废油和冷却液分析为CAT 3408发动机热过载和功率损失提供线索
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编辑 | 梁淇钟
前言
CAT 3408发动机的设计中，低温（BT）回路用于冷却发动机润滑油和进气，高温（HT）回路用于冷却缸套、缸盖和涡轮风扇体，以确保发动机正常工作。本研究基于进行的分析，通过进行一系列常规测试（如密度、粘度、粘度指数、闪点、密度、硫酸盐含量、水含量、总酸度指数（TAN）、总碱度指数（TBN）和凝点等测试）来确定Yacco VX 100 - SAE 15 W-40油和Boat Yang 1发动机使用的Camwater水的润滑性能是否符合规定要求。
在使用后从发动机中取出的油和水样品的结果显示，使用过的油的比重为0.8822，粘度（40°C）为92.29 mm2/s，粘度（100°C）为13.99 mm2/s，粘度指数（VI）为155.39，凝点为-21°C，闪点为215°C，硫酸盐含量为18%，密度为881.5 kg/m3，总碱度指数（TBN）为12.60 mgKOH/g，总酸度指数（TAN）为3.096 mgKOH/g，水含量为1.8%，使用的水的pH值为6.00，硬度为3.2法国度，氯化钠含量为0.468 mg/L，硫酸钙含量为2.38345 mg/L。水含量和硫酸盐含量的结果证实了Boat Yang 1的CAT 3408船用柴油发动机存在热过载和功率损失的问题，因为它们的数值与标准不符。
一、引言
根据制造商的规格，在发动机中集成了灯泡压力计，这款柴油发动机的设计使得高温（HT）回路中的水温始终保持在40°C到80°C之间，以实现正常运行。YANG 1船舶的主发动机冷却回路采用间接冷却系统。在这个系统中，发动机不是通过海水冷却，而是通过海水通过热交换器冷却的淡水进行冷却。
该系统由一个淡水回路和一个海水回路组成。淡水回路是一个强制闭合回路。在缸盖和缸体周围循环的水的温度由恒温器调节，该恒温器防止水在换热器中循环。从水线下的透水孔取出的海水的循环由电机驱动的容积泵来完成。经过热交换器后充满热量的海水被排入排气歧管。这种循环水通常经过处理，以限制在框架和缸盖中的各种水室中腐蚀的影响。通过分析使用过的油和冷却液来使用传统方法对发动机进行诊断。
二、分析方法原理
➢ 标准原理：该技术旨在测量一定温度下通过带有两个标记的毛细管的润滑剂的流动时间，它在40˚C和100˚C的温度下进行。所使用的毛细管黏度计由含有待测油的毛细管组成。油在重力作用下流过毛细管，流动时间的测量可以确定油的粘度，温度通过黏度浴来控制。使用以下关系确定动力粘度：其中C是黏度计的校准常数（mm2/s），t是平均流动时间（秒）。
➢ 原理：粘度指数用于表征油的质量，指数越大，粘度随温度变化越小。粘度指数可通过在分别在40˚C和100˚C下进行的动力粘度测量确定。可以使用Groff图或使用特定的计算程序来计算粘度指数。
➢ 原理：闪点是指油在火焰存在下蒸汽点燃的温度。测试方法是在开放容器中以确定的速率加热产品样品，直到足够多的挥发成分蒸发并能够被放在容器下方的小火焰点燃。一旦出现闪光，记录产品的温度，该温度对应于闪点。
➢ 原理：油的密度是其在4˚C温度下相对于取水作为参考的密度的比值。测量技术根据所需的测量精度而变化。通常常规测量使用标准比重计进行。对于更精确的测量，使用比重瓶，它具有非常精确的容积。密度通过称重来确定。
➢ 原理：将预热的油冷却，观察其在3˚C温度间隔下的流动特性。记录油仍然流动的最低温度，即倾点。
➢ 原理：使用摆动U型管的原理，将样品倒入硼硅酸盐玻璃的U型管中，该管在其特征频率下进行电子振荡。特征频率随样品的密度而变化。通过确定特征频率可以计算样品的密度。由于密度值取决于温度，因此必须精确确定样品的温度。
➢ 原理：使用多参数pH计在25˚C下测定pH值。3.1.8. 总硬度
➢ 原理：使用络合滴定法进行测量。 V：样品体积（mL）。 A：测定样品V所需的试剂溶液体积（mL）
EDTA法：在Net指示剂存在下，用0.02 eq/L EDTA溶液滴定蒸馏水确定修正值B。用EDTA溶液在Net指示剂存在下对V样品进行测定：得到A值，总硬度 = (AB) * 1000 / V mg/L
➢ 原理：使用Mohr法测定氯化物。Mohr法：通过用AgNO3 0.015 eq/L溶液滴定蒸馏水，在K2CrO4指示剂存在下确定修正值B用AgNO3溶液在指示剂存在下对V样品进行测定
➢ 原理：为了知道
三、结果与讨论
油品的理化特性结果与规格进行对比。需要注意的是，密度为0.8822，而标准要求的密度范围为0.85至0.95，可以推断出该值与原始值接近，且符合要求。密度为881.5，属于标准要求的850至920的范围，也表明其一致性。
40˚C时的粘度值为92.29 Cst，经历了9.52%的变化，仍然低于最大变化量的25% <4>。100˚C时的粘度值为13.99 Cst，下降了3.5%，低于最大下降量的15% <4>。这些数值也接近其原始值，而且在D 445标准下，100˚C的粘度满足要求，属于12.5 Cst至16.3 Cst的范围。粘度随温度的升高而降低，事实上，油品在低温下越稠，温度越高，油品的流动性越好<5>。
粘度指数为155.39，该值符合D 2270标准，该标准规定了最小值为126。粘度指数表征润滑剂在广泛温度范围内保持恒定粘度的能力，指数越高，油品的粘度变化越小，同时受温度的影响。
闪点值为215˚C，符合D 93标准，该标准要求最小值为215˚C。闪点提供了有关油品挥发性的信息，以及润滑剂消除可燃蒸汽的能力。就倾注点而言，规格给出的最大值为−27˚C，而得到的值为−21˚C，因此我们可以推断该值不符合规格要求。
总碱值（TBN）的值为12.60，制造商的值为11，这些值符合ATSM标准，因为大多数柴油发动机油的原始起始值在10至14之间变化，尽管以重燃料油为燃料的船舶发动机需要更高的TBN，甚至高达80，以承受含有高浓度硫磺的燃料油的严酷燃烧条件。一般的经验法则是当TBN降至其原始值的70%和50%时，表示危险和警告，应该处理废油。
总酸值（TAN）的值为3.096，制造商的值为15.2。根据ASTM分类，这些值符合要求。TAN的限制范围很大，取决于原始设备制造商的规格和油品本身。在某些情况下，超过0.05的TAN是不可接受的。在其他情况下，它可接受的范围为2.00 。酸值不得比新油增加超过0.5 AN。如果观察到增加超过1 AN，应立即采取行动（如果新油的指数为0.5 AN，则1.0 AN对应于警告值，1.5 AN对应于报警值）。
对于水分含量，许多油分析报告非常不准确地将水分含量报告为“<0.1%”，即小于1000 mg/L。实际发现的水分含量为1.8%或18,000 ppm，远高于0.1%，该值不符合D 64标准。在CAT 3408发动机中存在密封问题。
这可能是在气缸盖垫片、涡轮增压器方面，因为冷却液含有乙二醇和蒸馏水。冷却和润滑回路是分开的。油中存在乙二醇明确表明这两个回路之间存在通讯。通常是气缸盖垫片存在缺陷，除非是气缸盖及其垫片表面或者更严重地说，气缸上有裂纹。
或者在排气管的位置，因为故障的排气系统可能会让海水进入汽缸。这是一个严重的问题，通常是由于管线上防倒吸装置的设计不当所导致的。海水含有盐分，这种水对铸铁汽缸具有很高的腐蚀能力。
对于硫酸盐含量来说，它的含量非常高，达到了18%，这对于一台船用柴油发动机来说是相当巨大的数值。D 874标准要求硫酸盐含量必须在0.8%至1.6%之间。测量结果不符合标准。这反映了CAT 3408发动机的燃烧质量较差。
Groff计算尺允许我们通过一个点来表示所使用的油，该点是由通过粘度值和相应温度值（V1，T1 = 100℃和V2，T2 = -15℃）的两条直线的交点获得的。确定该点的位置可以得出该油满足的规范要求<9> <10>。
根据测量结果，-15℃处的粘度值为3301 Cp，它属于SAE 15 W分类，其最大值要求为3500 Cp <11>，100℃处的粘度值为14.27 Cst。这个值属于SAE 40分类，位于区间（12.5 Cst - 16.3 Cst）之内<12>。在低温下，粘度必须足够低以便于发动机启动，而在高温下，粘度必须足够高以保护发动机。
油在40℃和100℃下的粘度都有所降低。这种降低主要是由于燃油稀释油的原因，也可能来自于机械剪切导致粘度指数改善添加剂的降解。与粘度类似，使用中的发动机油的粘度指数增加，这是由于机械剪切导致聚合物粘度指数改进剂的降解。
油的密度增加，这是由于油中存在的不同量的水或燃料，这些都来自于发动机燃料的燃烧。润滑油的凝点增加，这是由于凝点降低添加剂功能减弱和石蜡晶体的形成。油的闪点降低，这可能是未燃烧的燃料存在的结果，或者是油分子的热解。
存在着过高的硫化物含量，这种增加可能是由于添加剂中含有有机金属盐所致，通过完全焙烧会形成钙、镁、锌、钾、钠、锡等灰分，或以硫、磷和氯的复合形式存在。
水含量过高，这种增加可能是由于水中存在自由氢离子，这可能进一步加剧情况，因为它们会迁移到发动机零部件中，使钢变脆并容易开裂。水还会引起腐蚀和冲蚀，导致点蚀损伤
为了了解冷却液在发动机中的表现，进行了对冷却液的分。所有获得的数值都低于规定的标准。这可以通过海水及其杂质的组成来解释。根据制造商的指示，水或进水对冷却回路内的热交换非常有害。
四、结论
本研究发现，冷却液的含水量为1.8%，高于0.1%的标准值，这表明水与油发生了污染。此外，冷却液的硫酸盐含量也相当高，达到了18%，远远超出了船用柴油机的正常范围（0.8% - 1.6%）（根据D 874标准）。CAT 3408柴油机由于过热导致温度异常升高，这是导致SIPECAM Yang 1号船上常见的灯泡压力表显示故障的原因。在这项研究的结尾，造成这一问题的根源在于冷却水的质量较差。
参考文献：
<1> VX 100-SAE 15W-40 (2021) 强大的汽油和柴油发动机用的高级矿物质油。1, 文献参考：005-LAB/FTM/03-2021/3037。
<2> Marine 9X (2015) 15W40。3, 文献参考：III-96-C-1507。
<3> Marine MTX (2018) 船用柴油发动机油。1。
<4> Arvidsson, L. (2019) 清洁油指南。Noria Coororation Inc., 丹麦斯文堡, 26。
<5> Rammal, H., 等人。 (2006)增压柴油发动机基础知识和真实、理论和热力循环计算。LREE-02。