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0 引言 降低能耗 、限制有害气体排放以及减少摩擦 从而提高可靠性是船用低速柴油机研究的主要目 标 。缸套−活塞环摩擦副的机械损失占整机摩擦损 失的 20%~40% [ 1-2 ] 。作为燃烧室唯一的摩擦副 ，缸 套−活塞环受到高温 、高压脉冲气体的冲击 ，还受 到因燃烧不完全产生的油泥 、积炭和酸性物质的 损害。 为了减少摩擦 ，提高缸套−活塞环摩擦副的可 靠性 ， 除了对缸套材料和活塞环涂层等进行工艺 方面的提升外 ，优化船用低速柴油机气缸润滑技 术也是关键 [ 3 ] 。船用低速柴油机气缸润滑是通过 注油器定时 、定量向气缸注入气缸油实现的 。对 该润滑技术的研究范围包括注油技术 、气缸润滑 效果的监测技术 ， 气缸油与发动机匹配技术等 。经过多年的发展 ，MAN 和 W 本文基于上述两大主机厂和主要零配件供应商气缸润滑产品的主要技术参数和技术特点，从新形势下低速柴油机气缸润滑面临的问题、气缸润滑效果的监测手段等角度分析船舶低速柴油机气缸润滑技术的最新技术进展。 1国内外研究现状 目前船用低速柴油机电控注油系统产品主要有 德 国 MAN Diesel & Turbo 公 司 的 ALPHA ACC（adaptive cylinder‐oil control，自适应气缸油控制系统）、丹麦 Hans Jensen 公司的 SIP （swirl injectionprinciple， 旋 流 喷 雾 式 气 缸 注 油 系 统） 和 中 船WinGD 公司的 PLS （pulse lubricating system，脉冲式气缸润滑系统）。以上 3 种电控注油系统的主要技术参数和技术特点见表1。
1. 1 ALPHA ACC 气缸注油技术 德国 MAN Diesel & Turbo 公司的 ALPHA ACC 注油系统前身为日本三井公司开发的 ALPHA ACC 注油系统 。ALPHA ACC 注油系统的单向阀注油嘴 及注油效果如图 1 所示 ，其技术特点为： ( 1 ) 液压 驱动注油器 ， 注油压力为 4. 0 ~ 5. 0 MPa。( 2 ) 采 用角度编码器将活塞的位置信号反馈至主控单元 以实现注油定时和气缸润滑优化。(3 ) 由负荷传 输器计算柴油机负荷 ， 据此计算合适的注油率 ， 实现注油率的动态调节 。ALPHA ACC 的电控注油 器由开关电磁阀控制的单次注油量恒定的 ALPHA MK I 注油器转为最新的比例电磁阀控制的ALPHA MKⅡ注油器： MK I 只能通过调整注油频率来动态 调节注油率 ；MKⅡ可实现注油量频率和幅值的动 态调节 ，控制更加柔性灵活和精细 ，更能适应大 型低速柴油机的复杂工况需求。
图 1 ALPHA ACC 单向阀注油嘴及注油效果 1. 2 HJ SIP 气缸注油技术 HJ SIP 电 控 气 缸 注 油 系 统 的 技 术 特 点 与 ALPHA ACC 注油系统类似 ， 都由电磁阀控制注 油 量 ， 区 别 在 于 其 取 消 了 传 统 的 带 止 回 阀 注 油嘴 [ 4 ] ， 采用带喷雾嘴和安全阀的注油嘴 ， 如图 2 (a) 所示 。SIP 注油嘴可沿一定角度喷射雾状气 缸油 ，使气缸油在压缩冲程前均匀分布在气缸壁 水平方向 ， 同时扫气旋涡气流将气缸油均匀分布 在气缸壁上 ， 增加了润滑油膜面积 ， 如图 2 (b) 所示 。在注油定时方面 ， ALPHA ACC 注油系统 选择在第一道活塞环经过注油嘴时注入 ； HJ SIP 注油系统选择在活塞上行 ，但还未将扫气口关闭 时注入 ，利用较高的注油压力将气缸油雾化 ，再 利用扫气气流将雾化的气缸油均匀分布在气缸套 表面。
Bach M 公司与 MAN B&W 公司合作 ，将 HJ SIP 电控气缸注油系统用在型号为 9S90ME‐C 的主机 上 [ 8 ] 。实船试验的对比分析表明 ：HJ SIP 气缸注油 系统在润滑油消耗率 、缸套磨损和气缸状态等方 面均优于第一代 ALPHA ACC 注油系统； 将新开发 的 ALPHA MK Ⅱ 电控注油器技术与 HJ SIP 注油嘴 技术组合可使气缸润滑达到最佳效果。 1. 3 PLS 气缸注油技术 中船 WinGD 公司前身为芬兰 Wärtsilä 公司低 速机事务部 ，其开发的 PLS 脉冲式气缸润滑系统 与 前 述 两 种 气 缸 润 滑 系 统 的 最 大 区 别 在 于 前 两 种为阀控式 ， 而 PLS 脉冲式气缸润滑系统为剂量 泵控式 。PLS 气缸注油技术基于一种独立电子控 制 的 新 型 气 缸 润 滑 注 油 器 ， 对 控 制 参 数 进 行 优 化 ， 能 匹 配 柴 油 机 不 同 负 荷 的 注 油 要 求 。 注 油 器 将 气 缸 油 以 一 束 、脉 冲 式 注 入 至 缸 套 的 “ 锯 齿形”凹槽 [ 5 ] ， 如图 3 (a) 所示 。第一道活塞 环 向 上 通 过 凹 槽 时 ， 将 凹 槽 与 气 缸 上 方 空 间 隔 断 ， 上 方 空 间 压 力 大 ， 下 方 空 间 因 活 塞 环 密 封 作 用 压 力 小 ， 在 压 差 作 用 下 凹 槽 内 的 气 缸 油 沿 凹 槽 输 送 到 下 方 ， 再 借 由 活 塞 环 运 动 均 匀 布 置至整个缸壁周围 ， 如图 3 (b) 所示 。缸壁垂直 位 置 气 缸 油 的 分 布 由 喷 射 定 时 控 制 ， 减 小 了 气 缸油的消耗量 [ 5 ] 。
柴油机运行时 ，气缸油从日用柜经过滤器流 至脉冲注油模块的剂量泵 (dosage pump)， 如图 4 所示 。
每个气缸均装有 1 个脉冲注油模块和 4~ 10 个 不 等 (与 气 缸 缸 径 大 小 有 关) 的 注 油 嘴 。柴 油 机 活 塞 的 运 行 位 置 由 连 接 至 控 制 系 统 的 曲 轴 角 度 传 感 器 监 测 ， 当 活 塞 运 行 到 一 定 位 置 时 剂 量 泵 输 送 气 缸 油 经 气 缸 注 油 嘴 注 入 气 缸 。RT ‐flex 型 船 用 低 速 柴 油 机 的 伺 服 油 源 自 带 减 压 阀的共轨伺服油管 ， 由 1 个独立的伺服油泵驱动 脉冲注油模块 。 贺玉海 [ 9 ] 对气缸注油系统进行仿真和试验， 研 制 出 一 种 新 型 电 控 气 缸 注 油 系 统 。该 注 油 系 统 主 要 由 主 控 制 单 元 、注 油 单 元 、气 缸 油 供 油 单 元 和 注 油 器 切 换 装 置 组 成 ， 通 过 步 进 电 机 转 动 凸 轮 轴 驱 动 油 泵 完 成 注 油 ， 其 技 术 核 心 是 通 过 主 控 制 单 元 控 制 步 进 电 机 的 转 速 实 现 对 注 油 量 的 动 态 控 制 。 经 实 船 验 证 该 新 型 电 控 气 缸 注 油 系 统 在 节 省 气 缸 油 消 耗 的 同 时 减 少 气 缸 套 的 磨损 。该 气 缸 注 油 系 统 气 缸 注 油 率 的 指 导 均 值 为0. 795 g/ (kW ·h)， 相较于最新的 ALPHA ACC 电控注油系统注油率的指导均值0. 650 g/ (kW ·h) 存在一定差距。 2 气缸润滑面临的问题 2. 1 由柴油机低速运行引发的问题 基于燃油价格上涨和航运市场的不稳定性 ， 船东不得不采取低速航行 [ 10 ] 的措施以节省燃油 。船用低速柴油机按照推进特性运行 ， 降低船速可 使主机功率呈 3 次方降低 ， 如船的名义航速从 27 kn 降至 22 kn (降低−19%)， 发动机功率将降至功 率的 42% ，每小时主机燃油消耗下降 58% ，如图 5 所示 。与此同时 ， 主机转速降低将增加冷腐蚀 [ 8 ] 和过度润滑的风险 ，加剧缸套磨损。
2. 2 使用低硫油和天然气引发的问题 《国际防止船舶污染公约》(MARPOL 73/78) 附则Ⅵ [ 11 ] 规定： 在 2015 年 1 月 1 日以后 ，船舶在 排放控制区 ( emission contral area ，ECA ) 航行时， 只能使用硫质量分数不大于 0. 1% 的低硫油或者采 用脱硫设备 ， 以保证达到 SOx 排放限值需求 [ 12 ] ；2020 年 1 月 1 日以后 ，在其他区域燃油硫质量分数 不超过 0. 5% 。使用低硫油时 ， 如连续使用碱值 (base number ，BN ) 为 70~80 的气缸油 ，可能会出 现严重的气缸润滑问题 。 因气缸油碱值过高会导 致氧化钙沉积收缩和硬化 ，这些硬化沉积物与缸 套表面摩擦导致缸套磨损 ， 同时使油膜破裂 ，严 重时还会破坏缸套表面珩磨纹 ，使缸套过度磨损 形成光洁表面 ，对后续润滑产生严重影响 ，应及 时选择 BN 40 或者 BN 50 [ 13 ] 的气缸油 ，并定期通 过扫气口检查活塞环/缸套的运行情况 。天然气的 主要成分是甲烷 ，燃烧产物不含 SOx 等酸性物质， 因此在选择气缸油时应重点关注其黏度 。气体机 一 般 选 择 SAE 40 、 灰 分 含 量 低 的 高 品 质 气 缸 油 [ 14 ] 。考虑到模式切换 ，双燃料低速机一般须选 择两种不同 [ 3 ] BN 值的气缸油 ，并分别储存。 3 气缸润滑效果监测手段 以往为避免拉缸机械式注油器往往选择较大 的注油率 ，但这会造成气缸油消耗率高 ，也会引起缸套的异常磨损 [ 5 ] 。随着电控技术的发展 ， 电 控注油器能够更精准 、精确地将气缸油注入缸套。电控注油器注油率的确定除综合考虑燃油的硫质 量分数 、负荷和气缸磨合状态等参数外 ，更多地 还是依靠主机服务商结合大量的售后经验给出合 适的注油率指导值 ；换言之 ， 电控注油器注油率 的确定为前馈控制 。面对新形势下船用低速机复 杂多变的工况 ，这种无反馈的控制方式具有局限 性 ， 因此对气缸润滑效果监测手段的研究显得尤 为重要。 3. 1 扫气箱残油成分分析 气缸油定时定量注入润滑缸套 ， 润滑后的气 缸油一部分进入活塞顶上方燃烧 ，更大一部分则 随着活塞运动进入下方的扫气箱 ，形成扫气箱残 油 ，如图 6 所示 。冷腐蚀 、磨损常常在柴油机运行 过程中发生 ，这一过程形成的 Fe 化合物会随气缸 油进入下方扫气箱 。通过对残油中 Fe 的质量分数 和碱值的分析 ， 可反馈气缸润滑效果的好坏 ，评 估活塞环−缸套磨损程度 ，作为确定气缸注油率的 参考依据之一 ，据此对气缸注油率进行优化 [ 15-17 ] ， 可实现在不增加甚至降低缸套磨损的情况下降低 气缸油消耗量 ， 提高柴油机运行经济性 ，减少排 放 。更进一步 ，通过分析残油中磁性金属 Fe 颗粒 和非磁性含 Fe 化合物 ，如硫酸铁和铁锈的质量分 数量 [ 18 ] ，可以定量评估发动机磨损与冷腐蚀情况。但这种方法的局限性是须定期取样检测残油的成 分 ，且只针对取样样品有检测意义 ，仅代表取样 之前某段时间发动机的润滑状态 ， 以此为依据指 导轮机员对发动机的运行参数做出相应调整是一 种滞后的控制方式 ，且自动化程度较低。
图6 气缸油进入扫气箱形成扫气箱残油 3. 2 温度和声发射监测方法 缸套的异常磨损会导致缸套温度发生异常变 化 ， 因此可对缸套温度进行实时监测 ， 如图 7 所示 。
主要的温度监测系统有 T‐MAS [ 19 ] 系统和 W
对缸套和活塞环异常磨损与 声发射信号间关系的研究结果表明 ，声发射信号 的均方根值和特定频率快速傅里叶变换 ( fast Fou ‐ rier transform ， FFT ) 振幅的变化是缸套和活塞环 严重损伤的前兆 。 由于缸套−活塞环在气缸中部的 黏滞摩擦力产生的声发射信号为高频信号 [ 21 ] ，须 配备高采样设备和具备快速计算能力的硬件 ，成 本较高 ，是否能持续在线监测有待观察。 3. 3 磁阻监测方法 基于磁阻传感的船用低速柴油机活塞环磨损 在线监测方法通过监测因活塞环磨损产生的磁阻 变化来判断其磨损状态 ， 可用于定量分析活塞环 的磨损状态 ，从侧面反映气缸润滑效果 。 国外现 已实现应用的活塞环在线监测系统有 SIPWA‐TP 系 统 [ 22 ] 和 CDS 系 统 中 的 活 塞 环 分 析 (piston ring analysis) 模块 [ 23 ] 。但目前利用磁传感器监测活塞 环磨损都须对活塞环进行额外处理 ， 因此该方法的通用性 、互换性不强 [ 24 ] 。国内彭章明等 [ 25 ] 将仿 真计算结果与实船试验结果进行比对分析 ，得出 磁阻传感器输出与活塞环磨损量存在线性关系 ， 与缸内燃烧状态无直接关系 。这种方法只能间接 监测气缸润滑效果 ，且活塞环磨损是一个长期累 积的过程 ，通过这种方法在短时期内难以评价气 缸润滑效果。 3. 4 其他监测手段 其他监测手段是针对活塞环−缸套的摩擦学特 性进行监测 ， 监测的参数是摩擦力和油膜厚度 。摩擦力的测量方法主要有浮动缸套法和指示平均 有 效 压 力 (indicated mean effective pressure， IMEP ) 法 。油膜厚度的测量方法主要有电学法， 包括电容法 、电阻法 、超声波法 [ 26-27 ] 和激光诱导 荧光法 [ 2 ，28 ] ，这些方法都仅在实验室或者车用发 动机领域应用 ，未见在船用低速机领域应用的相 关文献报道。 4 气缸润滑技术的发展方向 4. 1 开发更为接近实机的模拟气缸润滑试验台 低速柴油机一般作为船舶主机使用 ，其单缸 功率可达约 6 689 kW ， 1 台 12 缸低速柴油机的输出 功率可达到 80 000 kW [ 13 ] ，其转速一般在 200 r/min 以下 ，气缸直径一般为 350~980 mm 。 1 个气缸配 备 1 个气缸注油单元 ，根据气缸直径的大小配备 4~ 10 个数量不等的注油嘴 。新开发的气缸润滑技术 往往先在模拟气缸润滑试验台上进行试验验证 ， 因此基于在船舶运营过程中不断积累的试验数据 开发出更为接近实机的气缸润滑试验台对气缸润 滑技术的发展意义重大。 4. 2 研发船舶低速机缸套油膜厚度监测传感器 前述几种气缸润滑效果监测方法都为事后监测 ，存在一定的滞后性 ， 即缸套−活塞环磨损或者 严重磨损已经发生 。对气缸油膜厚度进行监测可 更直接地反映气缸润滑效果 。图 9是船用低速柴油 机智能气缸注油系统示意图 。
该系统利用油膜厚 度传感器实时监测缸内润滑状态 ，然后将相关信 息传输给气缸注油控制器 ；气缸注油控制器结合 气缸油状态 、二次测量结果 、辅助系统参数及人 机交互的输入参数等 ，经综合判断给出当前最优 注油量 ； 电控注油器和注油嘴将适量的气缸油注 入气缸 ，并由剂量检测单元反馈 。该系统较第二 代电控注油系统的优势在于可根据油膜相关参数 实时调整注油量 ， 实现降低缸套磨损和降低气缸 油消耗的目的。 4. 3 开发更为精准的活塞环−缸套润滑模型 可通过更为精准的活塞环−缸套润滑模型评估 活塞环是否漏气 ， 预测活塞环的润滑状态和气缸 油消耗率 [ 29 ] ，从宏观上计算出缸套−活塞环的磨损 量 ，为优化活塞环−缸套表面结构及气缸注油系统 提供理论依据。 5 结论 ( 1 ) 目前对气缸注油系统注油率的控制已由 调频控制向调频 、调幅等更多元化 、更精准的控 制模式转变 ，但均为前馈控制 ，对注油率的优化 须借助大量实船服务数据 。对气缸套油膜厚度的 实时评估技术将是下一代智能气缸注油系统的关 键技术。 ( 2 ) 船舶低速航行可节省燃油 ，但同时会增 加冷腐蚀和过度润滑的风险 。选择低硫油作为燃 料时应相应选择低碱值气缸油 。低速天然气发动 机气缸油的选择应更加注重其黏度。 ( 3 ) 现有的气缸润滑效果监测技术均为事后 监测 ， 尚不能实现持续在线监测。 ( 4 ) 气缸润滑技术的发展方向为开发更为接 近实机的模拟气缸润滑试验台 ，研究适合船舶低 速机缸套油膜厚度的监测传感器 ，并开发更为精 准的活塞环−缸套润滑模型。 参考文献略 来源：柴油机，作者范玉等 |
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的 MAPEX [ 5 ] 系统 。缸套温度监测系统通过比 对缸套表面正常温度 ，在缸套活塞环发生过度磨 损前报警 ， 同时也可以通过监测缸套的温度发现 潜在的问题 。这种方法的局限性是温度为缓变信 号 ，反应速度较慢 , 因此这种监测手段更多地是 一种保护措施 。另外一种监测方法是声发射预测 法 [ 20-21 ] ，如图 8 所示 。
