柴油機(jī)機(jī)油耗的優(yōu)化改進(jìn)及試驗(yàn)研究

高永春，宋樹峰，高尉尉，張廷玉，陳麗

(1.濱州渤?；钊邢薰?，山東 濱州 256602；2.濱州市沾化區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械管理局,山東 濱州 256800)

缸內(nèi)機(jī)油消耗超標(biāo)對(duì)于內(nèi)燃機(jī)CO2和顆粒物排放有直接的影響。隨著對(duì)汽車的排放要求越來越高，減少機(jī)油排放也越來越受到關(guān)注[1]。根據(jù)機(jī)油在內(nèi)燃機(jī)中排放的原理，造成缸內(nèi)機(jī)油消耗的關(guān)鍵在于活塞組件[2]，因此優(yōu)化活塞組件設(shè)計(jì)對(duì)降低機(jī)油耗、改善排放有重要的意義。

針對(duì)某柴油機(jī)在低功率工況試驗(yàn)過程中排氣歧管出現(xiàn)漏機(jī)油現(xiàn)象，通過對(duì)活塞油環(huán)槽上下側(cè)面直線度、油環(huán)槽油帶以及油環(huán)槽下側(cè)面中的回油孔、泄油槽等各部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，從而解決柴油機(jī)漏機(jī)油現(xiàn)象，對(duì)柴油機(jī)有效降低機(jī)油消耗從而降低CO2排放有指導(dǎo)意義。

1 柴油機(jī)漏油分析

出現(xiàn)機(jī)油泄漏的為某公司設(shè)計(jì)的100 mm缸徑柴油機(jī)，其參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要性能參數(shù)

柴油機(jī)在額定工況和負(fù)載試驗(yàn)時(shí)機(jī)油耗都正常，而在進(jìn)行2 h低功率工況(4.7 kW)運(yùn)行試驗(yàn)后，拆檢發(fā)現(xiàn)排氣管管口有明顯的機(jī)油漏出，如圖1所示，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行拆機(jī)，發(fā)現(xiàn)活塞、活塞環(huán)、缸套等表面磨損正常，活塞頭部、環(huán)岸沒有明顯的積碳，如圖2 所示。

柴油機(jī)排氣管出現(xiàn)漏機(jī)油現(xiàn)象主要原因有。

1)氣缸缸孔網(wǎng)紋損壞，缸孔變形,活塞環(huán)磨損嚴(yán)重,使活塞在運(yùn)行過程中機(jī)油上竄進(jìn)入燃燒室，從排氣門排出。

2)密封件損壞。

3)機(jī)油品質(zhì)不高，活塞積碳嚴(yán)重。

4)油底殼機(jī)油油面過高、機(jī)油壓力過大。

5)活塞設(shè)計(jì)參數(shù)不合理，活塞在運(yùn)行過程中過多的機(jī)油留在活塞環(huán)槽部位，不能回流，導(dǎo)致機(jī)油上竄進(jìn)入燃燒室，從排氣門排出。

圖1 拆檢后排氣歧管口圖片 圖2 試驗(yàn)后活塞外觀圖片

通過對(duì)排氣管漏油現(xiàn)象及柴油機(jī)各零部件表面情進(jìn)行分析，排除氣缸缸孔網(wǎng)紋損壞、缸孔變形、密封件損壞和活塞積碳等因素，最終確認(rèn)主要原因?yàn)榈凸β薁顟B(tài)下燃燒室內(nèi)形成部分時(shí)段的低壓或負(fù)壓，油底殼與燃燒室之間出現(xiàn)正壓差導(dǎo)致機(jī)油上竄從排氣門流出，出現(xiàn)漏油現(xiàn)象。本文中通過對(duì)活塞設(shè)計(jì)參數(shù)的調(diào)整，加大活塞的儲(chǔ)油、卸油能力，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，活塞優(yōu)化后降低了柴油機(jī)的機(jī)油耗，杜絕了低功率工況漏油現(xiàn)象。

2 改進(jìn)方案確立

根據(jù)柴油機(jī)排氣管漏油原因確立活塞優(yōu)化方案，如圖3所示。

a)蝶形油環(huán)槽 b)傘形油環(huán)槽 c)油帶寬度 d)回油槽和泄油槽圖3 方案示意圖

1)調(diào)整活塞油環(huán)槽形狀(油環(huán)槽上下側(cè)面向活塞頂部方向傾斜為碟形，向活塞止口方向?yàn)閭阈巍?/p>

2)活塞油環(huán)槽上側(cè)面油帶寬度由2增加到3 mm。

3)活塞油環(huán)槽下側(cè)面增加8個(gè)回油孔。

4)活塞油環(huán)槽下側(cè)面增加4個(gè)泄油槽。

根據(jù)以上4種優(yōu)化方案進(jìn)行組合，最終確定試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖4 試驗(yàn)臺(tái)架

對(duì)5種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在柴油機(jī)上進(jìn)行4.7 kW低功率工況試驗(yàn)，每2 h停機(jī)拆卸柴油機(jī)排氣彎管、排氣總管及排氣歧管，并統(tǒng)計(jì)漏油情況。每個(gè)方案進(jìn)行25次共計(jì)50 h試驗(yàn)。建立的柴油機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)管口圓柱面內(nèi)漏油面積占整個(gè)圓柱面的比例對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行判定，當(dāng)漏油面積比例達(dá)到50%，需要開機(jī)烘干30 min再按低功率工況運(yùn)行，具體標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 漏油判定標(biāo)準(zhǔn)

4 試驗(yàn)結(jié)果及討論

根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)完成所有5種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)。每個(gè)方案有250組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)上述判定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)判定，整個(gè)試驗(yàn)判定結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 試驗(yàn)判定結(jié)果

圖5 不同方案的試驗(yàn)合格率

根據(jù)活塞漏油判定標(biāo)準(zhǔn)，漏油等級(jí)≥3級(jí)表示試驗(yàn)通過，分析各方案試驗(yàn)判定結(jié)果數(shù)據(jù)，最終得出各組方案的試驗(yàn)通過率，如圖5所示。

從圖5分析數(shù)據(jù)可以得出，方案1、2、3中活塞環(huán)槽形狀的優(yōu)化及活塞第三環(huán)槽上下環(huán)岸增加油帶對(duì)柴油機(jī)漏油的改進(jìn)效果不明顯，方案4、5中活塞油環(huán)槽下側(cè)面增加回油孔和增加泄油槽的設(shè)計(jì)對(duì)柴油機(jī)漏油有明顯的改進(jìn)，而方案4與5的合格率沒有明顯差異，泄油槽對(duì)控制機(jī)油消耗沒有明顯作用，由此可見，增加回油孔設(shè)計(jì)對(duì)柴油機(jī)漏油的改進(jìn)效果最為顯著。每組試驗(yàn)過程中排氣管溫度、燃油耗及機(jī)油消耗量結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表5可以看出，5個(gè)方案中總管排氣溫度、燃油耗及額定功率下機(jī)油耗沒有明顯的差異，其中在低功率(4.7 kW)狀態(tài)下方案1、2、3機(jī)油耗量有減小的趨勢(shì)，但差異不大，方案4、5機(jī)油耗明顯降低，結(jié)合加工成本綜合考慮，方案4被確定為最優(yōu)改進(jìn)方案。

圖6所示為改進(jìn)前與方案4柴油機(jī)試驗(yàn)后排氣管內(nèi)宏觀情況對(duì)比。顯然，通過優(yōu)化改進(jìn)后排氣管內(nèi)較干燥、沒有出現(xiàn)機(jī)油泄漏現(xiàn)象。

a)改進(jìn)前 b)改進(jìn)后圖6 改進(jìn)前后排氣管漏油對(duì)比

5 結(jié)論

1)活塞第3環(huán)槽蝶形、傘形增加第3環(huán)岸油帶寬度設(shè)計(jì)，對(duì)降低低功率狀態(tài)下柴油機(jī)機(jī)油耗，減小漏油沒有明顯效果。

2)通過將活塞第3環(huán)槽增加回油孔、泄油槽的的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使柴油機(jī)低功率(4.7 kW)狀態(tài)下漏油試驗(yàn)通過率分別達(dá)到了98.4%、98.8%，機(jī)油耗量為由原方案的19.4分別降低到7.5、7.3 g/h，對(duì)降低機(jī)油耗，減小漏油有明顯效果。

3)通過優(yōu)化活塞頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可以有效降低柴油機(jī)低功率工況下機(jī)油消耗，從而進(jìn)一步改善柴油機(jī)排放。