MC柴油机最低气缸注油率判断的实例分析

摘 要：对3个MC柴油机气缸油调节过程中发生问题的实例进行分析，就如何判断实际的最低气缸注油率，准确定位主机缸套润滑“最佳运行注油率”，提供一些经验。

关键词：主机缸套润滑；气缸油注油率；动态油膜；结碳现象；最佳运行注油率

0 引 言

气缸注油率是气缸油调节的重要依据，也是气缸油消耗的衡量指标。管理者要把握准确的气缸注油率。注油率太高，不但会造成浪费，而且活塞头部会累积沉积物，沉积物破坏缸套壁上的油膜，导致磨损，甚至发生急剧的过度磨损；注油率太低，会使主机缸套和活塞环润滑不良，活塞环及缸套内工作面磨耗加快，严重时会发生咬缸、拉缸。

根据多年的轮机管理经验，笔者认为，运用实例分析与理论指导的方法，能寻找到MC柴油机在不同条件与状态下实际的最低气缸注油率（动态的最小极限值），这个极限的最低注油率，确实存在，且能通过观察与分析，准确把控。

1 气缸油的作用

（1）气缸壁上形成液体动态油膜

活塞环将气缸油涂布于缸壁上形成液体动态油膜，减小缸壁与活塞环、缸壁与活塞裙等摩擦而产生的磨损，同时阻碍燃气与缸套接触，防止缸套工作面的腐蚀。液体动态油膜有这个特性，在缸套承受高压的部位，气缸油“注油率”从2.0g/kWh到0.6g/kWh形成的油膜厚度基本上为1.0um，换句话说，剔除其他因素的影响，气缸油注油率在0.6g/kWh时，就能形成良好的油膜。那0.6g/kWh就是最低注油率吗？不是，这仅是理论上的建议值。

（2）清净、分散性能和去垢物性

清洁活塞环、环面和环槽。气缸油黏附摩擦产生的金属磨粒和燃烧产生的颗粒，由活塞环刮至扫气箱，减小磨料磨损。

（3）提供添加剂，控制腐蚀，中和酸性物质

气缸油都为优质矿物油加多种添加剂调和而成。气缸油中的碱性物质，可中和燃烧产生的酸性物质，减小酸性腐蚀，但不必完全压制酸性腐蚀，达到“受控腐蚀”即可。

2 气缸油注油率的选择

对于安装Alpha（ACC）气缸注油系统的MC柴油机，气缸油采用BN70，燃料油含硫量少于3%，正常条件下气缸油注油率在0.6g/kWh以上就能满足形成最佳液体动态油膜和达到正常去垢功能的要求，但如果气缸油采用的是BN60，气缸油注油率在0.60g/kWh以上，也能满足形成最佳液体动态油膜和达到正常去垢功能的要求，但还需增加0.09/kWh气缸油的量来中和3%硫分所产生的酸性物质。如果燃料油不变，含硫量不变，那么低堿气缸油必须比高碱气缸油注入更多的气缸油，才能全部中和燃烧产生的酸性物质。其他情况，就要依据表1的建议内容进行选择，所使用的气缸油品种和燃油含硫量的匹配组合不同，所需要的气缸注油率是不同的。根据燃油的含硫量来调整气缸油注油率的方法早已存在。

3 气缸注油率的分类与概念

（1）基本注油率：相应于平均状态下的用量，并且是在确认缸套成功磨合之后的平均用量，将确保安全的气缸状态及良好的综合经济性。

（2）在正常运行期间建议的最大注油率：过度的气缸润滑可能导致燃烧室内出现有害沉积物的累积，应当在特殊的运行状态下对其进行限制（运行时间），比如初始磨合、不良的气缸状态、黏滞的活塞环等。例如：在初始磨合期间，第一次加载至MCR，建议增加润滑，以便冲刷掉任何磨损颗粒物。在此期间，建议采用200%的基本注油率。如果适用的是铝制涂层活塞环，那么初始磨合期的持续时间可以被限制为约5个小时。如果使用硬质涂层活塞环（Cermet涂层PM14或类似），那么根据实际涂层情况，则应在至少12个小时内进行初始磨合，并且加载至额定负荷MCR。

（3）理论上最小注油率：由于需要特定量的滑油形成液体动态油膜，MC柴油机建议注油率的下限设定为0.6g/kWh～0.7g/kWh，将达到匹配约含硫量2%的燃油。建议配有Alpha气缸注油系统的气缸油注油率下限为0.6g/kWh。

（4）运行注油率（最佳运行注油率）：即“最大设置值”与“最低注油率”之间的注油率是根据实际气缸状态的观测情况确定的（扫气口检查与大修报告）（注油率的调节可以按照每次最大值0.05g/kWh逐步降低）。建议配有Alpha气缸注油系统柴油机，经过磨合期之后的建议注油率为0.26 g/kWh×S%，并且在0.6g/kWh时达到绝对下限。

（5）实际最低注油率：在正常运行期间，气缸工作状态开始异常，但未产生异常效果时的注油率（暂时定义）。这是我们想知道，但又要避免的注油率。

4 实例分析

（1）实例一：某A轮主机缸套结碳（扫气口内上方出现黑色斑块）

主机型号MAN B&W 6S50MC-C/8510 kW、常用速度110 r/min，常用功率7 660 kW，Alpha电子式注油器，使用TOTAL TALUSIA HR 70（ TBN值为70）气缸油。注油模式为注油率与主机的平均有效压力成正比，注油率调为84%，85%负荷时每天约耗气缸油150kg，约为0.96g/kWh。燃用含硫量为2.6%的380CST燃料油，其运行注油率0.96g/kWh，比理论最低注油率0.6g/kWh高出0.36g/kWh，气缸注油率应该是足够多的，缸套不应该发生异常，事实上也出现过缸套结碳现象。

2005年9月7日，于天津港检查扫气箱，各缸状态很好，如图1所示。

2005年11月3日，于新加坡检查扫气箱，5个缸扫气口内上方缸壁有结碳，NO.1缸只有一点，NO.2缸结碳较严重，NO.3缸结碳也不小，NO.4缸结碳较严重，NO.5缸结碳较小，如图2所示。

结碳现象：该船航行于热带区域，在扫气进机温度超过42℃时，各缸气缸套扫气口顶部的内部工作面会结碳。若航行于低温地区，检查扫气，结碳消失，缸套扫气口上方恢复正常状态。为防止缸套结碳，必须确保主机工况良好，将主机进气温度控制并保持在42℃以下，这样有利于燃料油的完全燃烧，提高燃烧效率，又不会在气缸套扫气口上面结碳。按道理，将主机进气温度控制在 42℃以下，是容易产生低温腐蚀的。为什么扫气温度低于42℃，扫气口内上方没有结碳，反而高于42℃时有结碳呢？

我们认为气缸油太多导致结碳，于是把注油率84%调为82%，检查扫气箱，发现气缸结碳没有减小，反而更严重；又临时把注油率升至90%，同样环境下，气缸结碳消失。

最后确认原因是主机2个空冷器的汽水分离器效果不好。船舶航行在热带区域，随着环境温度的上升，空氣的含水量会相应增加，扫气空气湿度较高，扫气产生大量冷凝水，使气缸壁上产生稀硫酸，稀硫酸需要一定量的气缸油中和，从而消耗了部分气缸油，并且扫气口内壁上方的气缸油容易被扫气的水分乳化，降低其热稳定性。耐高温性能降低，扫气口上方油膜被破坏，这样油膜因高温被烧焦而致结碳。

扫气产生大量冷凝水，是因为空冷器的汽水分离器侧面固定螺栓出厂时没有上紧，侧面固定螺栓松动，密封失效，导致空气从汽水分离器旁通过，气流直接穿过汽水分离器框架周边，在垂直方向通过汽水分离器单元和与其相临的集气管壁之间，然后水平进入扫气总管。这将导致水的引入，特别是在潮湿地区，可能导致大量的水进入气缸。

汽水分离器重新固定好后，挡水板除水功能良好，有效防止过多的水进入气缸，该轮主机气缸扫气口上方结碳问题得到解决，注油率调为84%，约为0.96g/kWh。

（2）实例二：某B轮主机缸套状态较差

主机型号MAN B&W12K90MC-C，额定功率54 720kW/ 104RPM，持续功率49 248kW/100RPM，2003年出厂时主机配备机械式注油器，2008年改造采用ALPHA型电子式注油器，出厂后10年使用MOBILGARD 570（ TBN值为70），2014年转用MOBILGARD 560（ TBN值为60）。

气缸油MOBILGARD 570使用时，气缸油注油率73%（0.8g/kwh），燃用含硫量3.51%的燃料油。气缸套扫气口内上方的状态，缸套内壁光亮，无拉痕，无腐蚀色斑，表示缸套内壁上的油膜有足够的碱性储备，如图3所示。

新品种气缸油MOBILGARD 560 VS使用后，气缸油注油率维持73%（0.8g/kwh），燃用含硫量3.51%的燃料油，到港检查扫气箱，各缸缸套扫气口上部发现有酸性腐蚀倾向，扫气口上部有环形、白色、树叶形状的痕迹，显示气缸油的碱性不够，无法完全中和燃油硫分所产生的酸性物质，尤其是NO.6缸表现较明显。如图4所示，同样的气缸油、注油率，当燃用低硫燃料油时（含硫量0.74%），航行中停机检查NO.6缸扫气箱，缸套工作表面、扫气口、活塞环清洁干净，润滑状态良好，原有的酸性腐蚀痕迹消失。

从使用情况来看，燃油含硫量超过2.5%时，使用“GARD 560VS”，主机扫气箱状态很不理想，特别是含硫量达到3.5%，缸套工作面出现酸性腐蚀迹象。燃油含硫量低于2.5%时，使用“GARD 560VS”，扫气箱状态与使用“GARD 570”基本相同。燃油含硫量低于1.0%时，使用“GARD 560VS”，扫气箱状态优于使用“GARD 570”；燃油含硫量高于3.0%时，使用“GARD 570”，扫气箱状态优于使用“GARD 560VS”。

从上述现象分析来看，气缸合适的运行注油率不是一个固定值，它会随着柴油机的环境而变化，比如负荷、燃油质量、燃油含硫量、气缸油碱值、气缸油质量、不同的航区、环境状态等。检查扫气箱，如果观察到任何异常情况，应当将运行油率再次调整至满足气缸状态的水平，当问题解决后，即调回注油率（较低的运行注油率）。

（3）实例三：某C轮主机Alpha气缸注油系统升级改造后，缸套扫气口内上方位置出现结碳

主机型号MAN B&W12K90MC-C，额定转速104 r/min，额定功率54 720 kW，2003年出厂时配置机械式注油器，2008年改造采用Alpha型电子式注油系统，2014年之前一直使用MOBILGARD 570（ TBN值为70）气缸油，之后转用新品种气缸油MOBILGARD 560 VS（ TBN值为60）。

Alpha型电子式注油系统再次升级改造之前，气缸油的注油方式是平均有效压力模式（MEP Mode）。当主机运行转速76rpm、注油率510L/day（约0.893g/kWh）、燃用含硫量2.85%的燃料油时，检查扫气箱，各缸缸套工作面正常，缸套状态良好，扫气口内上方没有结碳，能形成正常的润滑油膜，如图5所示。

升级改造之后，注油方式采用功率模式（POWER（ACC） Mode），注油率=S%×因子，即3.8×0.26=0.988 g/kWh。主机转速76rpm，燃用含硫量2.85%的燃料油，运行80小时后，抵港扫气箱检查发现除磨合期NO.8缸扫气口顶部没有黑色结碳，其他11 个缸的缸套扫气口上部10cm左右的缸套表面有环状黑色结碳，缸壁残油比较黑与脏，扫气口内上方结碳较多，油膜被破坏，如图6所示。

主机转速76rpm，续运行750小时，实测日耗气缸油433L、注油次数（瞬时值）R=363次/分钟。在海上停主机检查扫气箱，发现多缸缸套扫气口内上方结碳面积扩大，结碳厚度加厚，各缸活塞环及缸套工作状态很差。NO.3/NO.11缸结碳更严重，如图7所示。NO.12缸虽然没有结碳，但观察到缸套内工作面磨损较大，润滑状态较差，缸套内工作面上没有油迹，很干燥。

主机运行76RPM，功率约为21 888kW， 实测日耗气缸油433L，计算出实际注油率为433×1000×0.92/24/ 21 888=0.758g/kWh。也就是说，燃用含硫量2.85%的燃料油，配置MOBILGARD 560VS气缸油，当气缸注油率调整值等于或小于0.758 g/kWh时，缸套扫气口内上方就会出现结碳。

同样可换算出，如果换用气缸油MOBILGARD 570，实际注油率为60×0.758/70=0.65g/kWh，燃用含硫量2.85%的燃料油，气缸注油率调整值等于或小于0.65g/kWh时，缸套扫气口内上方就会结碳。

注油率0.65g/kWh就是主机在目前气候环境下的最低气缸注油率（动态的最小极限值），与MC柴油机建议注油率的下限设定为0.6～0.7g/kWh基本一致，也就是说，对此次气缸油注油系统存在问题的分析，气缸注油率的动态最小极限值，可以通过主机定速航行后，中途停机检查，各缸扫气口上部是否结碳，如开始结碳，说明气缸油减到最低极限值了。

该主机气缸注油率降到最低极限值，原因是什么？ 后来查明，Alpha型电子式注油系统，根据参数“含硫量”与“含硫因子0.26”所计算出的g/kWh耗油标准不是完全正确的，例如这次由于服务商设定Alpha型电子式注油系统的HMI内部参数184～188项参数，往相反方向设置了，导致参数设置好后，理论上计算设定注油率为3.8×0.26=0.988g/kWh，而实际测得气缸注油率仅为0.758 g/kWh，相差0.23g/kWh，又刚好是采用中碱气缸油MOBILGARD 560VS（BN60）配置了高硫燃料油，顯得气缸注油量很不够，使气缸运行注油率在最低极限下，缸套扫气口内上方位置结碳。

在服务商的指导下，两次调整HMI内部参数184～188项，使设定值（3.8×0.26=0.988g/kWh）与实际气缸注油率达到一致水平，恢复到升级改造前水平，之后，气缸注油系统才进入正常状态。

一个月后，该船抵高雄港检查扫气箱，缸套内工作面恢复正常状态，扫气口上方结碳已全部自动消除，各缸状态正常，如图8所示。

（4）结碳原因

扫气口上方结碳，往往会给大家错觉，认为是气缸注油量太多造成的。我最初发现问题汇报公司，公司也认为气缸油太多，要求继续降低气缸油的注油量，结果更严重了。

上述3个实例告诉我们：扫气箱空气湿度太大，燃料油含硫太大，气缸注油率调节失当，都造成了气缸在同等条件下，实际气缸润滑油油量短缺，所以，关于扫气口上部结碳，应该是受各种因素影响的，损耗了部分气缸润滑油，使注油量偏离正常值，注油量不足，密封性能下降，高温燃气造成油膜破坏、结焦。

（5）参数调节

Alpha气缸注油系统升级改造后，采用功率模式ACC POWER Mode进行注油，注油率=S%×因子。

参数调节方法：一般固定ACC factor（含硫因子）的值，仅调节含硫量S%来控制气缸注油率。其实对于ACC factor，这也是一个变化的值，对应BN值不同的汽缸油，ACC factor有不同的数值。如使用BN 60气缸油时，ACC factor为0.26。那么选用BN 70气缸油，如果燃用的燃料油相同（含硫量不变），Factor需要改变为0.26×60/70=0.22，注油率=S%×0.22，注油率降低了S%×（0.26-0.22），实际注油量也跟着减小，但因为BN 70气缸油碱值为70 mgKOH/g，比BN 60高出10个碱值，同样能满足该状态下主机需要的气缸注油量。

一般，船公司的惯例是不管采用哪个品种气缸油，我们仅调节含硫量参数S%，ACC factor统一调节为0.26，它们（S%×因子）相乘的结果作为气缸注油率的调节依据。实际操作中，如燃用相同的燃料油，含硫量不变，而变更气缸油品种，可以调节含硫因子，不过姊妹船之间气缸油调节方法前后不统一，进行对比时，变得复杂了。

（6）注意事项

维持最佳运行注油率，就是根据燃油含硫量、气缸油的BN值，缸套与活塞环的磨合情况，船舶航行的气侯环境，扫气箱的检查情况，以及扫气箱残油取样的化验指标等因素，确定气缸注油率。

扫气温度的设定具有双重性，扫气箱温度太高，主机燃油燃烧不良，扫气口内上方容易结碳。较低的温度可以起到“干冷”扫气，扫气相对湿度降低，主机功率增加，但扫气温度低会影响缸壁温度，一旦缸壁温度低于露点，在缸壁气缸油膜碱值不足时，就会发生低温腐蚀。

当前，船舶主机大多为超长冲程，大多采取低速、低负荷航行，缸套的温度相对来说下降了。在低负荷情况下，为减少扫气口附近的低温腐蚀，应该提高冷却水温度或适当地增加汽缸油注油率。

5 结束语

影响气缸注油率的因素很多，如不同航区、环境条件、燃油或润滑质量（碱值多少），无法遵循常规的指导原则准确计算，况且MC柴油机在不同条件下实际最低极限气缸注油率是动态的，所以应经常进行扫气箱检查，及时发现扫气口内上方轻微的结碳，如图9所示。那就提醒我们，气缸注油率真的降到最低极限值了，然后分析原因。碰到这种现象，我们还是先把气缸注油率调高一点，运行观察，查明原因后再往最佳运行注油率方向调整。

气缸油的注油量调整和ACC factor的确定需要结合扫气箱残油化验，通常Fe含量要求低于200mg/kg，剩余碱值不低于10～25mgKOH/g，通常控制在25～30mgKOH/g左右最佳，剩余碱值过小，酸性腐蚀加剧；剩余碱值过大，碱性残余物磨粒增加也会加剧缸套的磨损。

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