56第六节气缸润滑.docx

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56第六节气缸润滑

第六节气缸润滑

柴油机气缸润滑是一个复杂而重要的问题。

在大型十字头式柴油机中，气缸润滑是一

个独立的润滑系统，其润滑设备、滑油品质以及运转管理均需特殊考虑。

在当代柴油机高强化、燃油劣质化的发展中，对气缸润滑提出了更加苛刻的要求。

一、气缸润滑的工作条件

气缸润滑的特殊性首先在于高的工作温度。

通常，气缸套上部表面温度约为180~220℃，

气缸套下部表面温度约为90~120℃，活塞环槽表面温度根据测量点位置和活塞顶的设计在

100~200℃之间。

高温会降低滑油粘度，加快滑油氧化变质速度，并使缸壁上的部分油膜蒸

发。

其次，活塞在往复运动时的速度在行程中部最大，在上、下止点处为零。

因此只有在活

塞行程中部才有可能实现液体动压润滑，

而在上、下止点处则不可能。

特别在上止点处，气

缸中的温度最高，活塞环对缸壁的径向压力最大，

即使滑油能承受这样的高温，也只能保证

边界润滑条件。

柴油机使用劣质燃油后给气缸润滑带来了新的

问题。

这主要是由于劣质油的高硫分、高灰分、高

残炭值和高沥青值引起的。

如前所述，此时会对气

缸造成低温腐蚀、固体颗粒磨损、结炭增多以致引

起活塞环粘着和气口堵塞等故障。

另外，活塞顶与

环带部分变形也使气缸润滑的难度增加。

由于上述原因气缸套特别是其上部，很难形成

连续完整的油膜，因而一般在气缸套的上部第一道

活塞环上死点对应的位置磨损特别严重。

图5-6-1

所

示为一台二冲程直流扫气柴油机的气缸套磨损量随

图5-6-1气缸套磨损量随行程变化规律

行程变化的规律。

该柴油机使用劣质含硫燃油。

上

限曲线表示使用低碱值气缸油，

下限曲线表示使用高碱性气缸油。

由图可见，气缸套最大磨

损量均发生在缸套上部。

采用高碱性气缸油可大大降低缸套腐蚀量，

上、下限曲线间的影线

部分可认为系由酸性腐蚀所引起的磨损。

二、气缸润滑的作用和润滑方式

1．气缸润滑的作用

（1）减少摩擦损失和防止气缸套及活塞的过度磨损；

（2）带走燃烧残留物和金属磨粒等杂质；

（3）帮助密封燃烧室空间；

（4）在金属表面形成油膜，可防止燃气与金属接触，以免产生腐蚀；

（5）减轻噪声。

2．气缸润滑方式

气缸润滑一般可分为飞溅润滑和气缸注油润滑两种方式。

（1）飞溅润滑

飞溅润滑靠从连杆大端甩出并飞溅到气缸壁上的滑油来润滑，一般不需要专门的润滑

装置。

气缸滑油与曲轴箱滑油属同一油品且循环使用，在活塞裙部需装设刮油环以便把飞溅到缸壁上的多余滑油刮回曲轴箱。

这种润滑方式适用于筒形活塞式柴油机。

（2）气缸注油润滑

气缸注油润滑使用专用的润滑系统及设备（气缸注油器、注油接头），把专用气缸油经

缸壁上的注油孔喷注到气缸壁表面进行润滑。

其注油量可控，喷注的气缸油不予回收，国外

称为“OnceThrough”。

这种润滑方式能保证可靠的气缸润滑，而且可选择不同质量的气缸油以满足缸内润滑的不同要求。

目前在十字头

式柴油机（均装设横隔板）中均使用此种润滑方式。

图5-6-2为某柴油机的气缸注油润滑系统图。

在某些中速筒形活塞式柴油机中，气缸润滑除采用飞溅润滑方式，还采用注油润滑作为气缸润滑的辅助措施。

三、气缸注油润滑

1．对气缸油的要求

良好的气缸油应具有如下性能：

（1）润滑性气缸油必须在活塞与气缸壁之间形成适当厚度的油膜，并能良好地润湿金属，以减少滑动摩擦和磨损。

鉴于气缸润滑处于边界润滑条件，因而要求气缸油应具有良好的油性、极压抗磨性。

（2）粘度及粘度指数气缸油在较高温

图5-6-2气缸注油润滑系统图

度下应有适当的粘度，并能迅速分布到整个工作表面，而在起动时粘度又不致太高。

即要求

气缸油应有适当的粘度（通常在100℃时为14~20mm2/s）和较高的粘度指数（75~95）。

（3）清净分散性气缸油应能抑制在活塞和活塞环上形成漆膜和沉积物；具有良好的蔓延扩散性；具有能使炭渣变为微小颗粒悬浮在油中的能力。

（4）中和性能气缸油应能中和燃用劣质高硫燃料时生成的硫酸。

要求气缸油具有一定的碱值（TBN约为40~100mgKOH/g）。

把气缸套、活塞环的主要磨损——腐蚀磨损减至容许值。

（5）蔓延扩散性气缸油每次注油量是很少的，为了在整个气缸壁表面形成完整的油

膜，气缸油应具有良好的蔓延扩散性。

这对于长冲程的柴油机更为重要。

蔓延扩散性的优劣还影响到中和性和注油量。

蔓延扩散性好，油膜的中和作用就发挥好，油本身的碱值可以低些，注油量也可减少。

（6）抗氧化性气缸油应在气缸内高温下有良好的抗氧化性，防止生成积炭沉积物，使活塞环区及气口处沉积物减至最少，使缸壁上的油膜得以保持。

（7）其他气缸油燃烧后生成的灰分应尽可能少，且不属于硬颗粒的磨料物质，应具有良好的密封性和贮存稳定性等等。

从上述要求可见，纯矿物油无法完全满足这些要求。

近代的气缸油都是选用优质的矿物润滑油作为基础油，再加入各种效能的添加剂制成的。

在各种添加剂中碱性添加剂占有最重要的地位，从某种意义上讲，劣质燃油能否使用，在很大程度上取决于这种添加剂的效能。

近代使用的碱性添加剂均属于油溶性的物质，具有良好的贮存稳定性。

2．气缸油的种类

根据机型和运转状态的不同要求，有如下几种：

（1）SAE50粘度等级，此类气缸油使用广泛，总碱值可覆盖10~100。

燃用不同硫分的

燃油应选用不同总碱值的气缸油，如表5-6-1所示。

现在低速机均是直流扫气的机型，各柴油机公司都推荐采用SAE50粘度等级的气缸油。

表5-6-1气缸油总碱值的选用范围

机型

B&WSULZERFIAT

选用值

S%

＜0.8

1~2

2~3

＞3

＜0.50.5~1.01.0~1.51.5~2.5

＞2.5

＜1.01.0~1.8

1.8~2.5

＞2.5

TBNmgKOH/g

5~7

10~40

40~70

70

55~1010~2020~40

40~70

11~25

35~50

＞50

表5-6-2国产船用气缸油标准

项

目

10号船用气缸油

40号船用气缸油

70号船用气缸油

试验方法

运动粘度（100℃）,mm2/s

15~18

14~19

17~21

GB265

总碱值（mgKOH/g）

12

40

65~72

SY2455

凝点（℃），不高于

-5

-10

0

GB510

开口闪点（℃），不低于

215

215

220

GB267

机械杂质（%），不大于

0.01

0.02

0.005

GB511

灰分（%），不大于

0.5

40

实测

GB508

企业标准编号

甘Q/SY8044-77

甘Q/SY8042-75

沪Q/GQ3-062-82

（2）SAE40粘度等级，总碱值为40。

原先弯流扫气的机型一般是使用SAE40粘度等级的气缸油，主要是考虑防止扫排气口中沉积物过快堆积。

（3）粘度等级大于50，总碱值有70、85、100，用于长冲程高负荷柴油机。

（4）不含添加剂的SAE50高粘度气缸油，用于新发动机及换新缸套磨合使用。

国产气缸油性能指标见表5-6-2，国外各种气缸油性能指标见表5-6-3。

3．气缸油、注油定时和注油率的选择

1）气缸油的选择

选择气缸油时，一般应根据所使用燃油的硫分来选择气缸油的总碱值。

根据使用经验，

使用高硫分（S＞2.5%）的燃油，气缸油的TBN应为65~70；S＜2.5%者，TBN约为40；使用含硫量小于0.5%的燃油时，TBN约为10~14。

近代有些工作条件严酷的柴油机已采用

TBN100的气缸油。

一些柴油机制造厂曾根据燃油的硫分，推荐出理论上的气缸油总碱值，

但这种匹配关系在实践中却不易执行。

其主要原因

在于远洋船舶需要在世界不同港口加装燃油，在决

定加装燃油时，习惯上均以粘度等级为准，而相同

粘度等级的燃油硫分随产地不同又有较大差别。

对

这种差别船上事先无法获得有关数据，无法根据燃

油硫分的变化来改变气缸油的总碱值。

在多数情况

下，船上只备有某一总碱值的气缸油。

因而在实践

中总碱值与燃油硫分的匹配比较粗糙。

只是在长期

使用低硫分燃油时才酌情选用总碱值低（

10~14）的

气缸油。

如此时仍使用高碱值气缸油，则可能在缸

内出现由大量碱性添加剂所形成的大量灰白色沉积

物（通常为含钙盐类）。

为了检查运转中柴油机使用

图5-6-3

气缸腐蚀部位

的气缸油碱值是否足够，可以对从气缸中刮下的残

油（在活塞杆填料函处取样）进行化学分析，若残油仍呈现一定碱性（

TBN大于10），则说

明气缸壁上的油膜有足够的碱性储备。

此外，还可以用直观法加以判断。

一般地由于活塞的

往复运动，注入气缸的滑油油滴容易迅速分布到注油孔上、

下部的狭窄表面上，而沿圆周方

向的扩散速度较低。

因此若气缸油碱性较低，则在各注油点之间的缸套表面上出现漆状沉积

物，如图5-6-3所示，使铸铁缸套表面被腐蚀而发暗（镀铬缸套则出现白斑）。

2）气缸注油孔的数量和位置

气缸注油孔的数量与油孔两侧人字形布油槽的形状对注油润滑有很大影响。

在正常情

况下，气缸注油孔（8~10个）沿缸套圆周均匀分布。

如油孔数太多易引起各注油孔注油不

稳定。

气缸注油孔的位置随机型而异。

通常，近代大型柴油机注油孔多在缸套中上部（高位

注油孔），而四冲程筒状活塞式柴油机的辅助注油孔多分布在缸套的下部（低位注油孔）。

3）注油定时选择

通常认为注油定时应选择在活塞上行使注油点位于第一、二道活塞环之间时向缸内注

油。

但实践证明，现有的注油设备难以做到准确地定时向气缸注油。

实验研究表明，只有气

缸内压力低于注油管中的油压时，气缸油才会注入缸内。

在短活塞柴油机曲轴回转一转中，

这种机会一般有两次：

一次是活塞上行到上止点附近，活塞的下边缘打开注油孔；

另一次是

活塞在下止点附近，缸内正在扫气时。

注油器向注油接头注油次数随机型而异，通常约

2~4

个活塞行程注油一次。

4）注油率的选择

气缸油的注油率应当适宜。

注油率太大，不但浪费而且会使活塞顶面、环带区、气口

和排气阀处的沉积物增多，引起活塞环和排气阀粘着，使气流通道部分堵塞。

同时多余的气缸油还会沉积在活塞下部空间、扫气箱和定压增压排气管中，导致扫气箱着火。

注油率太小，

则难以形成完整的油膜，而使活塞环与缸套磨损加剧和漏气增多，漏泄的燃气又会破坏缸壁上的油膜导致发生拉缸事故。

因而存在一个最佳注油率。

直流扫气柴油机的气缸油分布特性

与弯流扫气者不同（由气体的流动形式和活塞裙长度不同引起）

，因而弯流扫气柴油机的最

佳注油率一般较直流者为大。

新型柴油机的推荐注油率较老型机为大。

表

5-6-4所示为有关

厂家推荐的最佳注油率。

在实际应用中，一般的趋势是注油率过大，

这主要由管理者的主观

因素造成。

不同类型的柴油机的注油率在不同工况下各不相同，

最适宜的注油率应根据推荐

的注油率并综合考虑活塞环的状态、缸套磨损率的大小以及柴油机部件的拆检周期来确定。

如缸套内壁表面湿润、干净，首环半干半湿，其余环湿润，活塞在环槽内活动灵活，环外圆

表面光亮，棱边无毛刺，则气缸注油率适中。

一般说来，燃用劣质燃油、长冲程的柴油机注

油率大一些；柴油机在起动、机动操纵、负荷变化大的工况下，

注油率应加大；通常运行时，

应按柴油机实际负荷调整，与

pe成正比；持续低负荷运行时，注油率不能低于某一定量。

表5-6-4气缸注油率

制造厂

机

型

气缸注油率（g/KW·h）

制造厂推荐值

实际使用经验值

SULZER

RD

0.95

1.0~1.36

RND

1.22

1.0~1.36

RTA

0.8

1.0~1.36

B&W

VT2BF

0.54

0.54~0.68

KEF

0.68

0.8~0.95

MAN

KZ

0.80

1.09~1.90

KSZ

1.09

1.09~1.90

MAN-B&W

MC/MCE

0.8

三菱重工

UEC85/160C

0.55~0.80

1.09~1.77

沪东

ESDZ43/82B

0.68

0.68~1.09

4．气缸注油率的计算

气缸注油率通常是按柴油机标定功率来确定的，

下运行，这样气缸注油率应随柴油机负荷的降低而减少。

但柴油机实际使用中一般并不在此功率

如气缸注油器属“负荷调节”式（参

见后述），当计算负荷变化后的注油率时，可以实际平均有效压力为依据。

如标定工况的气

缸注油率为Ab=（x）g/kW·h，则在负荷变化为90%标定值时，其气缸注油率A'=90%Ab。

应当指出，当柴油机处于连续低负荷运转的特殊情况下，注油率绝对不能低于该机标定注油率的40%。

若气缸注油率属“转速调节”式，则在转速变化后其气缸注油率应按下式计算：

气缸注油率=G·nb·z/n·Nb（g/kW·h）（5-6-1）

式中：

G——柴油机气缸油消耗量，g/h；Nb，nb——分别为标定功率（kW）和标定转速（r/min）；

n——实际转速，

r/min；z——气缸数。

尽管采用合适的注油率和适当的总碱值（TBN）能比较有效地控制活塞组件的磨损，然而当所用燃油与润滑油配合不良时，仍不免会引起腐蚀和磨料磨损。

因而有必要用综合参数“碱总量”（BT）对磨损进行定量分析。

BT∝注油率

xTBN

mgKOH/kW?

h

（5-6-2）

调查结果显示，对应于某一注油率和TBN值，存在一个合理的BT范围。

处于磨合期的气缸

活塞组件，为了加速磨合，通常采用无添加剂的精炼润滑油，其牌号应与所用燃油含硫量相匹配。

因为该滑油具有较强的承载能力而不阻碍硫分对工作表面的

腐蚀（一定的腐蚀有利于磨合）。

在任何条件下均不应使用高碱性气缸油，那样会使磨合期加长且无法控制，容易造成磨合未完成就加大负荷，导致剧烈的磨损和

擦伤。

而在整个磨合期的各个不

同阶段还应适时换用不同碱值的气缸油。

磨合期的气缸注油率目前尚无一致

的标准，比较公认的做法是增加注油率20~100%，随着负荷的提高逐渐减少过量滑油。

通常认为在磨合期使用硫分大于1%的燃油对磨合有利。

在这方面各造机

厂家的具体做法不同。

图5-6-4所示为一种注油率调整规范。

5．气缸注油设备

气缸注油的主要设备是注油器和注

油接头。

气缸注油器由多个柱塞式油泵单元

组成，其驱动方式有机械式和液压式两种。

机械式由凸轮轴或其它运动部件带

动，其结构简单可靠，使用广泛。

液压式

用于新型柴油机，例如SulzerRTA型柴

油机，如图5-6-5所示。

注油器5由液压

马达4驱动，而4由负荷指示轴3控制。

图5-6-4磨合期气缸注油率调整规范

图5-6-5液压马达驱动的注油方式

1-流量调节阀；2-调节手柄；3-燃油负荷指示轴；4-液压马达；

5-注油器；6-齿轮泵；7-凸轮轴

注油器注油量的调节方式有“转速调节（等速率调节）”式和“负荷调节”式两种。

前

者注油量与柴油机转速成正比，后者注油量随负荷变化而自动调节。

由于后者可改善随转速

调节在低负荷运转时注油量过大的弊病，因而新机型多采用，如SulzerRTA型柴油机注油

方式（如图5-6-5所示）。

气缸注油润滑有脉动式和蓄压式两种。

在脉动式注油方式中，注油器中柱塞泵的柱塞在加压行程中向气缸注油器接头压送滑

油。

为了保证活塞上行通过注油点时能定时供油，柱塞与活塞的运动是相对应的。

而实际上，

滑油只有当气缸内压力低于注油器出口管内压力时，注油接头处的止回阀才开启向气缸内注油。

蓄压式注油方式中，柱塞泵出口的油进入各注油接头处的蓄压器内，在该压力与气缸内压力差作用下自动注入气缸。

注油接头穿过气缸冷却水空间安装在气缸套各个注油孔内，图5-6-6为蓄压式注油接头。

蓄压器贮存气缸油并使注油接头内维持一个恒定压力。

注油器每次排油量很小，仅使

系统内压力升高0.15~0.20MPa。

止回阀防止缸内燃气倒冲入注油接头，当缸内压力低于蓄压器内压力时，止回阀开启，气缸油自动注入气缸。

图

5-6-6

蓄压式注油接头

气缸注油器的形式较多。

图5-6-7所示为B&W型柴油机所使用的“转速调节”式HJ

型气缸注油器。

该注油器每缸设置一个，由多个柱塞式油泵单元组成。

柱塞12由凸轮轴上

的凸轮4驱动，凸轮轴2由驱动轴1经齿轮带动。

驱动轴的转速为柴油机转速的1/2。

气缸

油流动路线为吸入阀14、15→排出阀17、18→观察管19→止回阀22→出油管至注油接头。

由观察管内钢珠20的浮动情况可判断各泵的注油量。

油泵的单调可用调节螺钉21进行。

总

调由外部转动偏心轴24实现。

排出阀17、18之间的螺钉可用于排出工作腔内的空气。

图5-6-7HJ型气缸注油器

1-驱动轴；2-凸轮轴；3-贮油箱；4-凸轮；5、6-传动齿轮；7-浮子；8-盖；9-滤网；10-滑阀；11-滤网；12-油泵柱塞；13-

弹簧；14、15-吸入阀；16-泵体；17、18-排出阀；19-观察玻璃管；20-钢珠；21-调节螺钉；22-止回阀；23-摇臂；24-偏

心轴；25-加热元件