船用柴油机气缸润滑的理论和实践探讨(一)

1、船用柴油机气缸润滑的理论和实践探讨（一）船舶主机运行管理，可以简单分为三大方面：操作和维护；故障与应急处理，性能监控和综合分析评估。这三者之间的关系：主机和分其系统的操作和维护保养是基础或第一阶段；故障与应急处理是关键是第二阶段；而性能监控和综合分析评估是主机运行管理的高级阶段或第三阶段。 MAN B&W 电喷主机引入的 ECS 电子控制系统的优点很多，特点也不少。但在实际操作层面，普遍反映是：（1）操作很简单但其中的基本控制原理不简单；（ 2）强大的自查功能、细致的故障报警信息系统以及故障诊断分析系统，但轮机管理人员很难到达熟练和比较准确的利用这些有用的信息分析故障解决问题；（ 3）

2、PMI ONLINE和AUTOTUNNING组合，可以使得主机的燃烧在最佳状态，但事实上不上船舶电喷主机的实际缸内运行参数并不是很理想，甚至发生了不少问题；（ 4）设计先进并汇集了专家思想库PMI 和 COCOS-EDS 专家系统，又有多少船员和机务能够进入和使用？分析原因，很多很多。但其中重要的原因之一是：ME-B/C 电喷主机和MC-C 主机的最大区别就是在于电喷系统或控制系统（ECS）的新变化新特点。因此，对 MC-C 主机基本原理、 操作维护和应急与故障分析、运行性能综合分析和评估是电喷机的基础。讲电喷机专题，离不开 MC-C 主机基础理论和经验，或者说没有良好的MC-C 的知识背景和

3、管理经验，要真正的把握电喷机新技术新特点，必定是空中楼阁。技术交流和分享更多的是经验的交流与分享，也是有价值的论文形成的基础和途径。下文从 MC/ME 主机气缸润滑最基本的概念出发， 从理论到实践，提出新观点和新方法，也提出了希望大家参与技术交流和探讨的新议题，特别邀请广大的机务同仁和一线的轮机人员积极参与投稿或反馈不同的意见和建议到：STSA 秘书长黄老轨2016-08-28MAN B&W MC-C/ME-B/C船用柴油机气缸润滑的理论和实践探讨（一）从气缸油注油率、注油量和注油比的理论和实践谈起一：引子缸套与活塞，特别是活塞环的材料，配合尺寸和状态良好。燃油油品质量、分离和过滤控制

4、和含硫量；缸内燃烧状态参数：喷油量、喷油定时与雾化、爆炸压力和压缩压力、扫气温度、活塞下部空间温度、缸套内壁温度、冷却水温度等运行参数以及调整；扫气箱泄放系统、空冷器水分分离效果良好；主机气缸状态（CYLINDER CONDITION）是以上三个方面的综合作用结果，也是主机运行管理的重点之一。为了便于分析，将影响主机气缸状态的的众多要素，分为如下 9 个：（ 1）合适的气缸油油品- 如何选择气缸油（特别总碱值和燃油含硫量的匹配）；（ 2）精准的喷油定时定时核查这对ME 电喷机，角度编码器的运用，对气缸油注油定时做到了精准；（3）气缸油供油和注油系统无异常 - 气缸油注油系统以及关键部件的检查和

5、日常管理；（ 4）合适的供油率、注油量或注油比控制；（ 5）燃油质量包括含硫量以及燃油喷射系统管理日常运行管理； （ 6）缸套和活塞环的配合（各种间隙） /材料、活塞头部和活塞裙的状态；（7）合适或处于合理范围内的主机运行工况运行参数以及运行参数调整主机负荷控制与运行管理； （ 8）SWEEP TEST 以及通过扫气口检查气缸状态和分析实验、验证与反馈；（ 9）扫气箱泄放系统以及残油的化验 （TBN 值以及铁谱分析） 辅助手段；4. 以上 9 个要素中，（1）和（ 2）要素虽然重要但不是船舶运行管理的重点。 （ 3）-（9）才是主机运行管理关键要素，也是目前船舶主机运行管理中存在问题较多的方面

6、。 本文试图从第四个要素：气缸油注油率、注油量和注油比的理论和实践的角度，做一些分析与探讨。 二：气缸油注油率和注油量气缸油注油率：每小时每 KW 功率（有效输出功率）对应气缸油注油量（克） 。这是气缸油控制的重要参数之一。对 MAN B&W MC/ME 机，通常气缸油注油率控制在 0.60-1.60G/KWH 。气缸油注油量：主机或主机某个缸单位时间内气缸油注油量。按照气缸润滑理论，注油量才是核心和关键。注油量控制只能通过控制注油率来实现，就如通过压力控制实现流量的控制一样。对主机所有缸而言，注油量单位是KG/H 或 L/H。但就某个缸而言，注油频率和每次注油量才是关键参数。特别是A

7、LPHA 电子注油器，由于每次注油的量是固定的，改变的是注油频率。凸轮传动的老式机械式注油器，气缸油注油量按照主机转速控制，或注油量与主机转速成正比。这时，气缸油注油率仅仅是指在MCR 下的注油率，当主机在部分负荷下运行，气缸油注油量随着主机转速下降正比下降，但由于功率和转速是3 次方正比关系，气缸油注油率随转速下降反而大幅度上升。当ALPHA 注油器运用在MC/MC-C 以及 ME 电喷机后（ ME-B/C气缸油注油系统是ALPHA 注油器系统的升级版，有区别但关于注油率、注油量的控制基本原理是一样的），气缸油控制模式分为三种： RPM 模式、 MEP 模式和 POWER 控制模式。 MC-

8、C 系列以及 ME-B/C 电喷机，在主机常用负荷范围（ 25-100%MCR ）内，气缸油注油量按照 POWER 模式控制，注油量和主机功率正比，但气缸油注油率保持不变。4.请参见下面来自于MAN B&W的图表：对固定桨主机，若在 MCR 下的注油量是100%，随转速的变化， 在不同气缸油控制模式下注油量变化曲线。可以这样理解：仅仅在MCR点（三种模式交叉点） ，不论是 RPM 或是 MEP 或是 POWER控制，当注油率相同时注油量都是一样的。当在部分负荷下，同样的主机转速和同样的功率下，若按照PRM 控制，注油量最大，注油率也最大；按照MEP 控制和 RPM 控制模式比较，同样转

9、速 %下注油量减小幅度加快，注油率增幅降低；而按照 POWER 控制模式， 注油率不变， 注油量最小。 比如：当转速为 80%时，按照 RPM 控制模式， 注油量降低到80%，而按照 MEP 控制模式，注油量降低到63%，在 POWER 控制模式下，注油量大幅度降低到 50%。这也是为什么 ALPHA 注油器主机的气缸油消耗量（同样注油率设定）节省气缸油的根本原因之一。三：气缸油注油比和注油率： 1. 假如主机的转速是 n （ rpm ）, 运行中的油门为 f(%) ，输出功率为 Pe (KW) ，使用的气缸油的密度在 45 度时为 d g/cm3, 每 24 小时消耗的气缸油是 V (L),

10、 主机消耗重油是D 吨/天，主机燃油单耗是qg/kwh ，主机平稳运行。那么，主机实际气缸油注油率：F=（ q/d） *(V/D)*1/1000g/kwh(推导过程略）-（ A ）或者说：V/D=1000*(d/q)*F(L/吨)-（ B） 将（ V/D ）值定义为注油比 - 每消耗 1 吨燃油对应消耗的气缸油的量（ L) ；现在做如下分析： 1从公式 (B) 可知：若主机在某固定转速、油门和输出功率下，以及注油率下，注油比的大小仅仅和主机的燃油单耗q 成反比，或仅仅受到q 的大小影响，也就是和主机的燃烧状态有关。而若不考虑燃油单耗的影响，注油比仅仅和主机的气缸油注油率有关，或者说：气缸油注油

11、率和注油比是一一对应的； 但基于第二节的说明： 对 RPM 和 MEP控制的气缸油注油器，由于气缸油注油率随转速下降而变大，虽然燃油的单耗也会发生变化，但注油比在部分负荷下是逐渐变大趋势的。但下POWER 控制模式，注油比和主机的转速、大小没有直接关系，仅仅收到燃油单耗值的影响。2 对 MC-C/ME/ME-B/C 主机，由于气缸油注油量按照POWER 模式控制，分析和考察对比主机的注油比大小就很有现实意义：（ 1）：假如主机运行在设计负荷范围内运行，且 LCD 不动作，并假设燃油的单耗保持不变或影响不计，那么，注油比就可以反过来验证实际的气缸油注油率。 比如，主机在最常用的 60-85%MC

12、R 负荷范围内，若注油率设定在1.0 G/KWH ，在 45 度时气缸油的密度是 0.93，燃油实际单耗是 170 G/KWH 。那么，注油比 =1000*0.93/170*1=5.46 L/吨。目前大部分船主机燃油系统都有流量计，可以做到对主机的燃油消耗精确的测量包括气缸油的消耗量。因此，船舶每月的主机热工性能参数测量记录时，就可以增加注油比参数。若按照连续5-7 天的实际气缸油和燃油的消耗测量值计算得到的注油比接近5.46,就可以说明实际气缸油的注油率和设定值是一致的，气缸油注油系统也是正常的。（ 2）若新船主机试航时主机的气缸油注油率设定在1.5 G/KWH ，接船后气缸油油品不变，那么

13、按照主机试航参数（实际的燃油油耗和实际的气缸油油耗） ，就可以对应的绘制出主机试航当气缸油设定 1.5 G/KWH 时不同负荷下的注油比值。 按照前面的注油比计算公式， 当气缸油设定下降到 1.0 G/KWH 时，若燃油的单耗基本不变，注油比将变为试航时的 67%（若燃油的单耗发生变化， 需要修正）。就是说， 每台 ME-B/C 电喷主机都可以根据 SHOP TEST、试航报告以及实际运行数据得到一组：不同气缸油设定值时，不同负荷下注油比理论参考曲线，显然这条线和主机的SFOC 线基本上是相反的曲线。 （ 3）对 MC-C/ME-B 、 C 系列主机，不论缸径大小，缸数多少，功率大小，通过比较

14、气缸油注油比，就可以纵向和横向比较实际气缸油注油率，并和理论设定比较。下面1.3-1.6 就是具体说明： 1.3 同一条船不同航次，根据航次报表，结合主机气缸油实际每小时耗油量、主机燃油每小时耗量，以及主机月度测量报表计算得到的燃油单耗，就可以计算得到不同航次的不同的气缸油注油比。假如发现不同航次的注油比值差异很大，就需要核查：主机的燃油单耗是否异常？燃油质量异常？气缸油注油率设定是否修改？气缸油注油系统包括实际气缸油消耗量是否准确？气缸油注油系统是否异常？对电喷的 ME-B/C 主机 MOP 以及 PMI 功率估算是否异常？ 1.4 船队同类型主机横向比较：若主机气缸油注油比大小差异超过 2

15、0%以上，就需要核查其原因：气缸油设定的差异？气缸油注油系统是否异常？气缸油以及燃油的计量方面的差异？主机运行负荷方面的差异？ 1.5 不同船队船舶的横向比较：对同样 MC 或 MC-B/C 系列主机，很多机务喜欢比较气缸油注油率的大小。但这并不严谨。因为，若气缸油注油量控制模式不同，即便气缸油注油率设定相同，在部分负荷下实际注油率不同。比较的前提：第一是气缸油注油量的控制都是 POWER 模式，第二就是要看注油比的大小。 1.6 实际上，同样的 POWER 模式控制的主机，气缸油设定值一样，但经常发生同样负荷下气缸油耗量差异很大现象。或者说实际测量计算得到的气缸油注油率和设定值误差可能在 5

16、-15% ，这就导致气缸油注油率实际值和理论值的误差在5-15%（对此，参见下面第四节的详细说明）；这时，考察气缸油的注油比就显得更加有实际意义。试想：一台MANB&W MC-C或ME-C主机，气缸注油率设定值0.75G/KWH-好像很低，但实际上其机务报表显示主机气缸油的注油比在7.0 L/ 吨，或实际气缸油注油率是1.3 G/KWH，如何让人相信其所谓的气缸油设定值仅仅是0.75 G/KWH或其注油系统是正常的？2. 气缸油注油率、 注油量和注油比在本质意义上是相同的，仅仅侧重点不同而已或思考的角度不同而已。提出注油比的概念，包括测量计算注油比的大小、以及纵向和横向对比注油比，目的

17、是提供机务和一线轮机人员一种参考和评估的方法和途径。四：实际主机管理中的发现、气缸油注油率和注油比的控制原则实际主机管理中发现如下四个现象： 1 MAN B&W主机说明书对气缸注油率控制说的很详细，但对理论注油率和实际注油率的差异极其可能的原因说的不多或不够；2 ALPHA注油器说明书中明确是 MEP 模式但在 HMI 的模式选项栏选择的是POWER 模式，轮机长也不清楚； 3 对于电喷机，很多轮机长对MOP的估算功率如何得到的？燃油油门大小对气缸油注油量的影响，很多轮机长也不是很清楚；4有条船轮机长过度相信电脑 (MOP) ，对实际气缸油的消耗量不仔细测量，半年下来，当统计气缸油存量

18、时发现气缸油多出来了，再反过来核查发现主机的实际气缸油耗量仅仅是MOP 统计值的85%！ MOP气缸油注油率设定在 0.85G/KWH ，实际注油率仅仅是0.72G/KWH 。为什么会发生如此大的差异呢？2.ALPHA注油器，特别是 ME-B/C 的气缸油注油系统： 1对 ALPHA注油系统， MOP 电脑对气缸油的密度统一按照0.92（在 45度时）设定，注油器容积效率统一按照97%设定。但实际上主机使用 BN60 气缸油，在 45 度的密度是0.91 温度 40 度。通过计算，温度和密度的差异导致实际注油率和理论值小1%。2 注油器柱塞的实际容积效率，与气缸油管路设置以及管路是否干净、滤器

19、是否堵塞、注油器的进出口止回阀是否异常、注油器喷嘴止回阀是否异常以及系统是否有空气密切关联。对电喷机而言，控制注油器液压驱动油电磁柱塞异常磨损也会导致注油器柱塞有效行程减少，实际注油量减少。由于主机气缸油管路系统在新造船时酸洗不合格，内部污染导致注油器柱塞磨损甚至部分吸入止回阀漏，注油器的实际注油量降低，导致实际注油量比理论注油量小，而船员对 MOP 的气缸油流量显示仅仅虚拟值不清楚误认就是实际流量计的流量 (在 ME-B/C 电喷机的气缸油管路系统， 是没有设计流量计的 )，就没有对实际消耗量测量和比较。 3ALPHA 注油器的注油量 =估算功率 * 注油率。对 ME-B/C 电喷主机， M

20、OP 估算功率 =转速 %* 油门 %* 额度功率。但 MOP显示的主机油门值，并不一定是最准确的，或从设计的角度看本身就是近似值。而且由于其他原因，MOP 的估算功率和实际误差可能高达7%（在 MAN B&W服务工程师的邮件回复中，也承认在对主机功率的估算误差在5%，但理论注油量和实际注油量的误差不应超过10%）。4就是由于以上3方面的原因，导致一条船主机实际气缸油注油量和理论注油量误差高达平均15%！气缸润滑的主要作用有5 个：润滑缸套和活塞环 +带走热量 +密封 +清洁 +中和燃烧物中的酸。因此，气缸油注油量与：缸内的负荷（热负荷以及机械负荷）+燃烧物中硫含量+缸套和活塞环的材料

21、以及配合间隙四个关键因素相关。这也决定了不同的主机运行状态、不同的缸套与活塞环状态，需要的气缸油也是不同。因此，对气缸油注油率控制应该是动态的相对概念，没有绝对的标准。 MANB&W 推荐的最低到 0.6 G/KWH ，不能说不可以实现，但这是有条件的，仅仅是理想状态。能不能？需要具体分析；到底是不是？简单的看气缸油设定值是不准确的，甚至是和实际大相径庭的。 4. 基于前面三点所述， 提出 3 点大家探讨或展开： 4.1 注油率的大小不应该理解为一个点，而是一个带。这个带的范围至少是 20% ；4.2 注油量比注油率更重要，特别是对POWER 控制气缸油的主机，若主机运行负荷比较的高（

22、 80%MCR 以上），过高的注油率是不合适的；而若负荷在40-65%MCR ，过低的注油率可能风险较大；若主机在 SUPERLOW STEAMING运行，由于按照RPM 控制气缸油，实际注油率高，可以适当的降低注油率的设定； 4.3 气缸油注油比是从另外一个侧面对气缸油率和注油量的诠释或解读。特别是对 ME-B/C 电喷机，由于 MOP 和 ON-LINE PMI 很方便估算主机输出功率， 对燃油单耗随时计算和评估，从而得到气缸油注油比。这为分析判断理论气缸油注油率与实际是否存在较大差异，进而为寻找导致异常的原因提供了一种新的方法和途径。气缸润滑仅仅是决定气缸状态的一个关键因素。通过扫气口检

23、查气缸状态并综合分析判断气缸油注油率是否合适， 包括说明书要求的SWEEP TEST 程序、扫气箱泄放残油的化验，合理调整主机运行参数，都是主机运行管理的内容之一也是比较有效方法和途径。五：MC-C/ME-B/C 主机异常状态下气缸油注油率控制初探（ 6 种特殊状态， 大家来探讨）1.SUPER LOW STEAMING运行时1 MAN B&W按照主机在25%MCR负荷，对应主机转速63%额定转速，油门为额度负荷的40%作为BREAKPOINT点。当主机的负荷低于25%MCR时，系统自动转为RPM 模式，而且 LCD 也将根据油门和转速的变化情况动作，注油量再增加 25%。对部分 MC

24、 或 ME-C 机，由于 ALPHA 注油器最小注油频率在 1 次 /15RPM ，实际注油量不会再减少，比如当主机负荷在 30%MCR 时注油频率已经是最小值每 15RPM 一次，这是 30%MCR 就是实际的 BREAK POINT点，气缸油注油开始按照RPM 模式控制，导致气缸油耗相对较多。因此，当主机在SUPER LOW STEAMING运行时，需要测量实际气缸油耗量，并结合扫气箱检查，必要的调整气缸注油率。 2 但 ME 主机超低负荷运行，发生低温腐蚀的概率也加大，为了避免发生低温腐蚀，气缸油注油量过小不能完全中和酸性物质。对此，也综合考虑。 2. 电喷机发生低温腐蚀时 ME-B/C

25、 电喷主机，由于长冲程高效率低排温，以及高扫气压力下空气中的湿度增加，缸壁温度过低，容易发生低温腐蚀现象。为了避免低温腐蚀，需要采取的措施很多：选用 BN 值 100 的气缸油； 保证空冷器水分离效果；增加缸套冷却水温度；适当增加扫气温度等等，而有的船通过增加气缸油注油率消除或减弱低温腐蚀。建议：当增加气缸油注油率时，对扫气箱泄放残油化验其TBN 值，若 TBN值已经较高，还是发生局部的低温腐蚀现象，就不能盲目的增加气缸油注油率。某缸气缸油注油系统失效，应急注油时由于此时气缸油的注油是随机的，定时和供应率都不固定，仅仅是暂时维持主机运行，应尽快修复故障，恢复正常的气缸油注油。 4.主机大风浪中

26、运行， 扫气压力或扭矩限制动作时当主机大风浪中航行时，由于主机负荷很大，MEP很高，但气缸油注油率还是按照POWER 控制并可能 LCD动作，需要对气缸油的实际耗油以及活塞下部空间温度，以及主机的 PMAX 以及 PCOM 参数密切关注和评估。是否需要调整气缸油注油率应按照实际情况综合分析定，即不能由于担心润滑不够而盲目增加气缸油注油率，也不能不顾及明显的活塞下部空间温度逐步升高，气缸润滑已经受到影响而不采取措施， 引起扫气箱着火。 5.主机缸内燃烧异常或热工参数严重偏离理想工况时，或AUTO TURNING功能失效或不用时：对带有PMI ONLINE AUTOTUNING电喷机，理论上可以做

27、到主机的运行工况接近理想工况（接近 SHOP TEST 工况），气缸注油率理论上的确可以控制的很低。但实际上的主机运行工况由于种种原因，会发生偏离，甚至严重的偏离。特别是当AUTOTUNING功能失效或不用时，轮机长没有及时核查和手动调整主机运行参数，导致 PCOM过高或 (PMAX-PCOM) 的差值过大，对气缸润滑影响较大。基本原则是：按照SHOP TEST 的工况点参数，尽量控制当主机的压缩比、 PMAX 、PCOM 以及各缸的PI 在合适的范围内。过高的压缩比或过高的(PMAX-PCOM) 会导致气缸润滑效果下降。反过来说，若压缩比或（PMAX-PCOM ）比较的大（虽然大可以降低SFOC），气缸油注油率需要适当的增加。当活塞环换用不同材料的活塞环时。需要注意的是： MC/ME主机的活塞环带有特殊的涂层材料，在换活塞环时必须使用同样材