导读：本文由资深机务陈伟翔老轨所写，主要讨论了活塞头结碳和排温高引起的功率下降两个问题，同时，文中也给出了相应的解决方案。尽管这些问题主要针对广柴、锡柴、宁波中策等所生产的燃用重油的四冲程中速柴油机系列机型，但其解决方式有非常好的借鉴意义。如果能有更多修理商提出类似办法就好了。部分文章在8月10日曾刊登过，此文是陈老轨修改后的完整版本。若您有任何不同见解，欢迎在底部留言提出。机务之家是一个机务和船员分享交流的平台，欢迎畅所欲言。以下为正文。
在广柴、锡柴、宁波中策早期所生产的G320、G300等燃用重油的四冲程中速柴油机系列机型中，普遍存在排气阀、缸套等零部件的使用寿命短；机油消耗严重；容易出现排温高致使运行转速下降等问题。造成这些故障有多方面的原因，并且各种因素互相影响。本文对一些突出且带有共性的原因进行分析，并结合实际给出改进建议。水平所限难免存在瑕疵，希望各位同仁批评指正。
问题一：活塞头部结碳
危害一：加剧缸套和活塞环的磨损
造成缸套和活塞环的磨损有多种原因，但活塞头结碳是造成缸套和活塞环非正常磨损的普遍和主要原因。四冲程柴油机无法在管理过程中方便地观察缸套的磨损情况，下面通过二冲程柴油机的扫气口来观察和说明活塞头结碳对缸套磨损的影响。如下面照片所示，二冲程柴油机活塞头结碳最严重的位置，不是照片中显示的扫气口位置，而是在相邻的两个扫气口之间的缸套肋柱遮住的位置。这是因为：首先缸套的扫气口与外部相通，汽缸油清洁下来的碳渣容易通过扫气口排入扫气箱中；其次进入缸套的扫气会把部分处于扫气口位置的活塞头部的碳渣吹走；再者流动的扫气还有冷却的作用，被缸套遮住部分的活塞头部的温度要高于扫气口位置的温度，汽缸油更容易烧焦碳化。另一张照片是同一时间检查此缸套的表面时拍摄的，在照片的整个范围内，与两扫气口中间的肋柱对应的上部，发现一些有晶亮的纵向磨痕，一些没有看到磨痕，中间的一条已经显示出部分磨痕。这些缸套中纵向的磨痕表明，活塞头在此位置的结碳厚度已经和缸套的表面接触，已经磨到缸套的表面。这些沉积在活塞头部的碳渣磨料随着活塞的上下运动与缸套相摩擦，其所磨出的痕迹要比活塞环接触磨出的痕迹光亮，表明结碳对缸套的磨损要远高于活塞环对缸套的正常磨损。
在一段时间后，对这台柴油机的缸套磨损情况进行再次检查，下面是再次检查时所拍的照片，显示活塞头的结碳比前面检查时进一步加重。前面检查的活塞头部，活塞环三道和四道之间还没有结碳，这次检查时已经有了结碳。缸套的磨损情况也显示比前一次严重。在照片的整个范围内，与两扫气口中间的肋条对应的上部，都有一条晶亮的纵向磨痕。更清楚的表明活塞头结碳对缸套的磨损要快于活塞环对缸套的磨损。
下面再通过四冲程柴油机的检修照片来说明活塞头结碳对缸套磨损的影响。下图是广柴G8320柴油机吊缸修理时的照片，从照片上可以看到头部的结碳厚度已经挤满活塞和缸套之间的间隙，结碳的表面已经出现和缸套相摩擦的“光面”痕迹。从其表面布满坑状孔洞显示，在这些活塞头结碳与缸套的摩擦过程中，有些结碳以颗粒的形状脱落，并滞留在活塞环处形成“磨料”，随着活塞上下运动对缸套和活塞环造成磨损。第一道活塞环及其上止点处的缸套出现最大的磨损量，表明脱落的碳渣“磨料”是造成缸套和活塞环磨损的最大因素。
危害二：造成了机油的异常消耗
虽然造成四冲程柴油机机油异常消耗的原因很多，但活塞头结碳是造成机油大量消耗的普遍和主要原因。上图照片显示，活塞头脱落的结碳，首先滞留在第一道活塞环处，随着活塞的上下运动，造成缸套和活塞环磨损的同时，并逐步向下掉落，沉积停留在各道活塞环处。这些碳颗粒在造成磨损的同时还会逐步渗入到活塞环槽之中，造成活塞环与环槽的上下接触面关闭不密。当活塞环与环槽接触面不能密闭时，造成活塞环下行刮下的机油从活塞环的下部→进入活塞环背部→流向活塞环的上部，使活塞环失去刮油的功能，造成柴油机机油的消耗大量增加。这种情况如下面简图所示。
所以只要活塞头结碳严重，不管缸套是否磨损，都会造成机油急剧消耗。当活塞环在环槽中的天地间隙较大时，这种情况尤其严重。
避免结碳的对策
从前面的原因分析中可以看出，只要避免活塞头的结碳，就可以显著地减少缸套和活塞环的磨损，延长缸套和活塞环的使用寿命。并可以避免柴油机在运转中出现机油异常大量消耗的现象。广柴、锡柴、宁波中策早期所生产的G320、G300燃用重油的系列机型，除了在运营管理中通过改善燃油燃烧状况来减慢活塞头结碳外，没有更好的办法阻止活塞头结碳的形成。因此在检修后运转时间不长就会出现机油消耗大的现象，多数柴油机在经过检修后很难把良好的工况保持3000小时以上。而且缸套的使用寿命很短，有些柴油机每年检修时都要换新缸套。这些机型装船的数量众多，造成的能效浪费巨大。现在国内一些柴油机配件的生产厂家，针对活塞头结碳问题，开发出的缸套保护环（或者叫刮碳环），能够有效地避免活塞头结碳的形成。柴油机换用这些新型部件后节能效果明显，且所需投入的费用不高，建议配置这类机型的船舶换用这些改进型配件。新型的缸套保护环是怎样达到避免活塞头结碳的，从而避免了缸套异常磨损和机油异常消耗的：
下面是改进后的广柴320机型配有保护环缸套的三张照片。
缸套保护环的内径小于缸套的内径约3mm，也就是单边高出缸套表面1.5mm左右。当活塞头部的结碳厚度接触到刮碳环时，还与缸套表面有较大的间隙，不会摩擦到缸套。另外，活塞头部的结碳不是一下子产生的，是气缸每个燃烧冲程一点一点积累的。当结碳的厚度积累到碰到刮碳环时，随着活塞的上下运动，每再增加的细小结碳都被刮碳环及时刮掉。柴油机一个工作冲程中能在活塞头部沉积的结碳也就是一点烟灰，被刮碳环刮下后能被排气带走，不会形成沉积在活塞环处的颗粒磨料。从而避免了前面所述的缸套和活塞环的异常磨损，使缸套和活塞环的使用寿命大幅度延长。也不会有结碳颗粒渗入到活塞环槽之中，使活塞环与环槽的上下接触面能保持密封，避免了前面所述的机油异常消耗。这款形式的缸套，把刮碳环做成可拆式的，当刮碳环因磨损失去作用后可以单独更换刮碳环，以此为缸套提供长期的保护。
问题二：排温高、同时功率下降问题
在燃用重油的四冲程中速柴油机中，引起柴油机排温高、功率下降、甚至气阀烧损也是有多种原因，各个厂家的说明书有其分析说明，这里只对厂家忽略的且进口和国产机型都普遍存在的柴油机燃烧过程后移引起的排温升高问题，进行分析并给出改进建议。
造成柴油机燃烧后移的主要原因是高压油泵柱塞以及喷油器针阀磨损。这类机型调整核对喷油提前角的方法，是把高压油管拆掉采用冒油法调整核对，或者以高压油泵导向套筒的理论升程的刻度线核对。这些核对喷油提前角的方法没有考虑喷油受到来自外部压力的影响，但实际工作中喷油器的雾化压力接近30MPa，一些高爆炸压力的机型的喷油器雾化压力在45MPa以上。高压油泵柱塞如果存在细小的磨损，泵出的燃油就会发生内漏，泵油初始的燃油会漏回进油口，使实际工作时的喷油提前角与核对时的提前角发生了向后推移。即实际喷油滞后，导致整个燃烧过程推迟，排气阀打开排气时燃烧过程还未完全结束，造成排温比正常燃烧升高。喷油器针阀磨损的影响是因雾化不良而使滞燃期延长。四冲程中速柴油机燃烧后移严重时，会造成换用轻油后转速加不上；进气阀开启后燃烧室的压力仍较高，使燃气从进气阀倒灌至扫气管，造成增压器喘振放炮；甚至造成齿轮箱合排后柴油机死车以及启动困难等严重后果。
引起高压油泵柱塞和喷油器针阀磨损的主要原因是重油中的氧化铝、二氧化硅这些颗粒。这种颗粒是极硬的磨料，是原油在提炼过程中，经二次催化裂化而大量带入的。
排温高和功率下降的解决方案
随着柴油机燃用燃料油的劣质化，出现高压油泵柱塞和喷油器针阀磨损的情况是防不胜防，遇到质量差的燃油，一个航次就能使刚换新的柱塞磨损严重。所以根本的解决方法是优化燃油处理系统，提高燃油的供应品质。一些国内造船厂建造的配备中速四冲程柴油机的船舶，主、副机的重油净化处理系统，大多采用如下形式：沉淀柜沉淀→分油机分离→日用油柜→供油单元加温、过滤→进入柴油机燃烧。这些船舶主机供油单元配备的燃油过滤器的过滤精度较差，有些≥50um，较好的过滤精度在35um左右。但氧化铝、二氧化硅这些粒子的直径都在10几um，分油机的分离和供油单元的过滤器都不能排除这些颗粒，无法保证供油的品质。解决的方法可在供油单元处增加一个过滤精度10um的过滤器。把过滤精度提高到10um，就可将95%直径大于10um的有害氧化铝、二氧化硅粒子有效过滤掉。由于滤器精度的提高，使进入柴油机的燃油的杂质、淤渣的含量大幅度减少，从而保护了柴油机的柱塞、针阀、气缸套、活塞环等部件避免早期磨损。同时改善了燃油的燃烧，使燃烧室积碳和排气中的颗粒物减少，延长了排气阀的使用寿命。
总结
从我参与的对这些船舶柴油机的改造，以及改造后对主机运转情况的跟踪观察看，这些改造取得了良好的效果。
效果一：解决了这些国产中速柴油机消耗机油严重问题。消耗机油长期稳定保持在35公斤/日以下，一些机型降至15公斤/日以下。（注：依据柴油机日常工作的功率范围，机油日消耗存在一定差异）。
效果二：大幅度延长缸套的使用寿命，使用寿命延长至三到五年。
效果三：在对主机配套系统进行必要的优化后，延长排气阀、高压油泵柱塞、喷油器针阀的使用寿命一倍以上。较好地解决了主机排温高，功率下降问题，减少了燃油的不正常消耗，避免了因主机工况恶化而使船舶航速下降。
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