叶小娟，杨绳政，黄歆，邓冰，陈柳安

(广西北海玉柴马石油高级润滑油有限公司，广西 北海 536000)

0 引言

为了满足国家日益严苛控制环境污染的政策，环保部要求非道路移动机械柴油机排气污染物从2020年要达到国家第四阶段控制水平[1-3]。从2020年12月1日起，凡不满足标准的要求非道路移动机械用柴油机不得生产、进口、销售和投入使用[4-7]。政策法规的日趋严苛促使了内燃机对零部件及其自身整体性能的要求越来越苛刻，OEM不断创新开发高效率发动机动力系统，尤其是像活塞部件在高温高压燃气环境下工作的稳定性将会影响到内燃机的整体性能。在发动机开发时，柴油机油在使用过程中易产生沉积物，包括积炭、漆膜、油泥和锈蚀，其中漆膜、油泥和锈蚀又称为非积炭沉积物；积炭的产生会引起发动机的动力性和经济都大大降低，严重会使活塞环失去弹性而卡死，破坏润滑系统的工作，发生烧瓦抱轴事故。以下以一例CI-4柴油机油使用过程出现因积炭导致活塞环卡死的原因进行分析[8-9]。

1 试验概述

使用发动机F38160-T400 进行5000次冷热冲击可靠性试验(标定点怠速交替进行，标定点水温103 ℃，怠速水温小于30 ℃)，试验时间850 h，试验使用CI-4 15W-40机油,试验完成后拆检。

该台架的目的是验证缸套及缸垫受热负荷变化是否失效，柴油机在低周疲劳及低热惯性下缸套及缸的疲劳失效模式。新机开发时，已经完成多轮可靠性试验但未发现活塞环卡滞现象。

试验过程未发现发动机机身抖动、有噪音、功率下降、机油耗等问题，试验至750 h左右，曲轴箱压力及漏气量出现异常波动，时大时小。850 h后拆检发现4个活塞中，2/3缸活塞环卡死，1缸卡滞，4缸正常。4个活塞上的沉积物基本相当。2缸和3缸燃烧室有残留有沉积物。见图1。

图1 发动机拆机活塞表现

2 油品分析过程

2.1 台架旧油分析

发动机运转过程中我们每隔100 h都进行机油采样，分析检测，结果见表1。

表1 发动机台架旧油检测结果

从旧油的检测数据来看，烟炱增量很大，在台架300～400 h后变化突出，远超行业允许接受的不大于4%的范围；黏度增长很快，从这里分析得出烟炱引起的黏度增长过快；碱值变化很小；磨损元素尤其是铁元素后期增高很快。

2.2 机油理化分析(见表2)

表2 CI-4 15W-40新油检测结果

油品各项检测指标在CI-4 15W-40标准要求范围内。

3 积炭分析过程

通过对2缸活塞取样，用扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)进行成分检测。

3.1 扫描电镜检测(见图2)

图2 2缸活塞积炭的检测

积炭的形态上，环岸积炭相对环槽呈现出颗粒小，多孔；从积炭的分布来看，油环槽部位的积炭少于1环槽和2环槽。

3.2 能谱仪检测

根据检测结果，可以得到取样积炭中的元素种类以及各种元素的比例关系。其检测结果如图3所示。

图3 2缸活塞积炭的元素检测

根据检测数据可以得出：碳(C)元素主要来源于燃油[10]；氧(O)元素反应氧化程度。镁(Mg)元素是机油的清净剂成分，磷(P)元素是机油中的抗磨剂成分，硫(S)元素是燃油中的硫，机油中的硫也贡献。钙(Ca)来源于机油的钙盐清净剂。钼(Mo)元素是机油中的抗氧剂或者是摩擦改进剂，也有可能是活塞裙部或一环涂有钼金属层。由于燃烧室是一个相对密闭的空间，理论上不存在别的来源途径。

(1)活塞环槽中，1环槽的碳含量和氧含量比例最高；(2)活塞环岸中，火力岸的碳含量和氧含量比例比2环岸的高。碳含量占的比例很高，而反映机油添加剂成分的镁、磷、钙、钼比例相对较少，定性来看，这个是以柴油燃烧产生的积炭为主，旧油分析烟炱含量极高可以作为佐证。2环岸沉积物的钙、磷等含量比例高于火力岸的积炭，基本与常识相符：火力岸离燃烧室更近，燃油燃烧的积炭比例占比更高。氧含量占比低，反映了积炭高温沉积，未有足够时间接触氧气氧化就继续积累。

4 积炭形成的影响因素

发动机积炭产生的原因比较复杂，与发动机的构造以及使用燃料油和机油的种类、所处工作条件以及工况等有密切关联[10-11]。目前接受的观点为：积炭是燃油及润滑油在高温氧化作用下的产物。不完全燃烧燃料和窜入燃烧室的润滑油油混合在一起产生油烟颗粒和焦油微粒，在金属表面的催化作用下发生深度氧化及缩合；与润滑油混合在一起后，进一步氧化成为稠性胶状液体——羟基酸。羟基酸又进一步氧化缩合变成半流体树脂状胶质，这些树脂物又不断地把未完全燃烧的燃料、机油、碳烟、固体杂质等混合物吸附在金属表面，牢固地黏附在零件上，并在高温的不断冲击作用下，胶质又氧化缩聚成更复杂的固体沉积物——硬质胶结炭，即成了积炭。积炭的组成有润滑油、羟基酸、沥青质、油胶质、碳青质、硫酸盐、硅化合物等，发动机温度越高，形成的积炭越硬越紧密，在金属表面上黏结越加牢固[12-15]。

产生积炭主要有以下几个方面原因：①发动机喷油器工作不正常,包括雾化不良,喷油压力、时间以及喷油量不正常；②所使用的机油或柴油的品质差都会产生积炭，影响柴油在缸内充分燃烧；③柴油机长时间超负荷运转，温度过高，着火过早，使喷入缸内的柴油过多来不及燃烧，形成炭渣；④发动机窜机油，漏气严重，也都形成积炭[16-17]。

从理化检测的烟炱含量急剧增加可以判断，烟炱快速增长是发动机燃油不充分燃烧引起的，活塞周围的积炭能谱仪分析证明是以燃油不完全燃烧形成的积炭为主。

5 积炭对润滑的影响

积炭是硬质的，具有一定厚度和表面纹理，通常没有光泽的不溶性沉积物；可能是任何颜色，根据厚度，体积和光泽来分级，可分为轻炭、中炭和重炭。重炭是指积炭充满整个活塞环岸和环槽之间的整个空间，或者尽管积炭厚度小，但由于环背面积炭过多而呈现抛光的面积，导致活塞环没有伸缩空间，环岸和环槽重炭增加了与缸套的接触，导致缸套抛光和磨损，堵塞润滑油输送通道。中炭和轻炭分别是积炭占活塞环和环槽背面空间的1/4以上和1/4以下，活塞环和环槽的积炭会使环和环槽的空间变小，阻碍了润滑油输送，加上积炭起到隔热作用促使活塞高温区得不到正常的润滑冷却，导致环和环槽热负荷过高，更加速环槽沉积物的产生。随着积炭的数量增加会明显影响活塞环与缸套之间的润滑和热传导，加速新的积炭生成，最终活塞环与环槽的背后间隙和侧向空间都被积炭充满、黏结，使活塞环在环槽中弹性减弱或失去弹性被卡滞或卡死。失去弹性的活塞环会造成气缸表面拉伤，燃烧室密封不严导致曲轴箱窜气量增大，于此同时油耗增加，排气量升高。

6 小结

从以上分析判断，故障产生的原因是进入燃烧室的燃油未得充分燃烧，以及发动机长时间运转，导致活塞环与环槽生产大量积炭，活塞环卡死。因此除了从发动机机械部件比如喷油嘴雾化效果，或者调整工况来解决问题外，针对非道路排放已经达到T4阶段，发动机技术升级，活塞为了获得更高的爆发压力使用缸活塞，发动机燃烧温度更高、窜气量更大，使机油更容易氧化、硝化，烟炱的生成速率更快，使用寿命缩短，可以更换质量等级更高的CJ-4级别以上油品，能使油品在高温下保持优异的清净分散和氧化安定性，应对发动机更高的功率密度和热载荷，更强活塞清洁分散性能。