494Q增壓柴油機(jī)可靠性試驗(yàn)及改進(jìn)措施分析

謝緯安，瞿 磊，王 忠，馮偉杰

（1.南通職業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 南通 226007；2.江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引言

柴油機(jī)的壓縮比大、熱效率和能量利用率高，能夠滿足各種配套機(jī)械的需求，廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、工程機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、航海等領(lǐng)域，也是公路、鐵道、礦區(qū)和油井等不可或缺的動(dòng)力機(jī)[1?3]。

可靠性作為評(píng)價(jià)柴油機(jī)的重要指標(biāo)，是柴油機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，發(fā)揮其應(yīng)有功能的前提和基礎(chǔ)。

可靠性試驗(yàn)?zāi)軌蛴行гu(píng)估柴油機(jī)及其零部件的性能與使用壽命，對(duì)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與安全性具有重要的意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)的研究：文獻(xiàn)[4]運(yùn)用模糊相似產(chǎn)品法與綜合評(píng)判法對(duì)柴油機(jī)的可靠性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，以原柴油機(jī)的可靠性數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)柴油機(jī)的可靠性進(jìn)行了模糊預(yù)測(cè)，解決了工程中柴油機(jī)可靠性預(yù)計(jì)所需數(shù)據(jù)不足和可信度不高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了確定性信息和不確定信息的互補(bǔ)，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了190A 型柴油機(jī)可靠性壽命試驗(yàn)，建立了柴油機(jī)早期故障期、偶然故障期、損耗故障期的壽命模型，提出了柴油機(jī)在整個(gè)壽命期內(nèi)故障曲線為典型的浴盆曲線，并論證了柴油機(jī)系統(tǒng)可靠性壽命的分布規(guī)律。文獻(xiàn)[6]提出了采用失效模式與效應(yīng)分析理論來(lái)優(yōu)化柴油機(jī)的可靠性，研究的核心是建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)用來(lái)評(píng)估和優(yōu)化柴油機(jī)的性能，從而改善柴油機(jī)的可靠性，該研究已被應(yīng)用于重型柴油機(jī)。文獻(xiàn)[7]在可靠性方面也做了大量的工作，卡特彼勒公司生產(chǎn)的3500系列柴油機(jī)，平均故障間隔時(shí)間可達(dá)到（2000~4000）h，德國(guó)某公司生產(chǎn)的226B 水冷柴油機(jī)，在可靠度50%時(shí)，中等嚴(yán)重故障平均間隔時(shí)間為3000h，嚴(yán)重故障平均間隔時(shí)間為5000h。

增壓作為提高柴油機(jī)功率的有效方法，能夠改善其動(dòng)力和排放性能，但柴油機(jī)增壓后，水溫和油溫升高，潤(rùn)滑條件有所惡化，增加了柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷[8?9]，因此如何優(yōu)化柴油機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以滿足增壓柴油機(jī)的性能要求是該領(lǐng)域內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本研究以494Q 增壓柴油機(jī)為對(duì)象，通過(guò)1000h可靠性試驗(yàn)，從動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性兩方面出發(fā)，測(cè)量了柴油機(jī)功率、扭矩等動(dòng)力性指標(biāo)與有效燃油消耗率等經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。針對(duì)柴油機(jī)在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)潤(rùn)滑油壓力和溫度過(guò)低的問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化齒輪泵結(jié)構(gòu)，改善柴油機(jī)的潤(rùn)滑性能，并對(duì)比了試驗(yàn)前、后柴油機(jī)的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對(duì)柴油機(jī)搭載優(yōu)化件的功能及柴油機(jī)可靠性進(jìn)行考察。

2 試驗(yàn)裝置與方案

2.1 試驗(yàn)用柴油機(jī)與測(cè)試裝置

利用發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)某車用494Q增壓柴油機(jī)展開(kāi)可靠性試驗(yàn)，柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)，如表1所示。試驗(yàn)過(guò)程中的測(cè)試設(shè)備主要包括：CWF250電渦流測(cè)功器、MCS?960油耗儀、ACS?15Aa 電子天平、AVL422活塞漏氣儀、DSZ?6數(shù)字式轉(zhuǎn)速表、XMZ數(shù)字顯示儀等，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，如圖1所示。

表1 494Q增壓柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main Technical Parameters of 494Q Turbocharged Diesel Engine

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.1 Field Diagram of Engine Bench Test

2.2 試驗(yàn)方案

按照柴油機(jī)在臺(tái)架上的磨合標(biāo)準(zhǔn)（16N7117?2003），先進(jìn)行50h的磨合運(yùn)行。磨合完成后，按照GB/T 19055?2003“汽車發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法”，進(jìn)行柴油機(jī)1000h可靠性試驗(yàn)。按照GB/T18297?2001“汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法”，進(jìn)行柴油機(jī)的凈功率、負(fù)荷特性、外特性、活塞漏氣量、機(jī)油消耗量等性能參數(shù)的測(cè)量。依據(jù)“494Q增壓柴油機(jī)技術(shù)規(guī)范”，柴油機(jī)的最大功率下降不大于4%，燃油消耗率上升應(yīng)小于4%；潤(rùn)滑油消耗百分比應(yīng)小于0.4%，活塞漏氣量應(yīng)小于75L/min。

采用混合負(fù)荷方式進(jìn)行柴油機(jī)可靠性試驗(yàn)，試驗(yàn)規(guī)范，如圖2所示。在怠速工況下運(yùn)轉(zhuǎn)5min，然后油門(mén)全開(kāi)，在最大凈扭矩轉(zhuǎn)速（1800r/min）下運(yùn)轉(zhuǎn)10min，在最大凈功率轉(zhuǎn)速（3500r/min）下運(yùn)轉(zhuǎn)40min，最后在標(biāo)定轉(zhuǎn)速（3600r/min）下運(yùn)轉(zhuǎn)5min，至此完成一個(gè)循環(huán)，每循環(huán)歷時(shí)60min，共測(cè)試1000個(gè)循環(huán)。

圖2 混合負(fù)荷試驗(yàn)規(guī)范示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Mixed Load Test Specification

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 工況監(jiān)測(cè)及異常工況解決方案

在進(jìn)行494Q增壓柴油機(jī)1000h可靠性時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)柴油機(jī)的功率、扭矩、排氣溫度、潤(rùn)滑油溫度和壓力、活塞漏氣量、冷卻水溫等參數(shù)。當(dāng)柴油機(jī)運(yùn)行至200h，出現(xiàn)了的潤(rùn)滑油壓力和溫度降低的現(xiàn)象，如圖3所示。與原機(jī)運(yùn)行工況相比，在各轉(zhuǎn)速下潤(rùn)滑油壓力和溫度均出現(xiàn)不同程度的降低，潤(rùn)滑油壓力降低更為明顯，平均降低約0.06MPa；運(yùn)行200h后，在標(biāo)定轉(zhuǎn)速3600r/min工況下，潤(rùn)滑油壓力為0.3MPa，與原機(jī)相比降低0.1MPa，潤(rùn)滑油壓力的降低會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)動(dòng)零部件表面無(wú)法建立正常的油膜厚度，不能滿足柴油機(jī)的潤(rùn)滑需求。因此需停機(jī)進(jìn)行檢查，首先對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行排查，排除因測(cè)試設(shè)備等原因?qū)е聹y(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。對(duì)使用的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行檢查，更換潤(rùn)滑油壓力表，檢查附件箱等零部件，調(diào)整潤(rùn)滑油壓力彈簧。調(diào)整后繼續(xù)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，但在運(yùn)轉(zhuǎn)210h，由圖3可以看出，潤(rùn)滑油壓力仍然出現(xiàn)降低現(xiàn)象。因此需對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行停機(jī)拆檢，從而確定故障部位。

柴油機(jī)停機(jī)拆檢后發(fā)現(xiàn)曲軸止推軸瓦及活塞均出現(xiàn)不同程度的損壞，如圖4~圖5所示。圖4中，曲軸止推軸瓦出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞，導(dǎo)致曲軸后油封出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，進(jìn)而造成潤(rùn)滑油壓力的降低；同時(shí)活塞處于拉缸初始階段，由圖5可以看出，第一缸活塞冷卻噴嘴狀態(tài)異常且活塞裙部最下端有一定程度的損壞。

圖5 第一缸活塞拆檢情況實(shí)物圖Fig.5 Physical Picture of Disassembly and Inspection of the First Cylinder Piston

通過(guò)上述分析，表明由于潤(rùn)滑系統(tǒng)每循環(huán)供油量較小，導(dǎo)致無(wú)法滿足運(yùn)動(dòng)零部件的潤(rùn)滑需求，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后出現(xiàn)的潤(rùn)滑油壓力和溫度下降、零件損壞等問(wèn)題，因此需提高潤(rùn)滑油泵的性能，494Q增壓柴油機(jī)采用外嚙合齒輪式潤(rùn)滑油泵，潤(rùn)滑油瞬時(shí)流量計(jì)算公式為[10]：

式中：R1、R2—主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪的節(jié)圓半徑，mm；ω1—主動(dòng)齒輪的角速度，rad/s；B—齒輪的寬度，mm；h1、h2—主、從動(dòng)齒輪的齒頂高，mm；f—兩齒輪嚙合點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的距離，mm。

由式（1）中可以看出，影響潤(rùn)滑油泵瞬時(shí)流量的因素主要包括主、從動(dòng)齒輪的節(jié)圓半徑，主、從動(dòng)齒輪的齒頂高，兩齒輪嚙合點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的距離以及齒輪的寬度。從實(shí)際潤(rùn)滑油泵加工的難易程度及加工成本角度出發(fā)，通過(guò)增加齒輪的寬度以改善潤(rùn)滑油泵的泵油能力，增加潤(rùn)滑油的瞬時(shí)流量。因此對(duì)潤(rùn)滑油泵的齒輪寬度進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，在原尺寸基礎(chǔ)上增大2mm。

對(duì)潤(rùn)滑油泵進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后裝配在柴油機(jī)上，重新進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，持續(xù)運(yùn)行185h后，得到的潤(rùn)滑油壓力與溫度隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，如圖6所示。隨轉(zhuǎn)速的增加，潤(rùn)滑油壓力出現(xiàn)小幅降低，在轉(zhuǎn)速為3200r/min工況時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的最低潤(rùn)滑油壓力約為0.4MPa。隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步增加，潤(rùn)滑油壓力有所升高，潤(rùn)滑油溫度逐漸上升，在轉(zhuǎn)速為3200r/min工況時(shí)出現(xiàn)最高潤(rùn)滑油溫度為116℃。隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，潤(rùn)滑油泵每循環(huán)的泵油量增大，同時(shí)潤(rùn)滑油的溫度逐漸升高，導(dǎo)致其粘度下降、流動(dòng)性增強(qiáng)，潤(rùn)滑油在運(yùn)動(dòng)零部件摩擦表面的附著能力也稍有下降。在柴油機(jī)標(biāo)定工況點(diǎn)（3600r/min，92kW），潤(rùn)滑油溫度低于115℃，潤(rùn)滑油壓力高于0.35MPa，滿足柴油機(jī)工作要求的最低潤(rùn)滑油壓力。上述結(jié)果表明通過(guò)增大潤(rùn)滑油泵齒輪寬度，能夠解決潤(rùn)滑油壓力過(guò)低，溫度過(guò)高的問(wèn)題，從而避免零件損壞。

圖6 改進(jìn)后的潤(rùn)滑油壓力與溫度隨轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.6 Curve of Pressure and Temperature of Improved Lubricating Oil with Engine Speed

3.2 標(biāo)定工況的性能特征

對(duì)柴油機(jī)潤(rùn)滑油泵進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，在1000h可靠性試驗(yàn)期間，測(cè)得柴油機(jī)標(biāo)定工況點(diǎn)，有效燃油消耗率、功率、扭矩、排氣溫度等性能參數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化規(guī)律，如圖7所示?？梢钥闯觯撼行加拖穆食什▌?dòng)上升趨勢(shì)外，功率、扭矩、排氣溫度均隨著時(shí)間的推移呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。

圖7 標(biāo)定工況有效燃油消耗率、功率、扭矩和排氣溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Curve of Effective Fuel Consumption Rate，Power，Torque and Exhaust Temperature Versus Time at the Rated Case

從定量角度來(lái)看，運(yùn)行1000h后的柴油機(jī)有效燃油消耗率比原機(jī)高5.6g/kW·h，有效燃油消耗率的波動(dòng)范圍為（?1.6%～1.2%）；功率下降3.1kW，波動(dòng)范圍為（?1.9%～1.4%），扭矩減小8Nm，波動(dòng)范圍為（?2%～2%），排氣溫度下降12℃，波動(dòng)范圍為（?1.4%～1.3%）。從各參數(shù)的整體變化情況以及波動(dòng)區(qū)間來(lái)看，柴油機(jī)在標(biāo)定工況點(diǎn)的主要性能未出現(xiàn)惡化。

3.3 試驗(yàn)前后性能對(duì)比

根據(jù)柴油機(jī)外特性的測(cè)量結(jié)果繪制出試驗(yàn)前、后有效燃油消耗率對(duì)比曲線，如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)前、后柴油機(jī)有效燃油消耗率曲線Fig.8 Effective Fuel Consumption Rate of Engine Before and After Test

從圖中可以看出：1000h可靠性試驗(yàn)后，柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的有效燃油消耗率均有所上升，其中在轉(zhuǎn)速范圍為（2600~3200）r/min 內(nèi)上升最為明顯，在轉(zhuǎn)速為2200r/min 附近的有效燃油消耗率變化最小。與原機(jī)相比，標(biāo)定工況點(diǎn)有效燃油消耗率上升2.3%；有效燃油消耗率最大差值出現(xiàn)在2800r/min，上升了約3.9%。

總體上，柴油機(jī)在進(jìn)行1000h可靠性試驗(yàn)后，有效燃油消耗率的上升幅度均低于4%，符合494Q增壓柴油機(jī)技術(shù)規(guī)范。

1000h可靠性后，柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的功率、扭矩與原機(jī)的對(duì)比數(shù)據(jù)，如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)前、后發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和功率曲線Fig.9 Power and Torque Curve of Engine Before and After Test

從圖中可以看出：柴油機(jī)在運(yùn)行1000h后，不同轉(zhuǎn)速下功率和扭矩均有所下降，其中在3200r/min 工況下功率下降最大，在1500r/min的工況下扭矩下降最大。與原機(jī)相比，所有工況下的最大功率下降均小于4%，在標(biāo)定工況點(diǎn)的最大功率下降為3.4%；同時(shí)在最大扭矩工況點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩下降約為6 N·m?？傮w上可以看出，改進(jìn)后的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在試驗(yàn)后依然保持著良好的機(jī)械特性。

3.4 試驗(yàn)后活塞漏氣量與進(jìn)氣流量

1000h可靠性試驗(yàn)后，按外特性運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)的活塞漏氣量與進(jìn)氣流量隨轉(zhuǎn)速的變化曲線，如圖10所示。進(jìn)氣流量隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，增加速率逐漸減緩；轉(zhuǎn)速為1600r/min時(shí)，進(jìn)氣流量為84L/min，在標(biāo)定轉(zhuǎn)速3600r/min 時(shí)，進(jìn)氣流量為600L/min?；钊饬侩S柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，其中在2600r/min到3000r/min時(shí)的上升最為明顯。轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)，活塞漏氣量達(dá)到最大值，為70.2L/min，標(biāo)定轉(zhuǎn)速3600r/min時(shí)，活塞漏氣量為62.4L/min。總體上活塞漏氣量均小于75L/min，符合494Q增壓柴油機(jī)技術(shù)規(guī)范。

圖10 試驗(yàn)后活塞漏氣量與進(jìn)氣流量曲線Fig.10 Curve of Air Leakage and Intake Flow of Piston After Test

4 結(jié)論

通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架，對(duì)494Q增壓柴油機(jī)進(jìn)行了1000h可靠性試驗(yàn)，主要得到以下結(jié)論：

（1）試驗(yàn)中柴油機(jī)出現(xiàn)了潤(rùn)滑油壓力下降的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行拆檢發(fā)現(xiàn)潤(rùn)滑油油泵的泵油能力不足。根據(jù)齒輪泵瞬時(shí)流量計(jì)算公式，綜合考慮加工工藝與成本，提出了增大柴油機(jī)潤(rùn)滑油泵齒輪寬度2mm的優(yōu)化方案。改進(jìn)后柴油機(jī)的潤(rùn)滑油壓力、溫度恢復(fù)正常，表明該方案能夠有效改善潤(rùn)滑油泵的泵油能力。

（2）改進(jìn)后的柴油機(jī)進(jìn)行1000h可靠性試驗(yàn)，除燃油消耗率呈波動(dòng)上升趨勢(shì)外，功率、扭矩、排氣溫度均隨著時(shí)間的推移呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。定量來(lái)看，運(yùn)行1000h后的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率比原機(jī)高5.6g/kW·h，功率下降3.1kW，扭矩減小8Nm，排氣溫度下降12℃。

（3）對(duì)比試驗(yàn)前、后柴油機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，在標(biāo)定工況發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性均有所下降，標(biāo)定工況點(diǎn)的有效燃油消耗率上升了2.3%，功率下降了3.4%，符合柴油機(jī)技術(shù)規(guī)范。

（4）可靠性試驗(yàn)后，隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，進(jìn)氣流量逐漸增大，活塞漏氣量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在轉(zhuǎn)速為3000r/min時(shí)，活塞漏氣量達(dá)到最大值70.2L/min，小于測(cè)試限值75L/min，也符合柴油機(jī)技術(shù)規(guī)范。