CA6DE3柴油機(jī)低機(jī)油耗開(kāi)發(fā)

王啟航，吳彩麗，張松濤，李來(lái)群，韓祖豪

（1.西安康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安710200；2.道依茨一汽大連柴油機(jī)有限公司，大連116022）

CA6DE3柴油機(jī)低機(jī)油耗開(kāi)發(fā)

王啟航1，吳彩麗2，張松濤2，李來(lái)群2，韓祖豪2

（1.西安康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安710200；2.道依茨一汽大連柴油機(jī)有限公司，大連116022）

CA6DE3國(guó)Ⅲ排放電控柴油機(jī)的低機(jī)油耗開(kāi)發(fā)是通過(guò)對(duì)活塞環(huán)、活塞與缸套的間隙和活塞第一道環(huán)槽的優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。試驗(yàn)結(jié)果表明，樣機(jī)優(yōu)化后的標(biāo)定功率機(jī)油燃油耗比為0.07%，滿足低機(jī)油耗開(kāi)發(fā)工程目標(biāo)0.2%的要求。

柴油機(jī)國(guó)Ⅲ排放機(jī)油耗優(yōu)化試驗(yàn)

1 前言

柴油機(jī)由機(jī)油產(chǎn)生的SOF占其SOF總質(zhì)量的15%～80%，對(duì)排放顆粒有直接的影響。為了滿足越來(lái)越嚴(yán)格的排放法規(guī)，低機(jī)油耗開(kāi)發(fā)已成為整機(jī)開(kāi)發(fā)的重要工作之一，越來(lái)越受到關(guān)注[1]。通常用標(biāo)定功率下的機(jī)油燃油比、機(jī)油消耗率或機(jī)油消耗量來(lái)評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗指標(biāo)[2]。

活塞環(huán)具有氣密功能、控油功能、導(dǎo)熱功能和對(duì)活塞的支撐功能。對(duì)活塞環(huán)設(shè)計(jì)要求可以概括為：（1）具有良好的抗拉缸性能；（2）具有良好的順應(yīng)性能；（3）具有高抗耐磨性、耐腐蝕性能；（4）配合活塞具有良好的密封性能和刮油性能，使機(jī)油耗、漏氣量等指標(biāo)滿足項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的工程目標(biāo)。

作用在活塞環(huán)的力有氣體壓力、環(huán)的自身彈力、環(huán)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力、環(huán)與缸孔及活塞環(huán)槽的摩擦力等。由于這些力的作用，活塞環(huán)將產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)、徑向運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。這些不規(guī)則運(yùn)動(dòng)常常妨礙活塞環(huán)發(fā)揮作用。設(shè)計(jì)活塞環(huán)時(shí)，要充分發(fā)揮活塞環(huán)有利運(yùn)動(dòng)，抑制不利運(yùn)動(dòng)[3]。

通過(guò)對(duì)活塞頭部間隙和活塞第一道環(huán)槽的優(yōu)化，來(lái)改善活塞環(huán)的受力狀況，充分發(fā)揮活塞環(huán)的刮油作用，來(lái)滿足機(jī)油消耗的工程目標(biāo)要求[1-4]。

2 低機(jī)油耗開(kāi)發(fā)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)配置

CA6DE3型柴油機(jī)是道依茨一汽大連柴油機(jī)有限公司的成熟機(jī)型之一。它采用了直噴式、增壓中冷、電控單體泵技術(shù)，滿足國(guó)Ⅲ排放，外特性最低燃油消耗率200 g/(kW·h)。該機(jī)型的主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)如表1所示。低機(jī)油消耗開(kāi)發(fā)的工程目標(biāo)為標(biāo)定功率機(jī)油燃油耗比0.2%。

2.2 試驗(yàn)方法

采用稱重法測(cè)量機(jī)油消耗。該方法為：加入新機(jī)油至油尺的上限，柴油機(jī)起動(dòng)后調(diào)整到試驗(yàn)規(guī)定的工況，機(jī)油溫度穩(wěn)定后，停機(jī)；均勻轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，在1 min以內(nèi)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸一圈，再轉(zhuǎn)至第一缸上止點(diǎn)位置，放油稱重，放油時(shí)間為15 min；將油倒回柴油機(jī)，再稱量未能倒凈的機(jī)油和容器；兩次重量之差，即為加入的機(jī)油量。

表1 CA6DE3柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

起動(dòng)柴油機(jī)，迅速調(diào)整到規(guī)定的試驗(yàn)工況，開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)后，按試驗(yàn)前的方法放油稱重，稱得試驗(yàn)后的機(jī)油量。試驗(yàn)時(shí)間為24 h，運(yùn)行工況為功率162 kW，轉(zhuǎn)速2 300 r/min。

機(jī)油消耗量=試驗(yàn)前加入的機(jī)油量－試驗(yàn)后放出的機(jī)油量。

2.3 降機(jī)油耗措施及試驗(yàn)開(kāi)發(fā)

針對(duì)降低CA6DE3柴油機(jī)機(jī)油耗的目標(biāo)，進(jìn)行了活塞環(huán)、活塞頭部間隙和活塞環(huán)槽的3個(gè)方面的優(yōu)化工作。

2.3.1 活塞環(huán)的優(yōu)化

簡(jiǎn)單地說(shuō)，對(duì)活塞環(huán)的優(yōu)化可概括以下幾個(gè)方面：（1）提高活塞環(huán)的接觸應(yīng)力；（2）提高活塞環(huán)的順應(yīng)性；（3）在活塞下行時(shí)，設(shè)計(jì)成尖銳的下側(cè)刮油棱邊；（4）在活塞上行時(shí)，設(shè)計(jì)成符合流體力學(xué)的工作面幾何形狀，避免頂部出現(xiàn)刮油棱邊；（5）減小環(huán)槽內(nèi)的泵油作用。

對(duì)柴油機(jī)的排放而言，有些要求是相互矛盾的。如一方面要優(yōu)化活塞環(huán)的刮油性能，以減少機(jī)油排放；另一方面要減少活塞環(huán)的摩擦力，以獲得更好的燃油經(jīng)濟(jì)性和較低的CO2排放量。

對(duì)CA6DE3柴油機(jī)活塞環(huán)的優(yōu)化，主要集中在鋼質(zhì)油環(huán)的開(kāi)發(fā)，特別是刮油刃的適當(dāng)降低對(duì)改進(jìn)機(jī)油耗是有效的。其試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。通過(guò)活塞環(huán)的優(yōu)化，標(biāo)定功率機(jī)油燃油耗比從原機(jī)的0.25%降至0.22%，降幅達(dá)到了12%。

2.3.2 活塞頭部間隙的優(yōu)化

在CA6DE3柴油機(jī)完成了活塞環(huán)的優(yōu)化基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)活塞頭部間隙的優(yōu)化，改善活塞環(huán)與活塞環(huán)槽配合以及活塞環(huán)與缸套的受力情況，來(lái)滿足降低機(jī)油耗的工程目標(biāo)?；钊突钊h(huán)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是使第一道環(huán)停留在環(huán)槽底的時(shí)間盡可能長(zhǎng)，使漏氣量和機(jī)油耗降至最低。

活塞與活塞環(huán)間隙的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。適當(dāng)增加活塞頂岸間隙δ1，增加第一道環(huán)岸上部的氣壓，促進(jìn)第一道環(huán)落座。但同時(shí)必須考慮到，δ1的增加，導(dǎo)致活塞環(huán)岸和缸套的有害容積增加，在活塞燃燒室保持不變的情況下，壓縮比會(huì)略有降低。燃燒室K系數(shù)定義為燃燒室容積與活塞上止點(diǎn)的容積之比，是衡量空氣利用率的重要指標(biāo)。δ1的增加會(huì)導(dǎo)致燃燒室K系數(shù)的略微下降，使柴油機(jī)的燃油消耗率和煙度指標(biāo)趨于惡化。本輪試驗(yàn)采用的方案為活塞頭部間隙δ1相對(duì)原機(jī)增大了35.7%。

減少第一道環(huán)岸間隙δ2，改善第一道環(huán)岸的支撐能力。第一道環(huán)槽的下邊緣的倒角設(shè)計(jì)盡可能小，與第一道環(huán)形成密封帶。

第二道環(huán)岸間隙δ3應(yīng)適當(dāng)增加，為第二道環(huán)刮下的機(jī)油提供存儲(chǔ)空間，有利于降低機(jī)油消耗。油環(huán)岸也應(yīng)保證有足夠的間隙，為油環(huán)刮下的機(jī)油提供排泄通道。

對(duì)CA6DE3柴油機(jī)活塞頭部間隙的優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。活塞頭部間隙的優(yōu)化，標(biāo)定功率機(jī)油燃油耗比從優(yōu)化活塞環(huán)的0.22%降至0.07%，得到了68%的改善，超過(guò)了工程目標(biāo)0.2%的要求。

2.3.3 活塞第一道環(huán)槽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

盡管活塞頭部間隙的優(yōu)化對(duì)改善機(jī)油耗的作用顯著，但由于δ1間隙的增大，同時(shí)也導(dǎo)致了有害余隙容積的增加，燃燒室K系數(shù)的降低，使柴油機(jī)燃油消耗率和煙度指標(biāo)有所惡化。

對(duì)CA6DE3柴油機(jī)，在δ1間隙不變的前提下，通過(guò)活塞環(huán)槽的優(yōu)化來(lái)改善第一道環(huán)的受力情況。采用優(yōu)化的活塞環(huán)，將第一道環(huán)與環(huán)槽的下表面配合角度增加1度，使第一道環(huán)與環(huán)槽的工作結(jié)合面外移，趨向于前端密封?；钊h(huán)和活塞環(huán)槽的密封和受力情況示意圖如圖4所示。

對(duì)CA6DE3柴油機(jī)活塞第一道環(huán)槽的優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。活塞第一道環(huán)槽的優(yōu)化方案使標(biāo)定功率機(jī)油燃油耗比從0.22%降至0.14%，得到了36.4%的改善，滿足工程目標(biāo)0.2%的要求。

2.4 優(yōu)化結(jié)果

本輪試驗(yàn)同時(shí)為活塞頭部間隙優(yōu)化和活塞第一道環(huán)槽的優(yōu)化相結(jié)合，來(lái)進(jìn)一步滿足機(jī)油耗和性能要求，同時(shí)也為CA6DE3柴油機(jī)升級(jí)為國(guó)Ⅳ排放的機(jī)油耗開(kāi)發(fā)提供了基礎(chǔ)和借鑒。最終優(yōu)化方案的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖3 活塞頭部間隙優(yōu)化的機(jī)油耗試驗(yàn)結(jié)果

圖4 活塞環(huán)和活塞環(huán)槽的密封和受力情況

3 結(jié)論

CA6DE3柴油機(jī)采用了濕式氣缸套，原機(jī)型通過(guò)缸套網(wǎng)紋的優(yōu)化等措施，試驗(yàn)樣機(jī)在標(biāo)定工況下的機(jī)油燃油比為0.25%。

在原機(jī)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化活塞環(huán)，標(biāo)定功率機(jī)油燃油耗比降低到0.22%。在采用優(yōu)化活塞環(huán)的基礎(chǔ)上，通過(guò)活塞頭部間隙的優(yōu)化，標(biāo)定功率機(jī)油燃油比達(dá)到0.07%，機(jī)油耗達(dá)到了非常理想的水平，但同時(shí)也導(dǎo)致了燃油消耗率和煙度指標(biāo)的略有惡化。在優(yōu)化活塞環(huán)和保持原機(jī)活塞頭部間隙不變的條件下，對(duì)活塞第一道活塞環(huán)槽進(jìn)行了優(yōu)化，標(biāo)定功率機(jī)油燃油耗比達(dá)到0.14%，在滿足了國(guó)Ⅲ排放要求下，CA6DE3柴油機(jī)標(biāo)定工況的機(jī)油燃油耗比達(dá)到了0.2%的開(kāi)發(fā)要求。

Development of Low Oil Consumption of the CA6DE3 Engine

Wang Qihang1,Wu Caili2,Zhang Songtao2,Li Laiqun2,Han Zhuhao2
（1.Xi'an Cummins Engine Company,Xi'an 710200,China; 2.DEUTZ FAW Dalian Diesel Engine Company,Dalian 116022,China）

To development low oil consumption of electronically controlled CA6DE3 engine of ChinaⅠⅠⅠ,optimizations were made on piston rings,clearance between piston and liner,first piston ring groove and then test verifications were carried out accordingly.The results showed that the optimizations make the oil/fuel ratio at rated power as low as 0.07%,meeting the project target of 0.2%.

diesel engine,ChinaⅠⅠemission,oil consumption,optimizing test

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.006

來(lái)稿日期：2013-08-15

王啟航（1971-），男，工學(xué)碩士，主要研究方向?yàn)檩p型車用柴油機(jī)整機(jī)開(kāi)發(fā)。