長(zhǎng)時(shí)間地處于高溫下，這就要求氣缸油具有更好的高溫安定性、低揮發(fā)性、良好的擴(kuò)散性、粘附性能。 ④ 新的發(fā) 動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)增加了系統(tǒng)壓力，粘著磨損成為主要關(guān)注點(diǎn)，因此要求潤(rùn)滑油有更好的抗磨性能，同時(shí)也應(yīng)具備更好的堿保持性能，及時(shí)中和酸性生成物。 ⑤ 為降低排放，要求潤(rùn)滑油低灰份、低磷、低金屬含量，同時(shí)還要考慮到新型船機(jī)的尾氣后處理系統(tǒng)對(duì)潤(rùn)滑油組成的限制。 ⑥ 船舶的應(yīng)用范圍在不斷擴(kuò)大，小至小型快艇，大至萬噸級(jí)的輪船，都有快速發(fā)展，因此船用柴油機(jī)油的品種也在不斷延伸，高速柴油機(jī)油的品種隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展也在不斷升級(jí)。 船用柴油機(jī)油性能要求 氣缸油的性能要求 在大型十字頭式柴油機(jī)中，氣缸潤(rùn)滑是一個(gè)獨(dú)立的潤(rùn)滑系統(tǒng)，在當(dāng)代船用柴油機(jī)的高強(qiáng)化，燃油劣質(zhì)化的發(fā)展中對(duì)氣缸潤(rùn)滑提出更為苛刻的要求，氣缸油的質(zhì)量直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)功率的發(fā)揮和使用壽命，同時(shí)關(guān)系到整機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，維修周期的長(zhǎng)短和航行的安全。為此，船用氣缸油應(yīng)起到以下的作用： ① 減少摩擦損失，防止活塞和缸套的過渡磨損 ② 帶走熱量和燃燒產(chǎn)物 ③ 幫助密封燃燒室空間 ④ 在金屬表面形成油膜，避免燃?xì)夂徒饘俦砻娼佑|而引起腐蝕 ⑤ 降低噪音 根據(jù)氣缸油所的工作特點(diǎn)，以及需要的作用，優(yōu)質(zhì)的氣 缸油應(yīng)有以下的性能： ① 潤(rùn)滑性 潤(rùn)滑的基本性能，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來講必須保證發(fā)動(dòng)機(jī)在工作狀況下，各摩擦副間有足夠的油膜，從而減少金屬磨損，而作為船用大型十字頭發(fā)動(dòng)機(jī)，由于活塞缸徑大，盡管缸壁上有多個(gè)注油孔，假如沒有良好的擴(kuò)散性，也保證不了有良好的潤(rùn)滑，同時(shí)亦要保證在較高溫度下，既保證氣缸油一定的粘度，又要使其迅速均勻的覆蓋在有關(guān)摩擦副面。 ② 酸中和性 船舶發(fā)動(dòng)機(jī)為了降低成本，一般使用劣質(zhì)燃料，燃料中硫含量起碼在 %以上，甚至有燃用硫含量在 5%的。因此氣缸油除了必須有足夠的總堿值外，還必須有較強(qiáng)的酸中和能力 ，以中和含硫燃料燃燒產(chǎn)生的腐蝕性物質(zhì)，克服由此產(chǎn)生的腐蝕磨損，為了控制此類磨損，氣缸油除了要具有與燃料硫含量相匹配的總堿值和一定的氣缸油注油功率外，還必須使總堿值有效并具有較快的酸中和速度。 ③ 清凈分散性 船用氣缸油的清凈分散性，以活塞、缸套與掃氣口三個(gè)主要部位的沉積物和清潔程度來衡量，但燃燒和燃燒產(chǎn)物對(duì)清凈分散性能起著重要作用，雖然高質(zhì)量的氣缸油配方是經(jīng)過科學(xué)的復(fù)配而成，它具有良好的減少沉積物趨勢(shì)，但不良的燃燒在很大程度上影響了氣缸油清凈分散性的發(fā)揮。