輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動機(jī)油環(huán)粘結(jié)及活塞清凈性臺架的建立及試驗方法的研究

蔣朝貴 徐廣業(yè) 孫翔蘭 郭昌維

摘要:介紹輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動機(jī)油環(huán)粘結(jié)及活塞清凈性臺架的建立及試驗方法的開發(fā)過程,包括試驗設(shè)備的選擇、關(guān)鍵試驗部件的確定及引進(jìn)和臺架流程的設(shè)計、發(fā)動機(jī)試驗臺架各個系統(tǒng)的研究及設(shè)計、試驗條件的確定、試驗結(jié)果的評價及數(shù)據(jù)分析等,建立了評定輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動機(jī)油環(huán)粘結(jié)及活塞清凈性臺架及其試驗方法。

關(guān)鍵詞:輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動機(jī);環(huán)粘結(jié);活塞清凈性;評價方法

中圖分類號:TE626.32 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

The Establishment of the Light Duty Direct Injection Diesel Engine Ring Sticking and Piston Cleanliness Test Bench and the Investigation of the Test Method

JIANG Chao-gui, XU Guang-ye, SUN Xiang-lan, GUO Chang-wei

(PetroChina DaLian Lubricating Oil R&D Institute, Dalian 116032, China)

Abstract:The development process of establishing light duty direct injection diesel engine ring sticking and piston cleanliness test bench and the test method were introduced. The selection of test equipment, the determination and introduction of the key components, and the design of the circulation of the test bench, the investigation and design of each engine test bench system, the determination of the test conditions, the evaluation and data analysis of the test result were involved. The light duty direct injection diesel engine ring sticking and piston cleanliness test bench and the test method were established.

Key words:light duty direct injection diesel engine; ring sticking; piston cleanliness; evaluation method

0 前言

柴油機(jī)在燃料型動力機(jī)械中,是最節(jié)省能源的。柴油機(jī)比汽油機(jī)的燃油有效利用率高出30%以上。隨著柴油機(jī)制造技術(shù)的提高,特別是歐洲汽車市場持續(xù)受到油價上漲的影響,歐洲已將柴油機(jī)大量用于輕便汽車及小轎車上。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和制造水平的提高,現(xiàn)在的柴油轎車不僅具有高效、經(jīng)濟(jì)、有益于環(huán)保及面向未來的特點,同時在高速性能、加速性能、操作性能、乘坐舒適性和噪音方面已經(jīng)完全可以與現(xiàn)代汽油機(jī)相媲美,受到越來越多用戶的喜愛。目前,在最注重環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性的歐洲,柴油轎車的銷量已迅速超過轎車總銷量的40%,部分國家已超過50%。在國內(nèi),伴隨著我國轎車家庭化和進(jìn)口原油的增加,燃油價格的上漲,人們在保證實用、環(huán)保的同時更加注重經(jīng)濟(jì)性,市場對更具經(jīng)濟(jì)效益的柴油轎車的需求日益迫切。因此,我國已經(jīng)將柴油轎車作為我國未來轎車發(fā)展的一個重要方向。

在04版ACEA發(fā)動機(jī)油規(guī)格中, 將輕負(fù)荷柴油發(fā)動機(jī)油與汽油機(jī)油合并為一個規(guī)格,即A/B系列,共有A1/B1、A3/B3、A3/B4、A5/B5四個規(guī)格,并在A/B系列規(guī)格的基礎(chǔ)上推出具有環(huán)保概念的C系列產(chǎn)品,共有C1、C2、C3三個規(guī)格,同時還增加了重負(fù)荷柴油機(jī)油的E系列,并有相應(yīng)的臺架試驗方法。評定輕負(fù)荷柴油發(fā)動機(jī)油的主要臺架有:

(1)CEC L-56-T-98(XUD11BTE)、CEC L-93-04(DV4TD)中溫分散性臺架。

(2)CEC L-51-A-98(OM602A、OM646LA)磨損、粘度穩(wěn)定性及油耗臺架。

(3)CEC L-78-99(VW DI)直噴柴油機(jī)環(huán)粘結(jié)及活塞清凈性臺架。

而我國在輕負(fù)荷柴油發(fā)動機(jī)臺架評定、用油規(guī)格方面至今還是空白。

隨著我國柴油轎車數(shù)量的增加,柴油轎車所用潤滑油的需求量也將越來越大。要發(fā)展直噴柴油發(fā)動機(jī)用油,就必須擁有評定該發(fā)動機(jī)用油的技術(shù)和設(shè)備。全套引進(jìn)直噴柴油發(fā)動機(jī)活塞清凈性及環(huán)粘結(jié)評定臺架大約需要40萬美元,同時因為油品規(guī)格的快速發(fā)展,發(fā)動機(jī)臺架的更新周期大大縮短,使得引進(jìn)的臺架存在落后的風(fēng)險。送樣到國外去做,雖然不再承擔(dān)一次性固定資產(chǎn)投資和折舊費用,但高額的評定費用以及較長的評價周期,不僅使產(chǎn)品研發(fā)成本難以承受,也不利于研發(fā)工作向深層次發(fā)展,更不便于產(chǎn)品質(zhì)量的檢驗和仲裁。 因此,自主建立直噴柴油發(fā)動機(jī)環(huán)粘結(jié)及活塞清凈性臺架,將節(jié)省時間和資金,填補(bǔ)我國評定該型臺架方面的空白,為直噴柴油發(fā)動機(jī)用油的研制、開發(fā)和生產(chǎn)提供準(zhǔn)確、可靠的評定手段。我們在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,只引進(jìn)臺架的關(guān)鍵部件,其余部件在國內(nèi)配套完善,建立了一套完整的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的、與國外試驗條件基本相同的潤滑油評定臺架及試驗方法。該臺架經(jīng)過設(shè)計、安裝、調(diào)試及試驗油樣的評定,已取得了良好的試驗結(jié)果。

1 臺架的建立

1.1 試驗發(fā)動機(jī)的選擇

用來測試的發(fā)動機(jī)是CEC L-78-99試驗方法指定的、最新的德國大眾公司生產(chǎn)的GolfA3系列柴油發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)為VW 1.9L/81kW直噴式、四缸、采用渦輪增壓、帶中冷的柴油發(fā)動機(jī)。VW TDI發(fā)動機(jī)是一臺具有國際先進(jìn)水平的柴油轎車發(fā)動機(jī),具有功率大、低排放、低成本、低油耗、長壽命、低噪音等特點,排放達(dá)到歐Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)動機(jī)的型號及技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2 試驗發(fā)動機(jī)的安裝

1.2.1 EGR閥和排氣歧管

連接EGR閥和排氣歧管之間的連接管路被移除。在排氣管處產(chǎn)生的管孔用金屬板密封。

1.2.2 發(fā)動機(jī)安裝位置

發(fā)動機(jī)將按照下列方式安裝到試驗臺架上:

(1)曲軸沿著軸向向飛輪邊偏2°。

(2)氣缸沿著徑向向排氣邊偏15°。

如果試驗記錄報告中存在水平安裝,即和曲軸重合(成0°處),這種情況是可以的。安裝時可以使用特定的法蘭或相關(guān)的傳動裝置來完成。

1.3 冷卻循環(huán)

標(biāo)準(zhǔn)的冷卻循環(huán)在試驗中做了如下修改:當(dāng)斷開機(jī)油回路和自動調(diào)溫裝置旁路時,試驗臺架的一個水/水熱交換器代替冷卻器,用一個合適的試驗臺架控制設(shè)備來控制溫度。

1.4 機(jī)油冷卻系統(tǒng)

與機(jī)油濾清器連接的標(biāo)準(zhǔn)的油/水熱交換器與評定臺架的冷卻系統(tǒng)分開。用一個合適的試驗臺架控制設(shè)備控制溫度。發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)見圖1。

1.5 中冷器

用適當(dāng)?shù)臒峤粨Q器來冷卻增壓空氣。建議使用氣/水熱交換器。增壓空氣的溫度將用適當(dāng)?shù)臏囟日{(diào)節(jié)器來控制。

中冷器前后最大壓差是6 kPa。

1.6 進(jìn)氣系統(tǒng)

使用標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)氣系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)包括空氣濾清器、空氣質(zhì)量流量計、渦輪增壓器、中冷器、控制發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度的調(diào)節(jié)閥。

1.7 排氣系統(tǒng)

使用標(biāo)準(zhǔn)的或者能夠控制排氣背壓適當(dāng)?shù)呐艢庀到y(tǒng)。

1.8 曲軸箱通風(fēng)/竄氣測量

曲軸箱通風(fēng)是從氣缸蓋通過空氣濾清器連接到進(jìn)氣系統(tǒng),符合標(biāo)準(zhǔn)發(fā)動機(jī)的布局。漏氣測量必須連接到這個封閉回路上。建議:使用能夠連續(xù)測量的流動速率測量系統(tǒng),例如在管口的地方測量。

1.9 燃油系統(tǒng)

在燃油系統(tǒng)中安裝一個適當(dāng)?shù)臒峤粨Q器,使燃油溫度得到準(zhǔn)確的控制。回油線也應(yīng)該與熱交換器相連。

1.10 冷卻風(fēng)扇

渦輪增壓器和排氣管系周圍使用外部冷卻風(fēng)扇。

1.11 活塞冷卻噴嘴

活塞冷卻噴嘴可以通過噴嘴頂部螺釘中心的“WAG8.8”來識別?；钊鋮s噴嘴見圖2。

1.12 試驗測功機(jī)的選擇

測功機(jī)主要用于對發(fā)動機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)數(shù)、扭矩和有效功率的測試及性能試驗、耐久試驗和型式試驗。尤其適用于各種試驗臺架,對發(fā)動機(jī)、整車及其部件進(jìn)行不同工況的運行和試驗。根據(jù)VW TDI柴油發(fā)動機(jī)的額定功率為81 kW,額定轉(zhuǎn)速為4150 r/min,最大扭矩為235 N?m(1900 r/min)的要求,以及發(fā)動機(jī)與測功機(jī)特性曲線匹配要求,選擇杭州奕科機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的技術(shù)水平先進(jìn)、測量精度高的WE32H水渦流測功機(jī)。

1.13 臺架流程的設(shè)計

經(jīng)過調(diào)研,詳細(xì)了解、分析和研究了國外標(biāo)準(zhǔn)的輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動機(jī)油環(huán)粘結(jié)及活塞清凈性評定臺架的原理、構(gòu)造和性能。學(xué)習(xí)和掌握了評定臺架的技術(shù)要求、技術(shù)性能和技術(shù)指標(biāo)等關(guān)鍵技術(shù),設(shè)計了一套完整的輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動機(jī)油環(huán)粘結(jié)及活塞清凈性評定臺架。評定臺架流程見圖3。

1.14 發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)

發(fā)動機(jī)的控制系統(tǒng)是由配電箱、發(fā)動機(jī)控制儀表、發(fā)動機(jī)儀表、發(fā)動機(jī)電腦及線束組成。按照CEC L-78-99(VW)試驗方法的要求,在國內(nèi)開發(fā)滿足試驗要求和控制精度的發(fā)動機(jī)控制儀表。安裝配電箱。在評定臺架相應(yīng)部位安裝測溫儀表、熱電偶、測壓儀表、傳感器。建立儀表控制臺,使得發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)、扭矩、系統(tǒng)各部位的溫度、壓力等試驗參數(shù)得到準(zhǔn)確有效的控制。建立超溫、超壓、超轉(zhuǎn)數(shù)、超扭矩報警系統(tǒng)和超壓、低油壓、超溫、超轉(zhuǎn)數(shù)自動保護(hù)停車系統(tǒng),安裝了評定臺架探頭監(jiān)控系統(tǒng)。

1.15 燃料油

我們將含硫柴油(硫含量0.4%左右)與-10號軍用柴油按照一定比例進(jìn)行調(diào)制,調(diào)制后的燃料油標(biāo)準(zhǔn)滿足CEC RF-90-A-92(S含量:0.25%～0.30%)的要求,其質(zhì)量指標(biāo)見表2。

1.16 完整的發(fā)動機(jī)評定臺架

按照CEC L-78-99試驗方法的要求,建立VW TDI輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動機(jī)油環(huán)粘結(jié)及活塞清凈性評定臺架。安裝好的發(fā)動機(jī)評定臺架見圖4。

2 開機(jī)調(diào)試、試運轉(zhuǎn)

所建臺架及儀表操作系統(tǒng)組裝完畢后,進(jìn)行了細(xì)致的檢查,在確保無誤后開始送電、送油,開機(jī)試運轉(zhuǎn)。試運轉(zhuǎn)是按照CEC L-78-99試驗方法要求的磨合試驗條件及正式試驗條件在所建臺架上進(jìn)行發(fā)動機(jī)試驗。其目的就是考察發(fā)動機(jī)運行的可靠性及儀表控制系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)各個參數(shù)控制的準(zhǔn)確性。

在按照正式試驗條件考察發(fā)動機(jī)的過程中,反復(fù)觀察和檢測所建評定臺架系統(tǒng)中的每個部件的實際使用性能,及時解決和處理評定臺架在試驗過程中暴露的設(shè)計缺陷和個別部件出現(xiàn)的問題,調(diào)整好報警以及自保停車系統(tǒng)。按照CEC L-78-99試驗方法要求的試驗條件,在累計100多個小時考察發(fā)動機(jī)的過程中,臺架運行良好。

3 試驗方法研究

3.1 試驗步驟

試驗步驟包括發(fā)動機(jī)的磨合程序和正式試驗程序。

3.1.1 磨合試驗程序

發(fā)動機(jī)的磨合試驗程序見表3。

根據(jù)重量法記錄耗油量(當(dāng)油箱中油的溫度大約在100 ℃、保持1缸活塞在上止點位置時開始排放機(jī)油,排放機(jī)油15 min)。

3.1.2 正式試驗程序

在發(fā)動機(jī)磨合試驗程序結(jié)束以后,安裝一個新的機(jī)油過濾器。按照方法要求在15 ℃時,向發(fā)動機(jī)內(nèi)加入大約4.5 L試驗機(jī)油,同時還要額外保存0.2 L新機(jī)油。發(fā)動機(jī)正式試驗條件見表4。

(1)第一個階段開始冷卻液出口溫度從(90±3) ℃降到(30±2) ℃需要在(7±1) min時間內(nèi),第二個階段開始從(30±2) ℃升到(90±3) ℃需要在(3±1) min時間內(nèi)。

(2)第一階段開始油箱溫度從(145±3) ℃降到(40±3) ℃需要在(15±1) min時間內(nèi),第二階段開始油箱溫度從(40±3) ℃升到(145±3) ℃需要在(6±1) min時間內(nèi)。

(3)第一階段開始轉(zhuǎn)速和扭矩值要在1 min內(nèi)達(dá)到,第二階段開始轉(zhuǎn)速和扭矩值要在2 min內(nèi)達(dá)到。

(4)所有其他條件參見表4,從每一階段開始要在15 min內(nèi)達(dá)到。

3.2 評價方法

3.2.1 環(huán)粘結(jié)評分

本方法環(huán)粘結(jié)評分,依據(jù)SH/T 0264附錄E1和E5進(jìn)行評價。

3.2.2 活塞清凈性評分

本方法活塞清凈性評分,采用DIN 51 361,尤其要參照DIN 51 361第二部分。

3.3 參比油標(biāo)定范圍

參比油標(biāo)定范圍見表5。

3.4 參比油試驗

按照CEC L-78-99(VW DI)試驗方法的要求,購買參比油 RL206進(jìn)行標(biāo)定試驗,共進(jìn)行兩次參考油試驗,其試驗結(jié)果見表6。參比油RL206試驗前油樣理化分析、第一次試驗后油樣理化分析、第二次試驗后油樣理化分析結(jié)果見表7。

試驗結(jié)果表明,參比油清凈性標(biāo)定結(jié)果均在方法要求范圍內(nèi),同時也說明臺架試驗有較好的重復(fù)性。

3.5 通過標(biāo)準(zhǔn)

ACEA A3/B4輕負(fù)荷輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動機(jī)油通過/失敗的標(biāo)準(zhǔn)見表8。

3.6 發(fā)動機(jī)試驗

選用大連潤滑油研究開發(fā)中心研制的輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動機(jī)油編號為0601-D進(jìn)行臺架試驗。試驗結(jié)果見表9,0601-D試驗油理化分析見表10。

試驗結(jié)果表明,研制油滿足ACEAA3/B4輕負(fù)荷直噴柴油機(jī)油環(huán)粘結(jié)及活塞清凈性臺架指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

(1)建立的VW DI輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動機(jī)油環(huán)粘結(jié)及活塞清凈性臺架的整套硬件設(shè)備在運行中平穩(wěn)可靠,建立的計算機(jī)控制試驗程序能夠?qū)崿F(xiàn)安全、可靠的控制。

(2)通過標(biāo)準(zhǔn)油的標(biāo)定試驗,結(jié)果表明新建臺架校機(jī)運行平穩(wěn)、可靠,且具有很好的重復(fù)性。評價結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)油標(biāo)定指標(biāo)要求。

(3)通過參比油的評定,表明建立的臺架及試驗方法在油品清凈性評價方面具有較好的區(qū)分能力。

(4)通過試驗表明,該試驗臺架的建立滿足CEC L-78-99(VW DI)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(5)VW DI輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動機(jī)油環(huán)粘結(jié)及活塞清凈性臺架的建立及試驗方法的研究,必將對我國自主研發(fā)高檔輕負(fù)荷直噴柴油發(fā)動機(jī)油以及柴油發(fā)動機(jī)油規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)的建立和發(fā)展起到一定的推動作用。

(6)直噴柴油發(fā)動機(jī)環(huán)粘結(jié)及活塞清凈性評定法行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿已經(jīng)完成,送審稿待批。

參考文獻(xiàn):

[1] Passenger Car Direct Injection Diesel Engine Ring Sticking and Piston Cleanliness Test(VW 1.9 Liter Turbocharged Intercooled DI Diesel Engine.CEC L-78-99)[S].

收稿日期:2009-02-19。

作者簡介:蔣朝貴(1962-),男,工程師,1987年畢業(yè)于遼寧省石油化工學(xué)?；C(jī)械專業(yè),現(xiàn)從事潤滑油評定工作。