葉小娟，楊繩政，黃歆，鄧冰，陳柳安

(廣西北海玉柴馬石油高級(jí)潤滑油有限公司，廣西 北海 536000)

0 引言

為了滿足國家日益嚴(yán)苛控制環(huán)境污染的政策，環(huán)保部要求非道路移動(dòng)機(jī)械柴油機(jī)排氣污染物從2020年要達(dá)到國家第四階段控制水平[1-3]。從2020年12月1日起，凡不滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)不得生產(chǎn)、進(jìn)口、銷售和投入使用[4-7]。政策法規(guī)的日趨嚴(yán)苛促使了內(nèi)燃機(jī)對(duì)零部件及其自身整體性能的要求越來越苛刻，OEM不斷創(chuàng)新開發(fā)高效率發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，尤其是像活塞部件在高溫高壓燃?xì)猸h(huán)境下工作的穩(wěn)定性將會(huì)影響到內(nèi)燃機(jī)的整體性能。在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)時(shí)，柴油機(jī)油在使用過程中易產(chǎn)生沉積物，包括積炭、漆膜、油泥和銹蝕，其中漆膜、油泥和銹蝕又稱為非積炭沉積物；積炭的產(chǎn)生會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)都大大降低，嚴(yán)重會(huì)使活塞環(huán)失去彈性而卡死，破壞潤滑系統(tǒng)的工作，發(fā)生燒瓦抱軸事故。以下以一例CI-4柴油機(jī)油使用過程出現(xiàn)因積炭導(dǎo)致活塞環(huán)卡死的原因進(jìn)行分析[8-9]。

1 試驗(yàn)概述

使用發(fā)動(dòng)機(jī)F38160-T400 進(jìn)行5000次冷熱沖擊可靠性試驗(yàn)(標(biāo)定點(diǎn)怠速交替進(jìn)行，標(biāo)定點(diǎn)水溫103 ℃，怠速水溫小于30 ℃)，試驗(yàn)時(shí)間850 h，試驗(yàn)使用CI-4 15W-40機(jī)油,試驗(yàn)完成后拆檢。

該臺(tái)架的目的是驗(yàn)證缸套及缸墊受熱負(fù)荷變化是否失效，柴油機(jī)在低周疲勞及低熱慣性下缸套及缸的疲勞失效模式。新機(jī)開發(fā)時(shí)，已經(jīng)完成多輪可靠性試驗(yàn)但未發(fā)現(xiàn)活塞環(huán)卡滯現(xiàn)象。

試驗(yàn)過程未發(fā)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)身抖動(dòng)、有噪音、功率下降、機(jī)油耗等問題，試驗(yàn)至750 h左右，曲軸箱壓力及漏氣量出現(xiàn)異常波動(dòng)，時(shí)大時(shí)小。850 h后拆檢發(fā)現(xiàn)4個(gè)活塞中，2/3缸活塞環(huán)卡死，1缸卡滯，4缸正常。4個(gè)活塞上的沉積物基本相當(dāng)。2缸和3缸燃燒室有殘留有沉積物。見圖1。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)拆機(jī)活塞表現(xiàn)

2 油品分析過程

2.1 臺(tái)架舊油分析

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中我們每隔100 h都進(jìn)行機(jī)油采樣，分析檢測，結(jié)果見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架舊油檢測結(jié)果

從舊油的檢測數(shù)據(jù)來看，煙炱增量很大，在臺(tái)架300～400 h后變化突出，遠(yuǎn)超行業(yè)允許接受的不大于4%的范圍；黏度增長很快，從這里分析得出煙炱引起的黏度增長過快；堿值變化很?。荒p元素尤其是鐵元素后期增高很快。

2.2 機(jī)油理化分析(見表2)

表2 CI-4 15W-40新油檢測結(jié)果

油品各項(xiàng)檢測指標(biāo)在CI-4 15W-40標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

3 積炭分析過程

通過對(duì)2缸活塞取樣，用掃描電鏡-能譜儀(SEM-EDS)進(jìn)行成分檢測。

3.1 掃描電鏡檢測(見圖2)

圖2 2缸活塞積炭的檢測

積炭的形態(tài)上，環(huán)岸積炭相對(duì)環(huán)槽呈現(xiàn)出顆粒小，多孔；從積炭的分布來看，油環(huán)槽部位的積炭少于1環(huán)槽和2環(huán)槽。

3.2 能譜儀檢測

根據(jù)檢測結(jié)果，可以得到取樣積炭中的元素種類以及各種元素的比例關(guān)系。其檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 2缸活塞積炭的元素檢測

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)可以得出：碳(C)元素主要來源于燃油[10]；氧(O)元素反應(yīng)氧化程度。鎂(Mg)元素是機(jī)油的清凈劑成分，磷(P)元素是機(jī)油中的抗磨劑成分，硫(S)元素是燃油中的硫，機(jī)油中的硫也貢獻(xiàn)。鈣(Ca)來源于機(jī)油的鈣鹽清凈劑。鉬(Mo)元素是機(jī)油中的抗氧劑或者是摩擦改進(jìn)劑，也有可能是活塞裙部或一環(huán)涂有鉬金屬層。由于燃燒室是一個(gè)相對(duì)密閉的空間，理論上不存在別的來源途徑。

(1)活塞環(huán)槽中，1環(huán)槽的碳含量和氧含量比例最高；(2)活塞環(huán)岸中，火力岸的碳含量和氧含量比例比2環(huán)岸的高。碳含量占的比例很高，而反映機(jī)油添加劑成分的鎂、磷、鈣、鉬比例相對(duì)較少，定性來看，這個(gè)是以柴油燃燒產(chǎn)生的積炭為主，舊油分析煙炱含量極高可以作為佐證。2環(huán)岸沉積物的鈣、磷等含量比例高于火力岸的積炭，基本與常識(shí)相符：火力岸離燃燒室更近，燃油燃燒的積炭比例占比更高。氧含量占比低，反映了積炭高溫沉積，未有足夠時(shí)間接觸氧氣氧化就繼續(xù)積累。

4 積炭形成的影響因素

發(fā)動(dòng)機(jī)積炭產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，與發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)造以及使用燃料油和機(jī)油的種類、所處工作條件以及工況等有密切關(guān)聯(lián)[10-11]。目前接受的觀點(diǎn)為：積炭是燃油及潤滑油在高溫氧化作用下的產(chǎn)物。不完全燃燒燃料和竄入燃燒室的潤滑油油混合在一起產(chǎn)生油煙顆粒和焦油微粒，在金屬表面的催化作用下發(fā)生深度氧化及縮合；與潤滑油混合在一起后，進(jìn)一步氧化成為稠性膠狀液體——羥基酸。羥基酸又進(jìn)一步氧化縮合變成半流體樹脂狀膠質(zhì)，這些樹脂物又不斷地把未完全燃燒的燃料、機(jī)油、碳煙、固體雜質(zhì)等混合物吸附在金屬表面，牢固地黏附在零件上，并在高溫的不斷沖擊作用下，膠質(zhì)又氧化縮聚成更復(fù)雜的固體沉積物——硬質(zhì)膠結(jié)炭，即成了積炭。積炭的組成有潤滑油、羥基酸、瀝青質(zhì)、油膠質(zhì)、碳青質(zhì)、硫酸鹽、硅化合物等，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度越高，形成的積炭越硬越緊密，在金屬表面上黏結(jié)越加牢固[12-15]。

產(chǎn)生積炭主要有以下幾個(gè)方面原因：①發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器工作不正常,包括霧化不良,噴油壓力、時(shí)間以及噴油量不正常；②所使用的機(jī)油或柴油的品質(zhì)差都會(huì)產(chǎn)生積炭，影響柴油在缸內(nèi)充分燃燒；③柴油機(jī)長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，溫度過高，著火過早，使噴入缸內(nèi)的柴油過多來不及燃燒，形成炭渣；④發(fā)動(dòng)機(jī)竄機(jī)油，漏氣嚴(yán)重，也都形成積炭[16-17]。

從理化檢測的煙炱含量急劇增加可以判斷，煙炱快速增長是發(fā)動(dòng)機(jī)燃油不充分燃燒引起的，活塞周圍的積炭能譜儀分析證明是以燃油不完全燃燒形成的積炭為主。

5 積炭對(duì)潤滑的影響

積炭是硬質(zhì)的，具有一定厚度和表面紋理，通常沒有光澤的不溶性沉積物；可能是任何顏色，根據(jù)厚度，體積和光澤來分級(jí)，可分為輕炭、中炭和重炭。重炭是指積炭充滿整個(gè)活塞環(huán)岸和環(huán)槽之間的整個(gè)空間，或者盡管積炭厚度小，但由于環(huán)背面積炭過多而呈現(xiàn)拋光的面積，導(dǎo)致活塞環(huán)沒有伸縮空間，環(huán)岸和環(huán)槽重炭增加了與缸套的接觸，導(dǎo)致缸套拋光和磨損，堵塞潤滑油輸送通道。中炭和輕炭分別是積炭占活塞環(huán)和環(huán)槽背面空間的1/4以上和1/4以下，活塞環(huán)和環(huán)槽的積炭會(huì)使環(huán)和環(huán)槽的空間變小，阻礙了潤滑油輸送，加上積炭起到隔熱作用促使活塞高溫區(qū)得不到正常的潤滑冷卻，導(dǎo)致環(huán)和環(huán)槽熱負(fù)荷過高，更加速環(huán)槽沉積物的產(chǎn)生。隨著積炭的數(shù)量增加會(huì)明顯影響活塞環(huán)與缸套之間的潤滑和熱傳導(dǎo)，加速新的積炭生成，最終活塞環(huán)與環(huán)槽的背后間隙和側(cè)向空間都被積炭充滿、黏結(jié)，使活塞環(huán)在環(huán)槽中彈性減弱或失去彈性被卡滯或卡死。失去彈性的活塞環(huán)會(huì)造成氣缸表面拉傷，燃燒室密封不嚴(yán)導(dǎo)致曲軸箱竄氣量增大，于此同時(shí)油耗增加，排氣量升高。

6 小結(jié)

從以上分析判斷，故障產(chǎn)生的原因是進(jìn)入燃燒室的燃油未得充分燃燒，以及發(fā)動(dòng)機(jī)長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致活塞環(huán)與環(huán)槽生產(chǎn)大量積炭，活塞環(huán)卡死。因此除了從發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械部件比如噴油嘴霧化效果，或者調(diào)整工況來解決問題外，針對(duì)非道路排放已經(jīng)達(dá)到T4階段，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)升級(jí)，活塞為了獲得更高的爆發(fā)壓力使用缸活塞，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒溫度更高、竄氣量更大，使機(jī)油更容易氧化、硝化，煙炱的生成速率更快，使用壽命縮短，可以更換質(zhì)量等級(jí)更高的CJ-4級(jí)別以上油品，能使油品在高溫下保持優(yōu)異的清凈分散和氧化安定性，應(yīng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)更高的功率密度和熱載荷，更強(qiáng)活塞清潔分散性能。