低硫燃油和低载荷工况船舶发动机油研究

Research on M arine Diesel Engine Oil Used in Low Sulfur Fuels andLow Load W orking ConditionsZhang Jie Piao Jicheng Feng Tao Yu Jun(Dalian Lube R&D Institute，PetroChina，Dalian Liaoning 1 16031，China)Abstract：The friction characteristics of marine engine using the low sulfur fuel and operating in low load conditionswere analyzed.The results indicate that low sulfur fuel will increase the abrasion wear of cylinder liner and piston rings as-semble，an d low load operation wil cause the corrosive wear.According to the deman ds of low sulfur fuel and low load op-eration on the properties of marine engine oils，a novel formula of marine engine oil with higher anti-wear perform anceswas developed.The evaluation results show that this marine engine oil has better anti-wear performances(e.g.abrasiveweal"and corosive wear)，which Can prolong the life of the engine parts in the actual operation。

Keywords：marine lubricants；marine engine；mechanical wear；corosive wear ；Stribeck curve近年来，远洋船舶的发动机排放物对近海以及港口周边环境的危害愈加严重，因此 国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)制定法律和法规对远洋船舶燃料的硫含量加以限制，以控制有害物质SO：的排放。国际海事组织 (IMO)制定的MARPOL附则VI对行驶到公海区域的船舶要求使用燃料硫含量不大于 3.5%；而在硫化物排放控制区(SECA)内，要求硫含量不高于 1.O%，到 2015年要低于0.1% 。-般来说，使用高碱值船用油对应高硫燃油，而使用低碱值船用油对应低硫燃油。随着越来越多国家和地区加入 SECA，几乎所有 国际运输航线均会在SECA经过或者停留，因此低硫燃料将被更加广泛地使用。另外，船东通常会降低发动机载荷和航速来降低燃油消耗，这成为在目前世界经济环境劣化情况下，船运公司最常用的运营方式之- 。

收稿 日期：2012-09-10作者简介 ：张杰 (1977- )，男 ，硕士，工程师，从事润滑油 品配方研究和开发及 OEM认证工作 .E-mail：zhangjie2-rhy###pet-mchina.com.cn。

1 使用低硫燃油船舶发动机在低载荷工况下的摩擦特征1.1 船舶发动机 缸套 -活塞环”摩擦特征关于车用柴油发动机 缸套 -活塞环”部位的摩擦特性研究已经有很多文献报道 。M Priest等 认为受活塞速度、润滑油黏度、发动机载荷、摩擦副表面粗糙度、缸壁形变和活塞环灵活性等因素影响，柴油机 缸套 -活塞环”部位的摩擦特征极其复杂，其润滑区域将很可能分布在弹性流体润滑、混合润滑和边界润滑等区域。而对船舶柴油机来讲，由于缸径大、工况变化复杂以及燃料劣质化等因素影响，缸套 -活塞环”部位摩擦特性更加复杂，其润滑区域将主要分布在混合润滑和边界润滑区域。-般来说，船舶发动机 缸套 -活塞环”部位有以下4种磨损形式 ：(1)疲劳磨损。疲劳磨损是摩擦表面在周期性载荷的作用下，在接触区产生较大的变形和应力 ，并形成裂纹而被破坏的现象。疲劳磨损属于机械部件在正常范围内的摩擦损耗，-般不会对发动机的运转造成影响。船用发动机缸壁表面的疲劳磨损情况如图 12013年第 3期 张 杰等：低硫燃油和低载荷工况船舶发动机油研究和密封能力 的降低 ；而缸壁表 面的黏附磨损，将对缸壁表面造成严重破坏。腐蚀磨损主要是由于发动机在低载荷和低航速下运转时缸壁的温度较低，燃烧产生的酸性物质与水易于在气缸壁的低温部位凝结成硫酸，对机械部件造成腐蚀。在低载荷条件下，腐蚀磨损对发动机造成的伤害往往比机械磨损更大。

2 使用低硫燃油船舶发动机在低载荷工况下对润滑油性能的新要求低硫燃料和低负载工况导致船舶发动机 的 缸壁 -活塞环”出现较为严重的机械磨损和腐蚀磨损问题，也对船用油提出了更高的抗磨性能要求。

2.1 抗机械磨损 能力摩擦学 中的基础理论 Stribeck曲线如 图4所示。

可以看出，润滑方式可以归纳为弹性流体润滑、混合润滑 、边界润滑和干摩擦 。在经典的摩擦学中，在弹性流体润滑区间，油膜厚度远远大于表面粗糙度，在此情况下，控制摩擦因数的因素为润滑油分子间的内摩擦力 ，或者说是黏度；当油膜厚度变序者表面粗糙度变大 ，润滑方式过渡到混合 区间，在此区间内，润滑油中的添加剂通过与摩擦表面发生化学吸附或化学反应对抗磨性能发挥作用；当油膜厚度接近于0，润滑区间进入边界润滑，在边界区摩擦因数随着载荷的增加大幅度上升；极端润滑方式为干摩擦 ，2个摩擦表面之间直接接触，没有润滑油在其中，在该区间摩擦因数非常大 。

f 边界润滑 混合润滑 弹性流体润滑( 0 - Ⅲ f>>f r // 、 / -- 詹.粗 糙度图4 Stribeck曲线及润滑 区域定义Fig 4 Stribeek curve and the definition of lubrication regimes针对船舶发动机 缸套 -活塞环”部位 ，疲劳磨损、磨粒磨损和黏附磨损等机械磨损发生的主要润滑区间为混合润滑和边界润滑。在混合润滑区间，油膜厚度约等于表面粗糙度，此时两摩擦副表面较高的凸起之间发生触碰，随着外界压力的增加，油膜厚度降低 ，凸起之间触碰的概率增大 ，此 时发生疲劳磨损；随着凸起之间触碰概率增加，凸起物被切屑后停留在表面凹陷处，加之燃料带入的催化剂颗粒，共同在摩擦副表面形成磨粒磨损 ；随着压力的增加，润滑区域过渡到边界润滑，此时，油膜厚度趋近于 0，发生黏附磨损。

因此，需要在-定程度上提高船用油抗机械磨损能力 ，来应对低硫燃料 中大量铝/硅化合物颗粒对发动机缸壁和活塞环表面涂层的破坏。

2.2 抗腐蚀磨损 能力- 般来 说，当船用发动机 载荷 降低 到 40% ～50%以下时，缸壁温度将大幅度降低 ，燃烧产生的sO 与水易于达到 露点温度”，形成硫酸微滴，加重机械部件的化学腐蚀，此时发动机 缸套 -活塞环”部位的主要磨损形式从机械磨损变为腐蚀磨损。

船用油需要具备快速的酸碱中和能力来中和掉多余的腐蚀性酸性物质 。在低载荷和低航速工况下发动机燃烧室易于达到 露点温度”，过多的酸性物质会对金属部件产生严重的化学腐蚀。因此，船用油需要具备更强的抗腐蚀磨损能力。

3 船舶发动机油的开发及抗磨性能评价3.1 发动机 油的开发为了满足使用低硫燃油船舶发动机在低载荷工况下对润滑油性能的要求 ，通过对原有船用油配方调整，重点提高油品的抗机械磨损和抗腐蚀磨损性能。

并通过自建模拟实验方法比较以上试验油和国外参比油的性能进行考察和对比。

3.2 机械磨损评价采用高频往复摩擦实验机 (Optimol SRV，德国)考察油品的抗机械磨损性能，其中-种为实验室优化的船用发动机油，-种为国外高性能的船用油。SRV的试验条件和参数如表 1所示；2种油样的理化数据如表2所示。

表 1 SRV试验条件Table 1 Testing condition of SRV试验条件 参数接触形式运动方式负载p/N温度 t/C振幅 A/ m频率f/Hz球 -盘(材料 ：lOOCr6)往复50-1 20O120500202013年第3期 张 杰等：低硫燃油和低载荷工况船舶发动机油研究 101发动机油，该发动机油具有良好的抗机械磨损及抗腐蚀磨损能力，能够在实际操作中延长机械部件使用寿命。