柴油機(jī)漏氣量試驗(yàn)研究

朱衛(wèi)華

(海軍裝備部，陜西 西安 710021)

柴油機(jī)的漏氣量影響著功率輸出，并且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)逐漸提高和排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，這種影響越發(fā)明顯。發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒氣體通過活塞、活塞環(huán)和氣缸壁面從燃燒室滲透到曲軸箱的氣體中有約70%未燃?xì)怏w和30%已燃?xì)怏w[1-3]。雖然世界范圍內(nèi)沒有特別明確地限制發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱排放，但卻限制總的發(fā)動(dòng)機(jī)排放，包含排氣管路排出的氣體和曲軸箱竄出的氣體[4]。相關(guān)文獻(xiàn)顯示，曲軸箱竄出的氣體是發(fā)動(dòng)機(jī)PM排放的主要來源，隨著未來排放法規(guī)的頒布，曲軸箱PM污染將越來越受重視[5-6]。Andrés L S等[7-10]對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣進(jìn)行了試驗(yàn)和仿真研究，對(duì)活塞環(huán)涂層抑制泄漏進(jìn)行了定量分析；景國璽等[11]研究了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)油消耗的影響；蘇敏等[12]研究了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱漏氣量測(cè)量儀檢定規(guī)程應(yīng)用中值得注意的問題；王憲成等[13]研究了漏氣率對(duì)柴油機(jī)性能的影響。這些研究為柴油機(jī)漏氣量試驗(yàn)研究提供了重要參考。

柴油機(jī)的漏氣量要高于汽油機(jī)，并且在全負(fù)荷時(shí)達(dá)到最大，對(duì)于小型柴油機(jī)(排量為1.3～3 L)，漏氣量變化范圍為10～60 L/min[14]。為防止曲軸箱內(nèi)的漏氣污染大氣，AVL公司采用許可限值進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量的評(píng)估，許可限值=每分鐘實(shí)測(cè)漏氣量/(發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速×排量)×100%；標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)，許可限值為(0.4±0.06)%為合格。德國施米德公司(Schmidt)的漏氣量設(shè)計(jì)目標(biāo)值一般低于進(jìn)氣量的0.5%。在技術(shù)狀態(tài)正常的情況下，點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)漏氣量一般為發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量的0.5%～1%[15]。

研究對(duì)象為某車用6缸增壓中冷柴油機(jī)，標(biāo)定功率為410 kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，排量為7.2 L。在該發(fā)動(dòng)機(jī)的使用過程中，存在部分工況下缸內(nèi)高溫高壓燃?xì)庑孤┝看?，從而?dǎo)致機(jī)油惡化和曲軸箱呼吸器冒油等現(xiàn)象，不僅污染發(fā)動(dòng)機(jī)外部設(shè)備，而且還增加了使用危險(xiǎn)。為了探明發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)對(duì)漏氣量的影響，進(jìn)行了漏氣量試驗(yàn)測(cè)試。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量理論分析

發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量的影響因素可用式(1)表示：

(1)

發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)，漏氣量隨轉(zhuǎn)速和扭矩的升高而增加；發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量在高扭矩時(shí)基本上也呈現(xiàn)類似的規(guī)律。轉(zhuǎn)速升高，各潤滑部位的大量機(jī)油以自由回落的方式經(jīng)過連桿、曲軸等運(yùn)動(dòng)件，高速撞擊后形成高濃度油氣混合物,這種現(xiàn)象嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致呼吸器冒油。

圖1 活塞環(huán)密封系統(tǒng)竄氣示意

活塞環(huán)密封系統(tǒng)的漏氣流通面積Aleak=A1(活塞環(huán)開口間隙截面)+A2(活塞環(huán)外周流通面)+A3(活塞環(huán)下端面)。

由以上分析可以看出，發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量主要受結(jié)構(gòu)參數(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)兩方面影響。目前，結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)漏氣量的影響研究較多[1-3，9-11],發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)對(duì)漏氣量的影響研究較少。本研究通過對(duì)某車用6缸增壓中冷柴油機(jī)的漏氣量試驗(yàn)測(cè)試，定量分析了發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、機(jī)油溫度和最高燃燒壓力對(duì)漏氣量的影響。

2 試驗(yàn)測(cè)試方法與儀器設(shè)備

漏氣測(cè)量設(shè)備連接示意如圖2所示，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱排出的廢氣經(jīng)油氣分離器后，通過漏氣量測(cè)試儀測(cè)出發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量。油氣分離器中分離的機(jī)油通過機(jī)油回油泵回到機(jī)油箱，機(jī)油箱產(chǎn)生的油氣通過管路與發(fā)動(dòng)機(jī)連通，用攝像頭監(jiān)控機(jī)油箱液面位置，保障發(fā)動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。主要儀器設(shè)備見表1，其中測(cè)試的每個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)10 min后記錄數(shù)據(jù)。

圖2 漏氣測(cè)量連接示意

表1 主要儀器設(shè)備

續(xù)表

3 漏氣量試驗(yàn)研究

3.1 轉(zhuǎn)速和扭矩對(duì)漏氣量的影響

由圖3可見，相同扭矩下，隨轉(zhuǎn)速增加，漏氣量基本呈線性增加趨勢(shì)，1 200 N·m，800 N·m和400 N·m扭矩下的漏氣量曲線斜率基本相同；轉(zhuǎn)速每增加10%，漏氣量約增加12%，漏氣量增加的主要原因是隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加活塞的做功頻率增大，導(dǎo)致漏氣量增大。

圖3 轉(zhuǎn)速對(duì)漏氣量的影響

由圖4可見，相同轉(zhuǎn)速下，隨扭矩增加，漏氣量也基本呈線性增加趨勢(shì)。3 200 r/min，2 800 r/min和2 400 r/min轉(zhuǎn)速下，扭矩每增加10%，漏氣量約增加5%。漏氣量增加的主要原因?yàn)?，隨扭矩增加指示平均有效壓力增大，導(dǎo)致活塞環(huán)組漏氣量增加。

圖4 扭矩對(duì)漏氣量的影響

根據(jù)圖3和圖4中的漏氣量曲線可以得出，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)漏氣量的影響大于扭矩對(duì)漏氣量的影響，即當(dāng)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，在標(biāo)定功率一定的情況下，提高轉(zhuǎn)速會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量增加。

漏氣量占發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量的百分比見圖5。隨轉(zhuǎn)速和扭矩升高，漏氣量增大，但漏氣量最大的工況并不是漏氣率(漏氣量占進(jìn)氣量的百分比)最高的區(qū)域，漏氣率最高的區(qū)域出現(xiàn)在2 600～2 800 r/min的中等扭矩區(qū)域。

圖5 漏氣量占進(jìn)氣量的百分比

3.2 機(jī)油溫度對(duì)漏氣量的影響

在轉(zhuǎn)速為3 200 r/min、扭矩為1 200 N·m和400 N·m以及轉(zhuǎn)速為2 400 r/min、扭矩為1 200 N·m和400 N·m這4個(gè)工況下，進(jìn)行了針對(duì)不同機(jī)油溫度的漏氣量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 機(jī)油溫度對(duì)漏氣量的影響

扭矩較高時(shí)(轉(zhuǎn)速3 200 r/min、扭矩1 200 N·m和轉(zhuǎn)速2 400 r/min、扭矩1 200 N·m)，漏氣量隨機(jī)油溫度的升高而減少，但呼吸器冒油加重。呼吸器冒油加重與機(jī)油溫度升高導(dǎo)致曲軸箱高速氣流中的機(jī)油含量增加、機(jī)油氣泡增長速度加快以及消泡能力減弱有關(guān)。扭矩較低時(shí)(轉(zhuǎn)速3 200 r/min、扭矩400 N·m和轉(zhuǎn)速2 400 r/min、扭矩400 N·m)，隨機(jī)油溫度升高，漏氣量變化不明顯。

3.3 最高燃燒壓力對(duì)漏氣量的影響

通過調(diào)整供油提前角改變最高燃燒壓力，同時(shí)調(diào)節(jié)油量保持扭矩恒定，試驗(yàn)結(jié)果見圖7。隨最高燃燒壓力的增加，漏氣量呈增加趨勢(shì)。對(duì)于轉(zhuǎn)速3 200 r/min、扭矩800 N·m的工況，缸內(nèi)最高燃燒壓力升高3.6 MPa時(shí)，漏氣量增加8 L/min；對(duì)于轉(zhuǎn)速2 400 r/min、扭矩800 N·m的工況，缸內(nèi)最高燃燒壓力升高2.7 MPa時(shí)，漏氣量增加7 L/min。

圖7 最高燃燒壓力對(duì)漏氣量的影響

4 發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過程對(duì)漏氣量的影響

該6缸柴油機(jī)的漏氣量試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩是影響漏氣量的主要因素。下面結(jié)合缸內(nèi)循環(huán)過程分析瞬時(shí)漏氣量和累計(jì)漏氣量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。

圖8 6缸柴油機(jī)仿真模型

基于活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)循環(huán)理論，依據(jù)該6缸柴油機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立和校核柴油機(jī)一維熱力學(xué)仿真模型(見圖8)。其中，活塞環(huán)密封系統(tǒng)的漏氣流通面積通過連通缸內(nèi)與大氣的管道進(jìn)行模擬(見圖9)。

圖10和表2示出了轉(zhuǎn)速3 200 r/min、扭矩800 N·m工況下的仿真計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，仿真與試驗(yàn)的缸壓曲線擬合較好，漏氣量數(shù)值接近，可以認(rèn)為該模型能夠模擬該柴油機(jī)的運(yùn)行工況，并且在保持本體結(jié)構(gòu)不變的情況下，能夠模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的循環(huán)漏氣過程。

圖9 漏氣流通面積模擬示意

圖10 3 200 r/min，800 N·m工況下仿真與試驗(yàn)缸內(nèi)壓力曲線

表2 仿真模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

結(jié)合缸內(nèi)壓力曲線(見圖10)可見，轉(zhuǎn)速3 200 r/min、扭矩800 N·m工況下漏氣主要集中在壓縮和做功階段(見圖11)，缸內(nèi)壓力越高瞬時(shí)漏氣量越大，并且瞬時(shí)漏氣量曲線與缸內(nèi)壓力曲線形狀相似。

圖11 單缸瞬時(shí)漏氣量和累計(jì)漏氣量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化

發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)循環(huán)的漏氣量可以表示為

(2)

發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量表示為

(3)

轉(zhuǎn)速3 200 r/min、扭矩800 N·m工況下，通過式(3)計(jì)算得出ε為0.354。

在ε為0.354條件下，以3 200 r/min，1 200 N·m和2 800 r/min，800 N·m的試驗(yàn)缸內(nèi)壓力曲線(見圖12)為基礎(chǔ)，通過式(3)計(jì)算得到的漏氣量見表3，計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果誤差在±2%以內(nèi)。

圖12 缸內(nèi)壓力曲線

表3 計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

通過某6缸增壓中冷柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、扭矩、機(jī)油溫度、最高燃燒壓力下的漏氣量試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

a) 柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)漏氣量的影響大于扭矩對(duì)漏氣量的影響，轉(zhuǎn)速每增加10%，漏氣量約增加12%，扭矩每增加10%，漏氣量約增加5%；

b) 漏氣量最大的工況并不是漏氣率最高的工況，漏氣率最高的區(qū)域出現(xiàn)在中等轉(zhuǎn)速、中等扭矩的區(qū)域；

c) 機(jī)油溫度和最高燃燒壓力對(duì)漏氣量有影響，但影響程度遠(yuǎn)小于轉(zhuǎn)速和扭矩對(duì)漏氣量的影響；

d) 瞬時(shí)漏氣量曲線與缸內(nèi)壓力曲線形狀相似，通過式(3)可以預(yù)測(cè)采用相同結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量。