王 平

摘要:概述了按照柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和活塞平均速度劃分的現(xiàn)代船舶柴油機(jī)分類(lèi)。介紹了船用柴油機(jī)油的技術(shù)規(guī)范,包括主要的理化性能和臺(tái)架試驗(yàn)性能,以及船舶柴油機(jī)燃料硫含量與船用柴油機(jī)油總堿值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)分析,指出了在船用柴油機(jī)油開(kāi)發(fā)和應(yīng)用時(shí),認(rèn)識(shí)船用柴油機(jī)結(jié)構(gòu)、工作方式、轉(zhuǎn)速類(lèi)型和燃料油的含硫量是重要的;在船用油應(yīng)用時(shí),認(rèn)識(shí)船用柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速類(lèi)型和燃料油的含硫量是必要的。

關(guān)鍵詞:船舶;柴油機(jī);柴油機(jī)油;性能;選油

中圖分類(lèi)號(hào):TE626.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: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日明成祖下令鄭和七下西洋以來(lái),人類(lèi)開(kāi)啟了海洋交通往來(lái)的歷史。世界經(jīng)濟(jì)的一體化和一系列雙邊或多邊貿(mào)易協(xié)定的簽訂,更是給世界范圍內(nèi)海洋船舶運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展提供了廣闊的市場(chǎng)空間。人類(lèi)也從最初的使用以風(fēng)能為動(dòng)力的風(fēng)帆木船發(fā)展到如今航行于世界各大洋的大型、超大型船舶,從一般的雜貨輪、散貨輪到集裝箱輪、油輪等,無(wú)不體現(xiàn)出人類(lèi)思想智慧結(jié)晶的科技成果——船舶內(nèi)燃式柴油機(jī)的強(qiáng)大作用。那么,船用柴油機(jī)具有哪些基本特點(diǎn),而與之相匹配的船用內(nèi)燃機(jī)油又應(yīng)具備哪些性能呢?本文將就船用內(nèi)燃機(jī)的基本類(lèi)型特點(diǎn),以及船用內(nèi)燃機(jī)油的技術(shù)規(guī)范及如何合理使用進(jìn)行論述。

1 船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)分類(lèi)

經(jīng)過(guò)幾十年來(lái),尤其是近十年的發(fā)展,現(xiàn)代船用柴油機(jī)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)較高的技術(shù)水平。以節(jié)能為中心,并充分兼顧到排放與可靠性的要求不但是現(xiàn)代柴油機(jī)的發(fā)展方向,而且已經(jīng)成為現(xiàn)代船用柴油機(jī)的顯著特征。

通常船舶柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的分類(lèi)有三種方式。一是按柴油機(jī)工作循環(huán)特點(diǎn)分類(lèi);二是按柴油機(jī)進(jìn)氣方式分類(lèi);三是按柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和活塞平均速度分類(lèi)。

按照柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和活塞平均速度分類(lèi)方式,柴油機(jī)的速度是以曲軸轉(zhuǎn)速或活塞平均速度來(lái)表示?？梢苑譃?低速機(jī)、中速機(jī)和高速機(jī)三種。

1.1 船舶低速柴油機(jī)

船舶低速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是船舶的主機(jī),主要為船舶提供動(dòng)力。按照工作循環(huán)特點(diǎn)的不同,低速機(jī)可分成二沖程低速機(jī)和四沖程低速機(jī)。

(1)二沖程低速柴油機(jī)

二沖程低速柴油機(jī)是船舶低速柴油機(jī)的主導(dǎo)產(chǎn)品,作為大型船舶的主機(jī),二沖程低速機(jī)主要技術(shù)特點(diǎn)如表1所示。

由表1可以看出,二沖程低速機(jī)從普通機(jī)型向現(xiàn)代機(jī)型的進(jìn)步,主要體現(xiàn)在功率的提高和單位耗油量的降低,同時(shí)滿足了國(guó)際海洋環(huán)保的要求。功率的大幅度提高,極大地滿足了建造大型和巨型船舶的需要;單位耗油量的降低,滿足了當(dāng)今人類(lèi)對(duì)環(huán)保的追求和愿望,達(dá)到環(huán)保型發(fā)動(dòng)機(jī)的要求。

(2)四沖程低速柴油機(jī)

四沖程低速柴油機(jī)是船舶低速柴油機(jī)的一種,目前世界上見(jiàn)到的不多。其結(jié)構(gòu)與二沖程低速機(jī)相同,分氣缸和曲軸箱上下兩部分。曲軸箱的工作方式與四沖程機(jī)相同,氣缸的工作方式則與二沖程機(jī)相同。根據(jù)機(jī)型的大小,缸數(shù)一般在4~8之間,沖程、單位耗油量與同等氣缸數(shù)的二沖程低速機(jī)接近,也能滿足國(guó)際海洋環(huán)保的要求。但轉(zhuǎn)速較之高些,一般最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速可以達(dá)到390 r/min。

日本的船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)制造商通常擁有四沖程低速柴油機(jī)的技術(shù)專(zhuān)利,并常用于日本制造的各類(lèi)船舶中,如各種運(yùn)輸船、工程船和海洋漁船等作為主機(jī)。表2分別列出采用日本新瀉鐵工制造所技術(shù)制造的現(xiàn)代四沖程低速柴油機(jī)和AKASAKA四沖程低速柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。

1.2 船舶中速柴油機(jī)

船舶中速機(jī)一般作為船舶的副機(jī),與船舶發(fā)電機(jī)相連,用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,保障船舶在航行期間的電力供應(yīng)。但有時(shí)也可作為船舶的主機(jī)使用。

船舶中速機(jī)為四沖程柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。其主要技術(shù)特點(diǎn)如表3所示。

由表3可以看出,四沖程中速機(jī)從普通型向現(xiàn)代機(jī)型的進(jìn)步,主要體現(xiàn)在功率提高、活塞平均速度加快和單位耗油量的降低,同時(shí)滿足了國(guó)際海洋環(huán)保的要求。

1.3 船舶高速柴油機(jī)

大型船舶高速柴油機(jī)是船用柴油機(jī)的一種?，F(xiàn)代大型船舶高速柴油機(jī)都使用了直噴和渦輪增壓設(shè)計(jì)。作為船舶動(dòng)力和發(fā)電使用,具有節(jié)能、大功率、氣缸數(shù)量多、轉(zhuǎn)速一般在1200 r/min以上等特點(diǎn),能使船舶獲得更高的航行速度。國(guó)際發(fā)動(dòng)機(jī)制造商一般都具有制造船舶高速機(jī)的能力,如著名的發(fā)動(dòng)機(jī)制造商德國(guó)MTU發(fā)動(dòng)機(jī)制造公司在船舶高速機(jī)制造上一直在國(guó)際上享有盛名。德國(guó)MTU公司制造的“V”型20缸高速機(jī)排氣量達(dá)到了8000 L,最大持續(xù)功率已經(jīng)達(dá)到8200 kW,滿足了21世紀(jì)船舶發(fā)展趨勢(shì)的要求。表4列出了MTU公司船舶高速柴油機(jī)個(gè)別型號(hào)的主要技術(shù)參數(shù)。

在船舶高速機(jī)中,還有專(zhuān)門(mén)用于如漁船、捕撈船、散貨輪以及拖輪、挖泥船、工程船等小型高速船舶的小型船用高速柴油機(jī),可用作主機(jī)和副機(jī)。表5列出了兩種類(lèi)型的小型船用高速柴油機(jī)的主要性能參數(shù)。

2 船用柴油機(jī)油技術(shù)性能要求

雖然國(guó)際上船用柴油機(jī)油每年的總消費(fèi)量多達(dá)近300萬(wàn)t,但沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。各船用油生產(chǎn)廠商一般是針對(duì)各種類(lèi)型船舶柴油機(jī)的工作特點(diǎn),結(jié)合所擁有的船用油添加劑技術(shù),進(jìn)行船用油產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的。雖然沒(méi)有統(tǒng)一遵循的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn),但總的來(lái)看描述產(chǎn)品的基本性能趨于一致,使得產(chǎn)品的規(guī)格牌號(hào)及其命名規(guī)則基本相同。這為船用油產(chǎn)品和技術(shù)在世界范圍的交流提供了便利。

2.1 二沖程低速機(jī)船用油基本性能要求

如前所述,由于船舶二沖程低速柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn),使得柴油機(jī)的氣缸和曲軸箱對(duì)潤(rùn)滑油有著不同的性能要求。表6、表7分別列出了船用氣缸油和船用系統(tǒng)油(曲軸箱潤(rùn)滑油)的基本理化性能要求。

2.2 四沖程中速機(jī)船用油基本性能要求

如前所述,由于船舶四沖程中速機(jī)在結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)上與車(chē)用柴油機(jī)相似,潤(rùn)滑曲軸箱、缸壁、鋼套和大小頭等潤(rùn)滑油部位共用一個(gè)潤(rùn)滑系統(tǒng)和一種潤(rùn)滑油,即船用中速機(jī)油。表8列出船用中速機(jī)油的基本理化性能要求。

2.3 船用油臺(tái)架性能

由于國(guó)際上在船用油上沒(méi)有統(tǒng)一的產(chǎn)品規(guī)格標(biāo)準(zhǔn),因此也就沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)定船用油臺(tái)架性能的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架。從船用油作為一種獨(dú)立的潤(rùn)滑油品開(kāi)始,船用油配方研究者為了使研究的船用油品能夠盡快獲得商業(yè)應(yīng)用,通常是根據(jù)船舶柴油機(jī)類(lèi)型進(jìn)行油品配方開(kāi)發(fā)的,對(duì)于大型船舶柴油機(jī),一般是購(gòu)買(mǎi)國(guó)際上有代表性的船舶柴油機(jī)改裝成試驗(yàn)臺(tái)架,設(shè)定一定的試驗(yàn)參數(shù)用于模擬評(píng)價(jià)所開(kāi)發(fā)船用油品的柴油機(jī)使用性能。但為了方便評(píng)價(jià)船用油的臺(tái)架性能,通常采用CD級(jí)柴油機(jī)油臺(tái)架評(píng)定方法來(lái)模擬評(píng)價(jià)船用油的臺(tái)架性能。對(duì)于小型船舶高速柴油機(jī)臺(tái)架性能則按CD級(jí)柴油機(jī)油臺(tái)架評(píng)定方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。這些CD級(jí)柴油機(jī)油臺(tái)架主要是評(píng)價(jià)船用油的高溫氧化和清凈性能,如表9所示。

2.4 實(shí)船試驗(yàn)

實(shí)船試驗(yàn)是最終考核所開(kāi)發(fā)船用油能否滿足船舶在航行過(guò)程中實(shí)際使用的需要,并最終取得油品在船舶航行安全應(yīng)用方面的通行證。實(shí)船試驗(yàn)需要按船舶柴油機(jī)制造商規(guī)定的航行時(shí)間進(jìn)行,通常規(guī)定實(shí)際行船試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)不少于4000 h,重在考察油品性能變化規(guī)律、船舶柴油機(jī)磨損狀況、摩擦面狀況與各部件的參數(shù)變化情況等,從而對(duì)油品做出是否滿足船舶柴油機(jī)使用要求的結(jié)論。

3 船用油應(yīng)用

船用油的應(yīng)用通常除依據(jù)船舶柴油機(jī)的類(lèi)型及其技術(shù)參數(shù)外,從合理潤(rùn)滑的角度出發(fā)重點(diǎn)還有根據(jù)船舶柴油機(jī)在檢驗(yàn)期內(nèi)所使用燃料油的性質(zhì)。前者主要決定船用油的粘度等級(jí),一般情況下粘度等級(jí)由船舶柴油機(jī)設(shè)計(jì)商在船舶柴油機(jī)設(shè)計(jì)定型時(shí)已經(jīng)設(shè)定好;而后者主要確定船用油的堿值等級(jí)。王紅梅等人對(duì)不同硫含量與使用性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,采用同一質(zhì)量等級(jí)相同堿值的柴油機(jī)油和不同硫含量燃料進(jìn)行相同程序的臺(tái)架試驗(yàn),表明盡管采用高硫燃料的清凈性評(píng)分不一定比低硫燃料的差,但嚴(yán)重者已經(jīng)產(chǎn)生活塞環(huán)卡死的現(xiàn)象。因此在船用油粘度等級(jí)確定以后,主要是堿值等級(jí)的確定,這給船舶潤(rùn)滑管理者和船用油制造商留下了一定的選擇空間。

(1)船用氣缸油堿值等級(jí)選擇

在船用二沖程低速機(jī)燃燒室內(nèi),氣缸油是和燃料一起燃燒,并在潤(rùn)滑缸壁和活塞面的同時(shí),對(duì)因燃燒產(chǎn)生的酸性物質(zhì)SO璛起快速中和作用。因此氣缸油堿值等級(jí)的選擇與所用燃料硫含量有對(duì)應(yīng)關(guān)系,如表10所示。

(2)船用系統(tǒng)油堿值等級(jí)選擇

船用系統(tǒng)油是用于船舶二沖程低速機(jī)曲軸箱的潤(rùn)滑油,以外部循環(huán)方式對(duì)曲軸箱各摩擦副進(jìn)行潤(rùn)滑。由于二沖程低速機(jī)的曲軸箱和氣缸之間有隔板分開(kāi),氣缸中燃燒產(chǎn)物和未燃燒物不會(huì)流進(jìn)曲軸箱中,因此系統(tǒng)油的堿值等級(jí)一般很少,堿值也不會(huì)太高,主要是能夠保證提供足夠的潤(rùn)滑性、清凈性和分散性,同時(shí)能夠保證安全可靠的分水性能。

(3)船用中速機(jī)油的選擇

船用中速機(jī)油在潤(rùn)滑船舶四沖程中速機(jī)各摩擦副時(shí),與系統(tǒng)油潤(rùn)滑船舶二沖程低速機(jī)曲軸箱各摩擦副的方式相同,也是以外部循環(huán)方式進(jìn)行。并通過(guò)缸壁上的注油孔對(duì)缸壁和活塞面進(jìn)行潤(rùn)滑。因此中速機(jī)油與燃料及燃燒產(chǎn)生的酸性物質(zhì)SO璛在氣缸內(nèi)有接觸,為保證中速機(jī)油安全、可靠的潤(rùn)滑,燃料的硫含量對(duì)中速機(jī)油的堿值也有要求。表11列出中速機(jī)油堿值中心值選擇與燃料含硫量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(4)船舶高速機(jī)和四沖程低速機(jī)用油選擇

對(duì)于大型船舶高速機(jī)而言,一般參照中速機(jī)選用中速機(jī)油作為潤(rùn)滑介質(zhì)。對(duì)于小型船舶高速機(jī)而言,則直接采用CD級(jí)柴油機(jī)油作為潤(rùn)滑介質(zhì)。

對(duì)于船舶四沖程低速機(jī)用油的選擇,一般是參照四沖程中速機(jī)用油進(jìn)行選擇。同時(shí),根據(jù)四沖程低速機(jī)結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn),氣缸和曲軸箱采用不同粘度等級(jí)的中速機(jī)油潤(rùn)滑。通常是緊鄰的兩個(gè)粘度等級(jí)的油品,且曲軸箱采用粘度牌號(hào)較小的一種。由于船舶四沖程低速機(jī)氣缸與曲軸箱之間沒(méi)有隔板分開(kāi),那些未與燃料一起燃燒的潤(rùn)滑氣缸的較高粘度的中速機(jī)油會(huì)沿著缸套壁流進(jìn)曲軸箱,因此隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加,循環(huán)潤(rùn)滑曲軸箱的較低粘度的油品會(huì)因較高粘度油品的不斷“流入”,粘度會(huì)逐漸增大。

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)代大型船舶柴油機(jī)單位燃油消耗已經(jīng)從傳統(tǒng)型船舶柴油機(jī)的大約220 g/kW?h,下降到約200 g/kW?h,極大地滿足了現(xiàn)代海洋環(huán)保的要求。

(2)現(xiàn)代船舶柴油柴油機(jī)按轉(zhuǎn)速區(qū)分,二沖程柴油機(jī)只有低速機(jī),其最大轉(zhuǎn)速在220 r/min;四沖程柴油機(jī)分為四沖程低速機(jī)、四沖程中速機(jī)和四沖程高速機(jī);四沖程低速機(jī)的最大轉(zhuǎn)速一般在350~390 r/min,四沖程中速機(jī)的最大轉(zhuǎn)速在1000~1200 r/min,四沖程高速機(jī)最小轉(zhuǎn)速一般不低于1200 r/min。

(3)船舶二沖程低速機(jī)潤(rùn)滑油有兩種類(lèi)型,氣缸采用船用氣缸油潤(rùn)滑,曲軸箱采用船用系統(tǒng)油潤(rùn)滑。

(4)船舶四沖程中速機(jī)和船舶中大型四沖程高速機(jī)采用船用中速機(jī)油潤(rùn)滑。船舶四沖程小型高速機(jī)采用CD級(jí)柴油機(jī)油潤(rùn)滑。

(5)船舶四沖程低速機(jī)雖然也是采用中速機(jī)油潤(rùn)滑,但用作潤(rùn)滑氣缸的油品粘度高于用于潤(rùn)滑曲軸箱油品的粘度,一般是高一個(gè)粘度牌號(hào)。

(6)船用氣缸油、系統(tǒng)油和中速機(jī)油除了理化性能需滿足基本技術(shù)要求外,還必須取得4000 h的實(shí)際行船試驗(yàn)驗(yàn)證,才能得到實(shí)際應(yīng)用。

(7)在應(yīng)用船用油時(shí),除需要根據(jù)船舶柴油機(jī)設(shè)計(jì)制造廠商推薦的粘度等級(jí)外,還需要根據(jù)實(shí)際采用的燃料硫含量來(lái)選取合適的堿值牌號(hào)。

參考文獻(xiàn):

[1] 謝世平.現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)與發(fā)展[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2] 王紅梅,陳國(guó)需,胡澤祥,等. 高硫含量對(duì)柴油使用性能的影響[J].潤(rùn)滑與密封,2008,33(1):117-121.

收稿日期:2009-03-23。

作者簡(jiǎn)介:王平(1961-),男,碩士,高級(jí)工程師,2000年畢業(yè)于華東理工大學(xué)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè),現(xiàn)從事科技研究與管理,曾獲全國(guó)青年科技標(biāo)兵,完成國(guó)家科技開(kāi)發(fā)項(xiàng)目2項(xiàng),完成省部級(jí)科技開(kāi)發(fā)課題5項(xiàng),國(guó)家發(fā)明3項(xiàng),部級(jí)科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)2項(xiàng),已公開(kāi)發(fā)表論文30余篇。