船用内燃机润滑油及其选用

　　润滑油，关乎内燃机工作的可靠性、动力性、经济性以及寿命，若选用不当，轻者油耗上升成本增加，重者故障增多甚至损坏发动机。

　　发动机说明书中都有制造商推荐的润滑油牌号。没有充足的理由和绝对把握，不可改变润滑油品种、牌号和规格。

　　选择润滑油，各种指标都不得低于柴油机生产厂商推荐范围，绝不可选用低于发动机制造商推荐的质量等级的润滑油。

　　笔者认为，选择润滑油，不仅需要充分了解机械摩擦、润滑机理，深刻理解和全面考虑发动机的结构、工作环境、功率、燃油品质等因素并经过认真论证，而且需要具备足够丰富的润滑油知识，了解润滑油生产工艺流程、添加剂种类和作用，熟知润滑油理化性能指标、分类方法、油品牌号及其中各符号的意义。

　　本文介绍润滑油的生产过程、理化性能指标、分类方法、油品牌号等，为读者以柴油机生产厂商推荐为主要依据选择润滑油时提供参考。

　　1船用(矿物)润滑油的生产

　　成品润滑油是由基础油和添加剂调合而成的。基础油又分为矿物基础油和合成基础油两类。

　　合成基础油，用化学方法合成，性能比矿物基础油好，能满足矿物油所不能满足的某些使用要求，但成本昂贵，目前使用范围十分有限。

　　矿物基础油，由石油原油炼制而成，应用广泛，占基础油的95%以上。船用润滑油几乎百分之百是矿物基础油调制而成。

　　1.1原油分馏产生(矿物)基础油

　　原油先后在常压分馏塔和减压分馏塔内分馏。原理和过程示意图如图1。

　　(1)常压分馏(在常压分馏塔内完成)

　　常压分馏塔，压力同大气，自下而上温度渐低。

　　经加热的原油进入常压分馏塔后，各种烃类气化上升——沸点高的重馏分，在温度较高的下部就凝结分流;沸点越低的轻馏分，越能上升到温度较低的分馏塔上部分流。因此，由塔顶到塔底得到的馏分由轻到重：塔顶是汽油馏分，往下依次是煤油、轻柴油、重柴油馏分，沸点大于350℃的馏分称为重油，原油中未气化的部分称为残渣油从常压分馏塔底部排出。

　　常压分馏所得的重油，是炼制基础油的主要原料。

　　(2)减压分馏

　　为了得到不同性质的基础油，需进一步分馏重油将其分割成窄馏分。但是重油沸点高达300～700℃，若仍用常压分馏，某些烃类会裂化分解，无法得到所需的润滑油馏分。因此，将重油加热后进一步减压分馏(或称低压分馏)。

　　减压分馏在减压分馏塔内完成。减压分馏塔，用抽真空方法将塔内绝对压力降低到1～8KPa，温度也是由下而上逐渐降低，将重油分馏出所需的各种轻质基础油、中质基础油、重质基础油和渣油基础油。

　　轻质基础油，主要用作高速轻载机械的润滑油和绝缘油(如透平油、变压器油)的原料。

　　中质基础油，主要用作中等载荷的发动机(如小汽车等)和相当要求的工业机械润滑油的原料。

　　重质基础油，主要用作重载发动机(如船用柴油机等)润滑油的原料。

　　渣油基础油，是制造高黏度润滑油例如气缸油、齿轮油等润滑油的原料。　　

图1原油分馏原理和过程示意图

　　1.2润滑基础油的精制(工艺流程见图2)

　　减压分馏所得的各种馏分，仍含有许多不良成份和有害成分，例如多环烃、固体烃(蜡)、胶质、沥青以及影响色度的物质等，还不能直接用作润滑油，必须进一步精制提纯，以保留润滑油中的理想成分和去除非理想组分，使基础油具有较好的低温性能、黏温性能、抗氧化安定性能和良好的色度等。　　

图2基础油精制工艺流程

　　基础油精制，主要包括丙烷脱沥青、溶剂精制、溶剂脱蜡、白土或加氢补充精制等。

　　1.3润滑油产品的调合——润滑油添加剂

　　经过精制的不同基础油，还要根据对润滑油性能的不同要求添加相应的添加剂调合，才成为润滑油产品上市场销售。

　　添加剂，是一类油溶性化合物，只需在润滑油中加入百分之几甚至百万分之几，就能显著改善润滑油的一种或几种品质(使用性能)。

　　润滑油添加剂种类繁多。发动机管理使用者不必详知每一种添加剂，但应了解主要添加剂的作用。

　　(1)清净剂和分散剂

　　清净剂，基本结构主要包括亲油基、极性基和连接部分，多数具有碱性或高碱性。根据“分子结构相似相溶”的原理，清净剂能够溶解润滑油中胶质、漆膜、积炭等，持续中和润滑油使用过程中氧化生成的酸性物质和含硫燃油燃烧后产生的强酸物质并防止其沉积，从而保护发动机金属部件不受酸性物质腐蚀。

　　分散剂，基本结构与清净剂类似，能溶解粘附在活塞上的漆膜和积炭，并分散到润滑油中在润滑油循环过程中过滤掉，从而保持金属机件的清洁;同时防止润滑油中氧化胶质沉积，减少曲轴箱中的油泥，延长润滑油使用寿命。

　　柴油机，特别是烧渣油的大型船用柴油机，系统油和气缸油都对清净剂的要求较高。

　　(2)黏度指数改进剂

　　润滑油的黏度随温度升高而降低。

　　为使润滑油黏度随温度升高而降低不致过大，即改进其黏温性能，需加入黏度指数改进剂。

　　效果较好的黏度指数改进剂是一种高分子聚合物。润滑油加入这种高分子聚合物后，低温时长链缩成一团，润滑油黏度增加较小;随着温度升高，长链逐渐伸展开来，增大润滑油分子间的运动阻力，减少滑油黏度下降的程度，满足高温时的黏度要求。

　　目前，可满足四季通用的多级润滑油，既具有良好的低温起动性能，又具有高温润滑性能，主要是黏度指数改进剂在起作用。

　　(3)抗氧抗腐蚀添加剂

　　添加抗氧抗腐蚀添加剂后，虽不能完全防止润滑油氧化，却能大幅改善抗氧化性能，有效防止酸性物质腐蚀金属，减少漆状物生成。据有关资料介绍，添加了抗氧抗腐蚀添加剂，润滑油的寿命可延长四倍以上。

　　(4)极压抗磨剂

　　润滑油添加极压抗磨剂，能提高润滑油工作载荷，减少摩擦磨损，防止烧结。

　　发动机体积越来越小而功率越来越大，极压抗磨剂起到至关重要的作用。

　　(5)油性剂和摩擦改进剂

　　油性剂和摩擦改进剂，极性基团对金属有很强的亲和力，油性基团吸附在摩擦表面，形成分子定向吸附膜，阻隔金属间接触，从而减少摩擦和磨损。

　　(6)降凝剂

　　降凝剂能显著降低润滑油凝点，改善低温流动性能，降低润滑油使用的温度下限，拓展了润滑油使用范围，还可减少对优质原油的依赖。

　　2润滑油的主要理化指标

　　润滑油有一套理化指标评价体系，反映润滑品质优劣，指标达数十个，每个指标都有规定的测定方法和数值标准。

　　船用润滑油的指标，主要有黏度、黏温性能、凝点、闪点、碱值、黏度指数、倾点、油性和极压性、水溶性酸及碱、抗乳化性、抗泡性、腐蚀性、抗氧化安定性、杂质、水分等等。选用船用润滑油，主要考虑黏度、黏温性能、凝点、闪点和碱值等五个指标。

　　(1)黏度

　　黏度，即是润滑油黏稠程度，是润滑油最重要的指标之一，常用运动黏度表示，常用单位是mm2/s。

　　黏度对润滑性能影响巨大，对于两个摩擦面间楔形油膜的形成起决定性作用。黏度得当，不仅能保护发动机，而且提高其动力性能和经济性，既是润滑油分级的依据，也是选用润滑油的主要依据。

　　(2)黏温性能

　　反映润滑油黏度随温度变化而变化的程度。黏度随温度变化小，称为黏温性能好。

　　(3)凝点

　　凝点是润滑油失去流动能力的最高温度，对润滑油的使用、管理和运输都有很大影响。

　　(4)闪点

　　润滑油可燃，闪点是评定润滑油着火危险性的指标，对润滑油的使用、储存和运输有重要的安全意义。

　　船用要求，新油闪点高于65℃，使用中不得低于45℃，否则必须换油。

　　(5)碱值(TBN)

　　碱值是润滑油中碱性物质含量，单位mgKOH/g，是选用船用润滑油的主要指标之一。

　　润滑油中的碱性物质，用来中和润滑油中的酸性物质，对使用含硫燃油的发动机尤其重要。

　　3内燃机润滑油性能的标准

　　目前，内燃机润滑油性能还没有世界统一的标准，不同标准的命名方法和牌号标识也不同。

　　国际上比较通行的标准：

　　·黏度等级标准，是美国汽车工程师协会的SAE。

　　·质量等级标准，是美国石油协会的API，和国际润滑剂标准化及认证委员会(ILSAC)的GF-×规格。

　　ILSAC的GF-X规格，是鉴于磷引起转化尾气的催化剂中毒，在API相应指标基础上更严格地限定油品含磷量，同时相应提高油品的氧化安定性、高温抗磨性、高温沉积物控制、泵送性能等指标，规格有GF-1、GF-2、GF-3、GF-4等。

　　3.1润滑油黏度的等级和牌号

　　美国汽车工程师协会的SAE黏度等级标准，依据边界泵送温度、低温动力黏度、运动黏度、高温高剪切黏度(SE和SF级汽油机润滑油无此指标)、黏度指数、倾点等指标，将润滑油黏度分为11个等级，含“W”的是冬季润滑油，不含“W”的是夏季润滑油。

　　按黏温性能，又分为单级润滑油和多级润滑油。

　　表1我国内燃机油黏度等级(GB/T14906-1994)

黏度

低温黏度不大于

边界泵送温度

运动黏度

　

　

　

　

等级

[mPa·s]

不高于[℃]

[mm2/s]（100℃）

0W

3250（30℃）

-35

≥3.8

5W

3500（25 ℃）

-30

≥3.8

10W

3500（20℃）

-25

≥4.1

15W

3500（15℃）

-20

≥5.6

20W

4000（10℃）

-15

≥5.6

25W

6000（5℃）

-10

≥9.3

20

-

-

5.6 ~ 9.3

30

-

-

9.3 ~ 12.5

40

-

-

12.5 ~ 16.3

50

-

-

16.3 ~ 21.9

60

-

-

21.9 ~ 16.1

　　我国基本按照以上标准分类，1994年颁布了内燃机润滑油黏度分级国家标准GB/T14906-1994，与美国汽车工程师协会的黏度等级标准(SAE J 300FEB92)基本相同，“表1”是内燃机润滑油黏度基本等级分级情况。需注意，等级号只是规定温度下测得的润滑油黏度范围代码，而不是具体黏度值。

　　(1)单级润滑油

　　单级润滑油，只能满足既定的低温或高温条件使用，明显地受地区范围和季节范围限制。

　　·冬季润滑油，以最大低温黏度、最高边界泵送温度、100℃时最小运动黏度等三个指标分为0W、5W、10W、15W、20W、25W等六个级号，突出润滑油低温性能，以保证低温环境下润滑油的流动性和发动机低温起动性能。从表1所列100℃运动黏度标准看，冬季润滑油不能保证高温环境下发动机对黏度的要求，因此冬季润滑油几乎没有实际使用价值，市场上也没有供应。

　　·夏季润滑油，以100℃时最小运动黏度分为20、30、40、50、60等5个级号，突出高温性能，对低温性能不作要求。低温环境下，夏季润滑油黏度变得很大甚至失去流动性，可能造成发动机启动困难甚至损坏。船舶一般都使用单级(夏季)润滑油,如SAE30、SAE40和SAE50等，因为船舶保温设施完善，夏季润滑油已经能够满足船用柴油机的环境温度条件。

　　(2)多级润滑油

　　多级润滑油，能同时满足2个黏度级，即其黏度既满足含“W”的低温黏度使用条件，又能满足不含“W”的高温使用条件，可冬夏通用。有资料介绍，多级润滑油能降低发动机磨损和节省燃料，比同黏度级别单级润滑油节省燃料2%～3%。

　　多级润滑油广泛应用于陆用，尤其是汽车、列车机车、保温措施较差的小型船用柴油机，如救生艇发动机、应急发电机等。

　　多级润滑油的SAE标识，使用三段表示：　　

　　例如SAE10W-40，表明按SAE黏度等级标准，同时符合10W和40两个黏度等级指标。

　　3.2润滑油的质量等级

　　我国的质量等级分类标准采用美国石油协会API的质量等级标准，和国际润滑剂标准化及认证委员会(ILSAC)的“GF-X”规格：

　　·按发动机种类，S代表汽油机用润滑油，C代表柴油机用润滑油;

　　·两种发动机的润滑油质量等级均以英文字母A、B、C、……为序，序号靠后的质量更高。其中A、B级这两个质量等级润滑油质量过低，不能满足当代发动机使用要求，已经废止并停止生产。

　　汽油机润滑油产品，分为SE、SF、SG、SH、SJ、SL、GF-1、GF-2、GF-3等9个质量等级;而行业标准已发展到SM、GF-4高质量等级规格，其中GF-1、GF-2、GF-3和GF-4是节能和环保型润滑油规格。

　　柴油机润滑油产品，分为CC、CD、CE、CF、CF-4、CH-4、CI-4等6个质量等级：

　　·后一等级比前一等级具有更优越的性能，包括适应的使用条件更苛刻，保护发动机的效果更好;

　　·CF及其后的等级是节能环保型滑油，越往后减排性能也更高;

　　·CF-4、CH-4、CI-4规格的“4”，代表适用于高速四冲程柴油机。

　　3.3成品润滑油的规范牌号

　　成品润滑油在市场上销售，必须有一个代表其质量和黏度的标识，以供用户选用。这个标识就是润滑油的牌号。

　　3.3.1国际润滑油牌号

　　润滑油的完整牌号，一般有四部分标识：

　　例如“APICFSAE10W-30”，其中：

　　·第一部分为润滑油质量标准。“API”表示采用美国石油协会润滑油质量等级标准，有些润滑油产品牌号省略这一标识。

　　·第二部分为润滑油质量等级。“CF”表示该油品质量符合API的CF级。

　　·第三部分为润滑油黏度标准。“SAE”表示采用美国汽车工程师协会润滑油黏度等级标准。有些润滑油产品省略这一标识。

　　·第四部分是润滑油黏度等级。“10W-30”表示该润滑油是多级润滑油，黏度符合10W级和30级指标。

　　3.3.2国产润滑油牌号标识

　　(1)通用润滑油

　　我国通用润滑油牌号，与国际常用标准一样，直接标注为“质量等级+黏度等级”，例如：

　　·CD15W-40，其代号意义与国际常用标准同;

　　·SJ/CF-415W-40或CF-4/SJ15W-40，表示汽油机和柴油机通用润滑油，其代号意义同上。

　　(2)船用柴油机润滑油

　　鉴于船舶柴油机广泛燃用高硫燃油，润滑油碱值是选择润滑油的主要指标。与美国石油协会API的质量等级和国际润滑剂标准化及认证委员会(ILSAC)标准的标注的方法不同，我国船用柴油机润滑油牌号使用文字加连续的四位数字：

　　·文字，直接标明“油品名称”，即适用于高速船用柴油机、中速柴油机、低速柴油机系统油以及低速柴油机气缸油的哪一种;

　　·连续的四位数字，前两位标明黏度等级，后两位标明碱值。

　　例如，长城润滑油产品“船用气缸油4070”：

　　·“船用气缸油”表示该油品适用于气缸与曲轴箱之间有横隔板的船用二冲程柴油机的气缸润滑;

　　·“40”(省略SAE)，表示符合SAE标准的40黏度等级指标;

　　·“70”，表示总碱值70mgKOH/g。

　　其他例如“系统油3012”、“船用中速筒状活塞柴油机润滑油3040”等，也是如此。

　　4润滑油的选择

　　选择润滑油，一般说来,先根据用于哪类发动机确定润滑油品种，然后选定黏度，最后确定质量等级。

　　4.1选择润滑油品种

　　内燃机种类众多，按用途，可分为汽油机、燃气轮机和柴油机，柴油机又分为陆用和船用，船用柴油机又分为低速(十字头式)、中速(筒形活塞)和高速，各种内燃机对润滑油的要求各不相同，低速船用柴油机润滑油还分系统油和气缸油。

　　所以选择润滑油，首先要根据用途正确选定品种。否则后续选择不仅毫无意义，而且可能产生严重后果。

　　(1)汽油机与柴油机，使用的燃料、油气混合方式、点火方式、压缩比、负荷强度等都不同，所以应选择不同的润滑油。

　　(2)船用柴油机润滑油，要求更高的碱值、更优异的清净分散能力和抗氧化抗磨损性能、更好的耐水性能，绝不能以陆用柴油机润滑油代替。因为船用柴油机比陆用柴油机工作条件更苛刻：

　　·燃料含硫量一般较高。为中和燃料燃烧产生的强酸物质，船用柴油机润滑油的碱值比陆用润滑油高。

　　·易受水侵蚀，引起总碱值下降、添加剂降解而降低性能，要求既能抵抗水的侵蚀(遇水稳定)，又能快速将水分离掉。

　　(3)船用低速(二冲程十字头式)柴油机的气缸油，有别于系统油。

　　4.2选择滑油黏度等级

　　选择润滑油黏度等级，需考虑发动机工作环境温度、负荷、转速、成色(磨损程度)等因素。因为环境温度低，润滑油粘度大，流动性差，可能出现短时干摩擦或半干摩擦，运动副磨损严重，要以工作环境温度为主。

　　按下列经验公式选择润滑油黏度是安全的：

　　最低泵送温度+7℃≤环境温度

　　(1)二冲程低速柴油机和四冲程中速柴油机

　　大中型船舶保温设施较完善，即便航行到南北极圈或者热带地区，仍然有能力控制柴油机启动时润滑油温度在理想范围，多使用单级(夏季)润滑油，通常采用SAE30、SAE40两个等级。长期航行于环境气温偏高区域，黏度等级在发动机生产厂商推荐的范围内偏高些为宜;反之，应偏低些。

　　中小型船舶，通常设施简陋，保温措施较差，多使用多级润滑油。长期航行于环境气温偏高区域，黏度等级应接近发动机生产厂商推荐范围的上限;反之，接近下限。

　　(2)四冲程高速柴油机和汽油机

　　船上的特殊用途发动机(例如应急发电原动机、救生艇机、应急消防泵发动机等)，以及某些船舶的主发电机，采用四冲程高速柴油机或汽油机：

　　·无限航区船舶，最好选用多级润滑油如0W-40、5W-30等，以适应较大的航区温差变化。

　　·长期航行于环境气温偏高区域，黏度等级应接近发动机生产厂推荐范围的上限;反之接近下限。

　　长城船用高速柴油机润滑油，分300和500两大系列，每个系列再根据不同黏度分为若干产品，见表2。

　　表2长城船用高速柴油机润滑油分类情况

牌号

API质量等级

SAE黏度等级

航星540

CF-4

40

航星580

15W-40

航星590

20W-50

航星330

CD

30

航星340

40

航星350

50

航星380

15W-40

航星390

20W-50

　　4.3选择滑油质量等级

　　(1)汽油机

　　某些船上的特殊用途发动机，例如应急发电原动机、救生艇机、应急消防泵发动机等，是汽油机。

　　反映汽油机热负荷和机械负荷的主要是压缩比。压缩比越大，热负荷和机械负荷越大，对润滑油的清净分散性、抗磨极压性和抗氧化防腐性要求越高，即对润滑油的质量等级要求越高。此外，汽油机的附设装置也影响润滑油的质量等级选择。

　　汽油机压缩比和附设装置与滑油质量等级对应关系见表3(仅供参考)。

　　表3汽油机压缩比和附设装置与滑油质量等级对应关系

压缩比

附设装置

最低质量等级

<7.5

EGR装置（废气循环）

SE

7.5~8.5

EGR装置

SF

8.5~9.5

EGR装置、废气催化转化器

SG、SH

>9.5

ECR装置、废气催化转化器

SJ

>9.5

涡轮增压装置、废气催化转化器

SL、SM

　　(2)柴油机

　　首先，考虑柴油机工作强度。

　　柴油机工作强度越大即热负荷和机械负荷越大，工作温度越高，对润滑油质量的要求也越高。

　　柴油机工作强度，可用强化系数Kφ表示。

　　强化系数计算公式：Kφ=Pe·Cm·Z

　　其中：Pe为气缸平均有效压力，MPa;Cm为活塞平均线速度，m/s;Z，四冲程Z=0.5，二冲程Z=1。

　　按强化系数选择润滑油质量等级，参见表4。

　　表4柴油机强化系数与润滑油质量等级对应关系

强化系数（Kφ）

<50

50~80

80~120

>120

质量等级

CC

CD

CF、CF-4

CH-4、CI-4

　　注：表中推荐的质量等级，适应于燃油含硫量0.4%以下，柴油含硫量超过1%时应提高一档。

　　其次，考虑柴油机增压度。增压度越高，需要润滑油等级越高。非增压或低增压CD、CE级即可;高增压需用CF、CH级润滑油。

　　第三，考虑润滑油消耗量。润滑油消耗(补加)量少，即润滑油更换周期长，应选用CF、CH等高等级润滑油。

　　4.4选择润滑油碱值

　　选择润滑油碱值，根据柴油机型式和燃油含硫量。

　　(1)燃油含硫量

　　燃油含硫量高，中和燃油燃烧产生的酸性物质所需的碱性物质多，要求润滑油碱值高，同时也需要润滑油的清净性和氧化安定性好。

　　(2)柴油机型式

　　船用高速、中速柴油机，都是四冲程筒形活塞，需选用较高碱值润滑油，因为：

　　·系统油兼有气缸油的作用;

　　·燃烧产生的酸性物质例如硫化物等，会从缸壁漏入曲轴箱。

　　若柴油发电机组的发电机也使用柴油机系统油，还应考虑发电机的要求，选用更高质量等级的润滑油。

　　船用低速柴油机：

　　·转速低，对滑油质量等级要求较低。

　　·二冲程十字头式，绝大部分燃烧产物例如硫化合物等被活塞杆密封挡在曲轴箱之外，系统油基本不接触燃气，所需碱值较小。

　　·活塞的冷却方式有油冷式和水冷式。油冷式，系统油要冷却活塞，受热循环次数多，润滑油碱值应偏高;水冷式，则润滑油碱值应偏低。

　　长城滑油推荐燃油含硫量与碱值关系见表5。

　　表5长城滑油推荐的燃油含硫量与碱值关系

含硫量%

0.5

1.5

2~2.5

2.5~3.5

>3.5

总碱值mgKOH/g

12

20

25

30

40

滑油牌号

3012

3020

4025

3030

3040

　

　

　

　

4012

4020

4030

4040

　　(3)低速柴油机气缸油

　　选择气缸油碱值，应根据燃料油含硫量和发动机的实际工况。

　　综合各大发动机厂商/滑油提供商推荐、有关文献介绍和实际使用经验，气缸油碱值与燃油含硫量的对应关系大致如下：

　　·燃油含硫量低于2.5%，选用TBN40的气缸油;

　　·燃油硫含量3%~3.5%，选用TBN70的气缸油;

　　·燃油硫含量超过4%，选用TBN100的气缸油。

　　气缸油黏度等级多采用SAE50。

　　最后重复强调，选择柴油机润滑油质量等级，要以柴油机生产厂商推荐为主要依据。润滑油质量等级越高越有利于保护发动机，但绝不可选用低于发动机制造商推荐的最低质量等级的润滑油。

　　作者：宁波海事局 叶荣喜 来源：航海技术

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