電子呼吸器對豎軸柴油機性能影響及研究分析

趙鎖成，李勝利，郭增元，劉彥軍，安祿政，耿小昌，郭曉松，范亞棟

(河北華北柴油機有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050081)

近年來，隨著市場對豎軸柴油機的需求越來越迫切，豎軸柴油機研發(fā)已成為國內(nèi)動力設(shè)計工作者的迫切任務(wù)，然而在研發(fā)豎軸柴油機時困難重重。豎軸柴油機的曲軸方向相對于常規(guī)橫軸柴油機的方向不同，它的中心軸與水平方向垂直，活塞與缸套的中心軸平行于水平方向。豎軸柴油機的活塞、缸套因重力產(chǎn)生的慣性力矩遠超過直列橫軸柴油機產(chǎn)生的慣性力矩，并且缸套更容易受熱負荷影響，進而導(dǎo)致工作過程惡化[1]。豎軸柴油機箱體竄氣量大，導(dǎo)致積攢廢氣多、廢氣壓力高、潤滑條件惡化、氣缸蓋和氣缸套的溫度偏高、氣缸磨損加劇[2-3]，然而在同一設(shè)計參數(shù)下的豎軸柴油機竄氣量遠大于橫軸柴油機，因此箱體內(nèi)部竄氣量和廢氣壓力成為新型豎軸柴油機研發(fā)過程中的難點。如何降低豎軸柴油機廢氣壓力，是提高其整機性能的主要研究方向。

1 箱體竄氣量對柴油機的影響及解決辦法

柴油機處于工作狀態(tài)時，燃燒室內(nèi)總有一部分廢氣經(jīng)活塞密封面進入曲軸箱體內(nèi)，會污染并稀釋機油，與曲軸箱內(nèi)的機油氣體混合，導(dǎo)致曲軸箱內(nèi)廢氣壓力升高，因此一般情況會在箱體某處增加呼吸器裝置，目的是將曲軸箱內(nèi)的油氣進行分離，一路通過呼吸器分離出的機油返回箱體，另一路的廢氣直排到空氣中，從而降低箱體內(nèi)部的竄氣量[4-6]。一般呼氣器裝置分為機械呼吸器和電子呼吸器。機械呼吸器按連接方法又分為閉式和開式。閉式呼吸器是將廢氣接入進氣系統(tǒng)再進行燃燒，開式呼吸器是將廢氣直接排入大氣[7-9]。

曲軸箱內(nèi)部廢氣壓力是反饋曲軸箱內(nèi)部竄氣量的一個重要參數(shù)。曲軸箱內(nèi)部的竄氣量過高，會對發(fā)動機造成如下幾點影響：1)大量的機油蒸汽與廢氣進行混合，導(dǎo)致機油耗量增加；2)廢氣壓力過高，導(dǎo)致潤滑系統(tǒng)循環(huán)受阻、機油壓力下降、潤滑環(huán)境惡劣等影響；3)廢氣大量積攢在箱體內(nèi)部，箱體內(nèi)部的熱量很難與冷卻水進行交換，導(dǎo)致箱體散熱性差；4)廢氣過大，導(dǎo)致柴油機實際功率遠小于設(shè)計功率等影響[10-11]。因此，在研發(fā)新型豎軸柴油機時分別采用了開式呼吸器、閉式呼吸器和電子呼吸器進行試驗，并對廢氣壓力、機油消耗量、負荷、功率、機油壓力、機油溫度、排溫等性能參數(shù)進行檢測與分析，研究箱體內(nèi)部竄氣量對豎軸柴油機性能的影響。

2 機械呼吸器試驗及結(jié)果分析

2.1 開式呼吸器試驗及結(jié)果分析

根據(jù)所研發(fā)的豎軸柴油機各參數(shù)選擇開式呼吸器型號為CA498，在豎軸柴油機箱體上部加工一孔與其相連，呼吸器的回油管與箱體側(cè)面孔相連，連接示意圖如圖1所示。由于箱體內(nèi)壓力高于大氣壓，箱體內(nèi)的廢氣被壓入機械式呼吸器，通過呼吸器后，噴灑在擋油帽上，擴散后的油靠重力沿管壁下滑到分離器下部，經(jīng)排油管流回箱體內(nèi)部，同時，氣體因密度小而上升，經(jīng)分離傘集中向上改變流動方向，將氣體中的小油滴粘附在傘壁上，聚集后沿壁而下，脫油后的氣體經(jīng)分離器頂部排氣管進入大氣，流程圖如圖2所示。

圖1 連接示意圖

圖2 廢氣流程圖

為驗證開式呼吸器對發(fā)動機整機性能的影響，需要在不同轉(zhuǎn)速下對整體式缸套豎軸柴油機各性能參數(shù)進行測試。本試驗選擇穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測試點分別為2 000、2 200、2 400、2 600、2 800、3 000、3 200、3 400、3 600、3 800和4 000 r/min，共計11個轉(zhuǎn)速點，并記錄每個轉(zhuǎn)速點的柴油機性能參數(shù)。

廢氣壓力、機油壓力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢圖如圖3所示。通過圖3可以分析出，隨著轉(zhuǎn)速的升高，廢氣壓力逐漸升高，機油壓力逐漸降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時，廢氣壓力與轉(zhuǎn)速接近正比式的增加，機油壓力突然降低，但是潤滑系統(tǒng)仍滿足發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的技術(shù)要求。但是當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時，此時功率為33 kW，負荷為143 N·m，廢氣壓力高達1.3 kPa，機油壓力降至0.25 MPa，廢氣已經(jīng)阻礙了潤滑系統(tǒng)中機油的循環(huán)，導(dǎo)致潤滑環(huán)境惡劣，已不能滿足潤滑系統(tǒng)的技術(shù)要求。功率未達到設(shè)計時理論功率37 kW，機油壓力已經(jīng)低于技術(shù)要求，因此開式呼吸器不適用于此款豎軸柴油機使用。

圖3 廢氣壓力、機油壓力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢圖

2.2 閉式呼吸器試驗及結(jié)果分析

與2.1所選呼吸器一致，不同之處是通氣口與增壓器相連，通過增壓器工作抽出箱體內(nèi)部的廢氣，保持箱體內(nèi)壓力為負值，閉式呼吸器連接示意圖如圖4所示。與2.1節(jié)油氣分離工作原理相同，不同點在于通氣口連接增壓器，分離后的廢氣通過增壓器壓入進氣管，隨空氣進入缸內(nèi)進行燃燒，廢氣流程圖如圖5所示。

圖4 閉式呼吸器連接示意圖

圖5 閉式呼吸器廢氣流程圖

為驗證閉式呼吸器對豎軸柴油機整機性能的影響，應(yīng)對不同轉(zhuǎn)速下的整體式缸套豎軸柴油舷外機各性能參數(shù)進行測試。本試驗選擇穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測試點與2.1節(jié)相同，共計11個轉(zhuǎn)速點，并記錄每個轉(zhuǎn)速點的柴油機性能參數(shù)，各轉(zhuǎn)速點的負荷除4 000 r/min與2.1節(jié)不同外，其余各轉(zhuǎn)速點的負荷均相同。

廢氣壓力、機油壓力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢如圖6所示。由圖6分析研究得出，增壓器的渦輪隨著轉(zhuǎn)速的增加，工作效率不斷提高，對廢氣的吸力越來越大，因此廢氣壓力隨轉(zhuǎn)速的增加而減少，機油壓力始終保持在0.3 MPa以上，表明潤滑系統(tǒng)機油路循環(huán)流暢，滿足技術(shù)要求。且當(dāng)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時，功率為37 kW，機油壓力為0.31 MPa，此時此款豎軸柴油機功率已達到設(shè)計功率值。但是在最高轉(zhuǎn)速滿負荷工況下，運行約1 h機油消耗大概2 L，機油壓力降到0.25 MPa左右。停止試驗后拆除進氣管，發(fā)現(xiàn)增壓器與呼吸器通氣管連接處存有大量機油。經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)動機在高轉(zhuǎn)速、高負荷下運轉(zhuǎn)，機體內(nèi)部溫度過高，機油蒸汽與廢氣混合形成油氣混合氣體，混合氣體溫度過高，進入呼吸器后，有一部分油氣不及時分離出來，隨著增壓器的吸力進入到燃燒室進行燃燒，導(dǎo)致機油消耗。因此閉式呼吸器也不適用于此款新型發(fā)動機。

圖6 廢氣壓力、機油壓力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢圖

3 電子呼吸器試驗及結(jié)果分析

根據(jù)所研發(fā)的豎軸柴油機各參數(shù)選擇電子呼吸器型號為TOPAS，TOPAS性能參數(shù)見表1。在豎軸柴油機箱體上部加工一孔與其出氣口相連，電子呼吸器的回油管與箱體側(cè)面孔相連，電源正負極與電池正負極相連，信號線接入ECU，試驗臺架示意圖如圖7所示。

表1 TOPAS性能參數(shù)

圖7 電子呼吸器連接示意圖

電子呼吸器工作原理：電子呼吸器根據(jù)箱體內(nèi)部廢氣隨轉(zhuǎn)速變化趨勢，編程寫入ECU，通過ECU控制電動機轉(zhuǎn)速，進而控制抽箱體內(nèi)部廢氣的量和廢氣壓力的大小。電子呼吸器的電動機上安裝葉輪，葉輪隨著電動機轉(zhuǎn)動，抽入的廢氣是油氣和廢氣的混合物，油氣進入電子呼吸器后，小油滴隨葉輪轉(zhuǎn)動進行離心運動，甩在呼吸器壁上，沿壁流入回油管，進而流回箱體，確保潤滑系統(tǒng)良好的工作。分離出的廢氣通過呼吸器的通氣孔排入大氣。廢氣流程圖如圖8所示。

圖8 電子呼吸器廢氣流程圖

為驗證電子呼吸器對豎軸柴油機整機性能的影響，應(yīng)對不同轉(zhuǎn)速下的整體式缸套豎軸柴油機各性能參數(shù)進行測試。本試驗選擇穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測試點與2.1節(jié)相同，共計11個轉(zhuǎn)速點，并記錄每個轉(zhuǎn)速點的柴油機性能參數(shù)，各轉(zhuǎn)速點的負荷與2.2節(jié)相同，廢氣壓力、機油壓力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢圖如圖9所示。

根據(jù)電子呼吸器工作原理，結(jié)合圖9分析研究得出，電子呼吸器工作時的功率是額定的，因此隨著發(fā)動機箱體內(nèi)部廢氣不斷增大，檢測的廢氣壓力值逐漸增大，廢氣壓力高達0.15 kPa，機油壓力始終保持在0.3 MPa以上，表明廢氣壓力值在允許范圍內(nèi)，潤滑系統(tǒng)機油路循環(huán)流暢，滿足技術(shù)要求。且當(dāng)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時，功率為37 kW，機油壓力為0.33 MPa，此時此款豎軸柴油機功率已達到設(shè)計功率值。最高轉(zhuǎn)速滿負荷工況下，運行約1 h機油消耗幾乎為零，機油壓力始終保持在0.3 MPa左右。在進行200 h考核試驗時，機油消耗10 mL，在允許范圍內(nèi)。

圖9 廢氣壓力、機油壓力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢圖

4 電子呼吸器對豎軸柴油機性能影響

電子呼吸器解決了豎軸柴油機在高轉(zhuǎn)速、高負荷下運轉(zhuǎn)時廢氣量大、廢氣壓力高等問題，良好地排出了箱體內(nèi)部的廢氣，并完全實現(xiàn)了油氣分離，分離出的機油再次流回潤滑系統(tǒng)，機油壓力有所提高，降低了機油消耗，優(yōu)化了潤滑系統(tǒng)，改善了豎軸柴油機的性能。

5 結(jié)語

通過對采用開式、閉式呼吸器與電子呼吸器的豎軸柴油機進行對比試驗分析，得出了采用電子呼吸器的豎軸柴油機使箱體內(nèi)的廢氣量得到很好的排出，并進行了離心式的油氣分離，降低了廢氣壓力，減小了箱體竄氣量，提高了額定功率，改善了豎軸柴油機的整機性能，使豎軸柴油機的各性能參數(shù)得到了優(yōu)化。