冷熱沖擊工況下活塞積炭產生的原因分析

葉小娟，楊繩政，黃歆，鄧冰，陳柳安

(廣西北海玉柴馬石油高級潤滑油有限公司，廣西 北海 536000)

0 引言

為了滿足國家日益嚴苛控制環境污染的政策，環保部要求非道路移動機械柴油機排氣污染物從2020年要達到國家第四階段控制水平[1-3]。從2020年12月1日起，凡不滿足標準的要求非道路移動機械用柴油機不得生產、進口、銷售和投入使用[4-7]。政策法規的日趨嚴苛促使了內燃機對零部件及其自身整體性能的要求越來越苛刻，OEM不斷創新開發高效率發動機動力系統，尤其是像活塞部件在高溫高壓燃氣環境下工作的穩定性將會影響到內燃機的整體性能。在發動機開發時，柴油機油在使用過程中易產生沉積物，包括積炭、漆膜、油泥和銹蝕，其中漆膜、油泥和銹蝕又稱為非積炭沉積物；積炭的產生會引起發動機的動力性和經濟都大大降低，嚴重會使活塞環失去彈性而卡死，破壞潤滑系統的工作，發生燒瓦抱軸事故。以下以一例CI-4柴油機油使用過程出現因積炭導致活塞環卡死的原因進行分析[8-9]。

1 試驗概述

使用發動機F38160-T400 進行5000次冷熱沖擊可靠性試驗(標定點怠速交替進行，標定點水溫103 ℃，怠速水溫小于30 ℃)，試驗時間850 h，試驗使用CI-4 15W-40機油,試驗完成后拆檢。

該臺架的目的是驗證缸套及缸墊受熱負荷變化是否失效，柴油機在低周疲勞及低熱慣性下缸套及缸的疲勞失效模式。新機開發時，已經完成多輪可靠性試驗但未發現活塞環卡滯現象。

試驗過程未發現發動機機身抖動、有噪音、功率下降、機油耗等問題，試驗至750 h左右，曲軸箱壓力及漏氣量出現異常波動，時大時小。850 h后拆檢發現4個活塞中，2/3缸活塞環卡死，1缸卡滯，4缸正常。4個活塞上的沉積物基本相當。2缸和3缸燃燒室有殘留有沉積物。見圖1。

圖1 發動機拆機活塞表現

2 油品分析過程

2.1 臺架舊油分析

發動機運轉過程中我們每隔100 h都進行機油采樣，分析檢測，結果見表1。

表1 發動機臺架舊油檢測結果

從舊油的檢測數據來看，煙炱增量很大，在臺架300～400 h后變化突出，遠超行業允許接受的不大于4%的范圍；黏度增長很快，從這里分析得出煙炱引起的黏度增長過快；堿值變化很小；磨損元素尤其是鐵元素后期增高很快。

2.2 機油理化分析(見表2)

表2 CI-4 15W-40新油檢測結果

油品各項檢測指標在CI-4 15W-40標準要求范圍內。

3 積炭分析過程

通過對2缸活塞取樣，用掃描電鏡-能譜儀(SEM-EDS)進行成分檢測。

3.1 掃描電鏡檢測(見圖2)

圖2 2缸活塞積炭的檢測

積炭的形態上，環岸積炭相對環槽呈現出顆粒小，多孔；從積炭的分布來看，油環槽部位的積炭少于1環槽和2環槽。

3.2 能譜儀檢測

根據檢測結果，可以得到取樣積炭中的元素種類以及各種元素的比例關系。其檢測結果如圖3所示。

圖3 2缸活塞積炭的元素檢測

根據檢測數據可以得出：碳(C)元素主要來源于燃油[10]；氧(O)元素反應氧化程度。鎂(Mg)元素是機油的清凈劑成分，磷(P)元素是機油中的抗磨劑成分，硫(S)元素是燃油中的硫，機油中的硫也貢獻。鈣(Ca)來源于機油的鈣鹽清凈劑。鉬(Mo)元素是機油中的抗氧劑或者是摩擦改進劑，也有可能是活塞裙部或一環涂有鉬金屬層。由于燃燒室是一個相對密閉的空間，理論上不存在別的來源途徑。

(1)活塞環槽中，1環槽的碳含量和氧含量比例最高；(2)活塞環岸中，火力岸的碳含量和氧含量比例比2環岸的高。碳含量占的比例很高，而反映機油添加劑成分的鎂、磷、鈣、鉬比例相對較少，定性來看，這個是以柴油燃燒產生的積炭為主，舊油分析煙炱含量極高可以作為佐證。2環岸沉積物的鈣、磷等含量比例高于火力岸的積炭，基本與常識相符：火力岸離燃燒室更近，燃油燃燒的積炭比例占比更高。氧含量占比低，反映了積炭高溫沉積，未有足夠時間接觸氧氣氧化就繼續積累。

4 積炭形成的影響因素

發動機積炭產生的原因比較復雜，與發動機的構造以及使用燃料油和機油的種類、所處工作條件以及工況等有密切關聯[10-11]。目前接受的觀點為：積炭是燃油及潤滑油在高溫氧化作用下的產物。不完全燃燒燃料和竄入燃燒室的潤滑油油混合在一起產生油煙顆粒和焦油微粒，在金屬表面的催化作用下發生深度氧化及縮合；與潤滑油混合在一起后，進一步氧化成為稠性膠狀液體——羥基酸。羥基酸又進一步氧化縮合變成半流體樹脂狀膠質，這些樹脂物又不斷地把未完全燃燒的燃料、機油、碳煙、固體雜質等混合物吸附在金屬表面，牢固地黏附在零件上，并在高溫的不斷沖擊作用下，膠質又氧化縮聚成更復雜的固體沉積物——硬質膠結炭，即成了積炭。積炭的組成有潤滑油、羥基酸、瀝青質、油膠質、碳青質、硫酸鹽、硅化合物等，發動機溫度越高，形成的積炭越硬越緊密，在金屬表面上黏結越加牢固[12-15]。

產生積炭主要有以下幾個方面原因：①發動機噴油器工作不正常,包括霧化不良,噴油壓力、時間以及噴油量不正常；②所使用的機油或柴油的品質差都會產生積炭，影響柴油在缸內充分燃燒；③柴油機長時間超負荷運轉，溫度過高，著火過早，使噴入缸內的柴油過多來不及燃燒，形成炭渣；④發動機竄機油，漏氣嚴重，也都形成積炭[16-17]。

從理化檢測的煙炱含量急劇增加可以判斷，煙炱快速增長是發動機燃油不充分燃燒引起的，活塞周圍的積炭能譜儀分析證明是以燃油不完全燃燒形成的積炭為主。

5 積炭對潤滑的影響

積炭是硬質的，具有一定厚度和表面紋理，通常沒有光澤的不溶性沉積物；可能是任何顏色，根據厚度，體積和光澤來分級，可分為輕炭、中炭和重炭。重炭是指積炭充滿整個活塞環岸和環槽之間的整個空間，或者盡管積炭厚度小，但由于環背面積炭過多而呈現拋光的面積，導致活塞環沒有伸縮空間，環岸和環槽重炭增加了與缸套的接觸，導致缸套拋光和磨損，堵塞潤滑油輸送通道。中炭和輕炭分別是積炭占活塞環和環槽背面空間的1/4以上和1/4以下，活塞環和環槽的積炭會使環和環槽的空間變小，阻礙了潤滑油輸送，加上積炭起到隔熱作用促使活塞高溫區得不到正常的潤滑冷卻，導致環和環槽熱負荷過高，更加速環槽沉積物的產生。隨著積炭的數量增加會明顯影響活塞環與缸套之間的潤滑和熱傳導，加速新的積炭生成，最終活塞環與環槽的背后間隙和側向空間都被積炭充滿、黏結，使活塞環在環槽中彈性減弱或失去彈性被卡滯或卡死。失去彈性的活塞環會造成氣缸表面拉傷，燃燒室密封不嚴導致曲軸箱竄氣量增大，于此同時油耗增加，排氣量升高。

6 小結

從以上分析判斷，故障產生的原因是進入燃燒室的燃油未得充分燃燒，以及發動機長時間運轉，導致活塞環與環槽生產大量積炭，活塞環卡死。因此除了從發動機機械部件比如噴油嘴霧化效果，或者調整工況來解決問題外，針對非道路排放已經達到T4階段，發動機技術升級，活塞為了獲得更高的爆發壓力使用缸活塞，發動機燃燒溫度更高、竄氣量更大，使機油更容易氧化、硝化，煙炱的生成速率更快，使用壽命縮短，可以更換質量等級更高的CJ-4級別以上油品，能使油品在高溫下保持優異的清凈分散和氧化安定性，應對發動機更高的功率密度和熱載荷，更強活塞清潔分散性能。