船用发动机进行表面处理时，如何减少摩擦导致的内部部件磨损？

文 | 趣史研社

编辑 | 趣史研社

前言

根据静力学的理论，在95吨以上的船舶中，超过2%的船舶将柴油发动机作为其主要动力源。

不同类型的船舶发动机根据燃料使用的不同，可以分为柴油机、燃气机、双燃料机等。

船用柴油发动机主要燃烧的是精炼石油产品，法规规定了这些发动机使用的燃料的最大硫含量，范围在0.0005%至4.5%w/w之间。

而为了降低氮氧化物的排放，人们开始广泛采用选择性催化还原技术，这是一种成熟且广泛应用的技术。

可尽管国际海事组织持续加强船舶排放规定，但船用发动机的性能改进需求也在不断增加。

除了满足更严格的排放标准外，船用发动机的性能提升也日益受到重视，这个趋势显示出，船用发动机需要在保持环保的同时，也要不断追求更高的性能水平。

那么，如今的船用发动机都有哪些类型呢？

船用柴油发动机的类型

船用柴油发动机可以分为两种主要类型：二冲程循环和四冲程循环。

二冲程发动机在曲轴转一圈内，可以完成两个冲程的动力循环，运行速度约为每分钟100转。

而四冲程发动机是内燃机，活塞在两次曲轴旋转期间可完成四个独立的冲程，运行速度在250至850转/分钟之间。

在大型船舶如集装箱船中，通常将二冲程发动机作为推进器，而将四冲程发动机用作发电机。

这是因为二冲程发动机具有较高的扭矩和更好的功率重量比，但对于较小的船舶如客船和渡轮，四冲程发动机常被用作推进器。

至于船用燃料则通常分为馏分油和残余燃油两种类型，还有一种结合了前两种类型的“中间油”。

在炼油过程中，原油的不同石油馏分通过蒸馏分离得到，残余燃油也称为“焦油”或“石油沥青”，是燃油中不会蒸发的一小部分，其中可能含有一些不需要的物质。

这些不良物质可能会对燃油系统的组件、燃油喷射设备、活塞、活塞环和气缸套造成损害。

随着发动机尺寸的增加和性能的提高，会面临各种问题，如何解决和改善相关的摩擦学问题，对于确保船用柴油发动机的可靠性也变得至关重要，而船用柴油机机械部件的摩擦学是

船用柴油机机械部件的摩擦学改进

在船用柴油机机械部件面临的摩擦学问题中，气缸套是至关重要的一个环节。

气缸套是船用柴油发动机中的一个关键组件，它是一个中空的圆柱形壳体，充当燃烧的外壳，气缸套需要在高水平的燃烧和感应压力下具备足够的强度。

这些部件在船用柴油发动机中发挥着重要作用，气缸套的功能包括形成滑动表面、传热和压缩气体密封等。

气缸套被安装在发动机缸体中，形成气缸的内壁，为活塞提供运动空间，它们与活塞环一起，形成了活塞运动的滑动表面，以减少活塞和活塞环的磨损和油耗，并提供润滑。

除此之外，气缸套还需要在承受燃烧过程高压力的同时，与活塞和活塞环产生接触，并引导着活塞的运动，而当润滑特性不佳时，气缸套与活塞之间的摩擦会导致磨损和划痕等问题。

气缸套的可靠性很难估计，因为故障案例较少，临时可靠性测试成本较高，因此，保持气缸套的良好状态需要严格的维护。

磨损和热裂纹是气缸套失效的主要原因，燃料的强烈燃烧和润滑剂劣化会导致产生大量磨料颗粒，加剧磨损。

而且由于反复的热冲击，气缸套可能会出现热裂纹，冷却液的温度变化也可能导致冷却液在外表面产生冲击，进一步加剧气缸套的问题。

气缸套的润滑对船用柴油发动机的可靠性至关重要，它可以控制磨损并延长发动机的使用寿命。

而润滑具有三个主要目的：它能防止气缸套与活塞环之间的金属间接触，通过形成油膜，还可以中和硫酸并控制腐蚀，而且还能清洁气缸套。

并防止由于残余物和燃料燃烧而导致的故障和腐蚀，因此润滑剂的选择和性能对于气缸套的健康非常重要。

另一方面，表面纹理被认为是改善船用柴油发动机摩擦学性能的重要因素之一，它可以影响磨损、油耗、燃油效率和润滑油的性能。

通过采用各种表面纹理处理方法，如激光表面纹理处理、脉冲空气电弧处理、电解抛光等，可以调整表面的纹理和粗糙度，从而改善摩擦学性能。

在这些方法中，激光表面纹理处理是一种广泛使用的非接触式方法。

除此之外，珩磨也是一种常用于气缸套内壁的加工方法，通过保持适量的润滑油来减少摩擦，该过程可以用来获得具有良好功能的环或套筒的接触表面，以改善摩擦学性能。

除了对气缸套进行保护外，喷油泵的工作状态，同样对船用柴油发动机的正常运行有着这关重要的影响。

喷油泵的影响

喷油泵在船用柴油发动机中扮演着关键角色，它是将压缩燃油供应到发动机气缸并控制所需燃油量的主要装置之一。

这个装置还负责确保发动机以恰当的时间获得所需的燃油，以保持平稳的运行。

船用柴油发动机通常使用一种机械往复式燃油泵，这种泵被称为“博世型泵”，它由一个桶和一个螺旋柱塞组成，其设计和工作原理都旨在确保燃油以准确的方式注入发动机气缸。

但有一些因素可能会影响燃油泵的正常运行，例如涂料、异物或者间隙不足等问题可能会导致燃油泵的柱塞堵塞，造成燃油流动不畅，这通常被称为“粘滞”问题。

因此，保持喷油泵的清洁和维护对于确保船用柴油发动机的正常运行也非常重要，定期检查和维护燃油泵，防止外部杂质进入泵体，可以帮助减少“粘滞”问题的发生，同时确保发动机的性能和可靠性。

另一方面，润滑系统的润滑特性会受到间隙的显著影响，因此设计师针对不同轴承和连接件的品种进行了大量研究，以了解间隙的效应并进行设计优化。

特别是在船用柴油发动机中，燃油喷射泵中柱塞和缸体之间的间隙对于维持引擎的稳定运行至关重要。

在这类发动机中，常用高粘度的重质燃料油和低粘度的轻柴油，并因此使用多种润滑技术。

低粘度燃料油时，燃料和润滑油供给系统一同润滑，而高粘度燃料油时，只有燃料油润滑系统起作用，所以有必要测试喷油泵在不同粘度水平下的润滑特性。

另一个需要考虑的因素是，燃油喷射泵在高压条件下工作，高达1500巴，由于受到外部环境的限制，泵的变形在设计间隙时必须予以考虑，但最大的减小变形只能用作设计的极限。

关于间隙的影响，研究主要通过结构和流体动力学研究来进行，结构研究关注于柱塞和枪管在承受最大供应压力时的结构变化，同时也评估了变形引起的间隙减小。

而润滑的流体动力学研究则着重于分析不同粘度和间隙下的润滑性能，间隙被划分为头部和阀杆两部分，然后通过计算油膜参数来比较润滑特性，其中表面粗糙度取决于柱塞和枪管的状况。

流体动力学研究采用了非稳态二维雷诺方程，来模拟枪管和柱塞之间的液膜，同时采用了雷诺边界条件以及力平衡方程，泵的润滑特性可以分为扬程和阀杆两部分。

根据不同无量纲粘度值，可以得到最小薄膜厚度和头部间隙的变化，而且在阀杆间隙恒定时，薄膜参数不会超过头部间隙的特定值。

根据这些分析结果，当薄膜参数达到3或更高值时，润滑性能表现出良好状态，然而，在低粘度情况下，当阀杆间隙为3.0、25.0和32.0时，薄膜参数小于37，暗示着在这些情况下柱塞和枪筒可能出现金属对金属的接触。

阀杆具有较大润滑面积，因此阀杆的间隙必须更小，因为它对系统的润滑性能影响过于显著。

但确定泵间隙需要考虑公差和加工极限，由于公差由加工过程引起，并且涉及两个表面，机械系统中的间隙是一系列值，这被称为"间隙的加工极限"。

而当无量纲间隙加工极限为0.17且无量纲公差最大值为0.05时，可以确定阀杆和头部的理想无量纲间隙。

所以在流体动力学分析中，考虑到变形引起的最大无量纲间隙减小，阀杆的无量纲间隙应更大，才能以避免金属对金属接触。

虽然这种方法存在一些限制，比如未考虑凸轮产生的干扰，也未考虑燃料油的变化，但相较于流固耦合方法，它在估计适当的泵间隙方面更为准确。

对提高燃油泵耐用性和提升发动机20%制造功率方面，也具有显著作用。

结语

本次研究详细阐述了船用柴油发动机的摩擦学问题，这在船舶系统中具有至关重要的地位。

现代船用柴油发动机必须符合严格的可靠性标准，因此对于摩擦学问题进行了广泛的研究，以提高发动机的性能和可靠性。

并且，研究还特别关注了润滑特性的优化，不同的机械部件，如轴承、缸套和喷油泵，都受到了改善润滑特性的研究影响。

那么为了保持发动机的正常运行并降低停机时间成本，此研究还引入了带有油分析的状态监测方法。

通过分析润滑油的状况，可以及时发现潜在的问题并采取维护措施，从而确保发动机的持续可靠运行。

展望未来，船用柴油发动机的可靠性仍然是一个重要的研究领域，随着技术的不断进步，各种新的摩擦学研究将不断涌现，以进一步提高发动机的性能和可靠性。

通过不断探索和创新，我们可以期待在船用柴油发动机领域取得更大的突破。