某柴油機(jī)活塞漏氣量的分析與優(yōu)化

張虎，孫科，關(guān)瑩（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

某柴油機(jī)活塞漏氣量的分析與優(yōu)化

張虎，孫科，關(guān)瑩
（1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定071000）

針對某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的活塞漏氣量大問題，排查出是由于兩級(jí)增壓器漏氣和第二道氣環(huán)開口間隙偏大引起。通過仿真方法對第二道氣環(huán)開口間隙進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果基本一致。重新確定開口間隙范圍，降低了活塞漏氣量。

兩級(jí)增壓器 活塞漏氣量 開口間隙 AVLEXCITE PR

1　前言

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，高溫高壓氣體從密閉氣缸經(jīng)由活塞環(huán)的側(cè)隙、開口間隙流向曲軸箱，這一路徑稱為活塞漏氣量通道。發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程中，漏氣量主要經(jīng)由漏氣量通道進(jìn)入曲軸箱，其量約占漏氣量總值的95%以上，其余則主要來源于：（1）從氣門桿與氣門導(dǎo)管間的間隙流入曲軸箱的氣體，；（2）進(jìn)入增壓器軸承及密封環(huán)間隙經(jīng)回油管進(jìn)入曲軸箱的氣體；（3）空氣壓縮機(jī)的漏氣經(jīng)由空壓機(jī)機(jī)油回至油底殼的氣體［1］。

當(dāng)密封不良漏氣量超過許用限值時(shí)，會(huì)造成一系列的不良后果，如發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降、油耗增加、運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)、起動(dòng)困難，缸壁與活塞環(huán)之間的油膜被破壞，氣缸與活塞環(huán)之間產(chǎn)生異常磨損，機(jī)油老化變質(zhì)，機(jī)油消耗量增加，活塞承受附加的加熱，可能會(huì)膨脹卡死等［2］。因此對漏氣量進(jìn)行分析對發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)具有重要意義。

2　現(xiàn)象描述和初步分析

我公司新開發(fā)了一款3.0 L直列六缸、四沖程柴油機(jī)，采用了雙頂置中空凸輪軸、兩級(jí)渦輪增壓、可變渦流比、廢氣再循環(huán)、液壓挺柱、滾子搖臂、高壓共軌等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，可滿足歐V及以上排放法規(guī)要求，以低油耗、低排放、高性能為開發(fā)目標(biāo)，滿足國內(nèi)和歐盟市場對高性能動(dòng)力的需求。在臺(tái)架試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)活塞漏氣量偏大，為120 L/min，已超過設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)如圖1所示的魚骨刺圖，分別查找問題和原因：（1）檢測試驗(yàn)方法和臺(tái)架監(jiān)測數(shù)據(jù)，無異常；（2）檢查缸體、活塞、活塞環(huán)的樣件數(shù)據(jù)，無異常；（3）檢查缸體、活塞環(huán)的設(shè)計(jì)：經(jīng)與我司其余幾款柴油機(jī)和寶馬N47的活塞環(huán)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)第二道氣環(huán)開口間隙偏大，可能會(huì)導(dǎo)致漏氣量偏大；（4）檢查兩級(jí)增壓器，由于缺少測試增壓器漏氣量設(shè)備，無法確定增壓器是否漏氣。

圖1　問題排查魚骨刺圖

經(jīng)過問題排查，將原因集中于兩方面：（1）第二道氣環(huán)開口間隙偏大；（2）測量增壓器是否存在漏氣現(xiàn)象，并針對上述這兩個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證。

3　增壓器漏氣量測試

為測試兩級(jí)增壓器工作狀態(tài)下的漏氣量，自制了一個(gè)增壓器漏氣量的測試裝置，如圖2所示。測試裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)上的位置如圖3所示，出氣口連接活塞漏氣量儀。注意：測試裝置的最低端要高于機(jī)油液面，回油管管路連接至機(jī)油液面以下，避免增壓器漏氣至曲軸箱中。

圖2　增壓器漏氣量測量裝置

圖3　增壓器漏氣量測試方法

臺(tái)架測試時(shí)，首先按照正常方法進(jìn)行活塞漏氣量測試。測試完成后，更換增壓器漏氣量測試裝置，重新測量活塞漏氣量，兩次測量結(jié)果如圖4所示。

圖4　活塞漏氣量測量結(jié)果對比

從圖4可知，增壓器確實(shí)存在漏氣現(xiàn)象，且隨轉(zhuǎn)速升高，漏氣量逐漸增多，漏氣量值在4 000 r/min時(shí)達(dá)到30 L/min以上。將此問題反饋至增壓器供應(yīng)商，要求控制中間體及渦端的壓差，并增加機(jī)油密封測試試驗(yàn)，以減少竄漏的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)后期溝通，供應(yīng)商在增壓器總成出廠前，將對全部增壓器總成進(jìn)行密封測試。

4　活塞環(huán)開口間隙過大驗(yàn)證

AVL EXCITE PR是發(fā)動(dòng)機(jī)活塞摩擦副設(shè)計(jì)專用的多體動(dòng)力學(xué)軟件，在活塞動(dòng)力學(xué)、沖擊振動(dòng)噪聲、活塞環(huán)組設(shè)計(jì)、活塞/環(huán)/缸套摩擦、壓力平衡和竄氣、潤滑油消耗、設(shè)計(jì)參數(shù)的趨勢分析等方面發(fā)揮著重要作用?，F(xiàn)使用PR建立該柴油機(jī)活塞環(huán)組模型，對活塞漏氣量進(jìn)行計(jì)算，重點(diǎn)分析環(huán)開口間隙對漏氣量的影響。

4.1仿真模型的校正

為了使仿真結(jié)果更接近試驗(yàn)結(jié)果，就要保證仿真模型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊恢滦?，為此在柴油機(jī)臺(tái)架上測量了標(biāo)定工況的相關(guān)參數(shù)，圖5為缸內(nèi)壓力曲線，仿真模型如圖6所示。在本模型中，缸套輪廓為冷態(tài)輪廓與熱-機(jī)械載荷耦合下仿真結(jié)果的耦合，缸套溫度為氣固溫度場耦合計(jì)算結(jié)果，活塞環(huán)的溫度來源于供應(yīng)商經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，活塞環(huán)的型線來源于設(shè)計(jì)圖紙，如圖7所示。

圖5　標(biāo)定工況下的氣缸壓力曲線

圖6　活塞環(huán)組及氣缸套仿真模型

圖紙中要求第二道氣環(huán)的開口間隙平均值為0.75mm。利用上述模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差為6.6%，在± 10%以內(nèi)，認(rèn)為該模型可信，并用于下一步工作。

4.2更改開口間隙

為驗(yàn)證第二道氣環(huán)開口間隙對活塞漏氣量的影響，將開口間隙分別設(shè)置為0.6～0.8mm，共5種開口間隙，進(jìn)行模擬計(jì)算，最終結(jié)果見圖9。

圖7　缸套、活塞環(huán)模型

圖8　活塞漏氣量

圖9　第二道氣環(huán)開口間隙對活塞漏氣量的影響

從圖中計(jì)算結(jié)果可知，第二道氣環(huán)的開口間隙變化，對活塞漏氣量影響很大。

為避免出現(xiàn)頂口故障，將圖紙中要求的間隙減小0.05mm，并聯(lián)系供應(yīng)商進(jìn)行樣件制作，后期將進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證。

5　總結(jié)

根據(jù)影響活塞漏氣量的主要因素，依據(jù)增壓器漏氣量試驗(yàn)、活塞漏氣量仿真分析等方法排查出增壓器漏氣、第二道氣環(huán)開口間隙偏大為導(dǎo)致漏氣量超標(biāo)的主要原因，并制定出相應(yīng)的整改措施，以降低活塞漏氣量。

［1］周玉，戴松高.柴油機(jī)活塞漏氣量分析及其限值的確定［J］.內(nèi)燃機(jī)，2000（2）：76-79.

［2］蘇穎穎，王伯年.發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)組漏氣分析［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1998（4）.

Analysisand OptimizingofPiston Blowby ofDieselEngine

Zhang Hu，Sun Ke，Guan Ying
（1.TechnicalCenter，GreatWallMotorCompany Limited，Baoding071000，China；2.HebeiAutomobile Engineering Technology＆Research Center，Baoding071000，China）

Found piston blowb y large in a diesel engine Rig-test process.Found out 2-stage turbocharger blowby and second piston ring end gap oversize.By simulation method anlysis the second piston ringend gap，anlysis resultaccord with test result.Redetermineend gap range，reduce piston blowby.

2-stage turbocharger，piston blowby，end gap，AVLEXCITE PR

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.02.006

來稿日期：2015-05-19

張虎（1986-），男，助理工程師，主要研究方向?yàn)榍S系多體動(dòng)力學(xué)。