某柴油機(jī)機(jī)油過(guò)早老化問(wèn)題分析及改進(jìn)

許曉穎，劉近報(bào)，周峰，于佳，田紅霞，李志杰

濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

為保證柴油機(jī)各摩擦副之間正常運(yùn)行，需在摩擦副表面供給一定壓力的潤(rùn)滑油，對(duì)摩擦副進(jìn)行冷卻與潤(rùn)滑，形成潤(rùn)滑油膜，減小摩擦阻力及磨損，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

機(jī)油與高溫的金屬摩擦副零件及空氣接觸，機(jī)油溫度升高，容易氧化變質(zhì)[1-2]。由活塞環(huán)縫隙竄入曲軸箱內(nèi)的高溫燃燒廢氣及各種金屬磨屑、沉積物等造成機(jī)油嚴(yán)重污染[3-4]。此外，冬季從低溫起動(dòng)到發(fā)動(dòng)機(jī)高溫、高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)油溫度波動(dòng)可達(dá)100 ℃以上[5-7]，工作溫度變化范圍過(guò)大，也會(huì)加速機(jī)油老化。

某柴油機(jī)在全速、全負(fù)荷耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)機(jī)油老化快的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度快速增加，碳含量短時(shí)間內(nèi)超出正常范圍。本文中通過(guò)對(duì)影響機(jī)油老化的因素進(jìn)行排查，確定機(jī)油老化快的原因并制定改進(jìn)措施。

1 柴油機(jī)問(wèn)題描述

某發(fā)電用水冷、4沖程、增壓中冷，大功率直噴柴油機(jī)，機(jī)油更換周期為500 h，柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

柴油機(jī)在測(cè)試臺(tái)架上進(jìn)行全速、全負(fù)荷耐久試驗(yàn)，運(yùn)行至61 h時(shí)，檢測(cè)柴油機(jī)機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度為43.2 mm2/s，超過(guò)了文獻(xiàn)[8]中黏度為12.5～16.3 mm2/s的要求；機(jī)油中直徑大于5 μm的顆粒數(shù)量(以下簡(jiǎn)稱(chēng)大顆粒值)為142.1，超出一般機(jī)油中大顆粒值不超過(guò)100的規(guī)定。柴油機(jī)運(yùn)行至96 h時(shí)，柴油機(jī)機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度升高至151.2 mm2/s，機(jī)油中大顆粒值為265，遠(yuǎn)超限值。

將機(jī)油由CD-4 15W-40更換為CF-4 15W-40繼續(xù)進(jìn)行耐久試驗(yàn)，柴油機(jī)運(yùn)行至198 h時(shí)機(jī)油中大顆粒值再次超標(biāo)，拆檢搖臂罩發(fā)現(xiàn)機(jī)油變黑且搖臂上有較多油泥，此時(shí)機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度為158.73 mm2/s，碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.95%，超出一般機(jī)油中碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于2.5%的規(guī)定。試驗(yàn)過(guò)程中檢查柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，各種運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)均顯示正常。試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)機(jī)油中大顆粒物值為287，超出限值，初步判斷機(jī)油過(guò)早老化是由機(jī)油含碳量增加造成的。

2 問(wèn)題分析

在耐久試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)油使用時(shí)間不足100 h就出現(xiàn)老化現(xiàn)象。除了正常老化外，原因可能還包括：機(jī)油牌號(hào)不對(duì)、部分區(qū)域機(jī)油溫度過(guò)高、燃燒室生成物[9]等。為了驗(yàn)證主要原因，進(jìn)行排除試驗(yàn)。

2.1 更換機(jī)油牌號(hào)

選擇CD、CF、CI 3種牌號(hào)的機(jī)油進(jìn)行耐久試驗(yàn)，標(biāo)號(hào)中的第2個(gè)字母表示機(jī)油等級(jí)，排列字母越往后油品質(zhì)量等級(jí)越高。3種牌號(hào)機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 3種牌號(hào)機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線(xiàn)

由圖1可知：3種牌號(hào)的機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度隨運(yùn)行時(shí)間變化差別較大；CD、CF級(jí)機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度升高速率很快，尤其是CD機(jī)油，在運(yùn)行時(shí)間為40 h時(shí)，黏度已經(jīng)達(dá)到26.4 mm2/s，超出限值；CI機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度變化不大；CF級(jí)機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度變化居于CD和CI之間。機(jī)油級(jí)別越高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑和清潔效果越好，顆粒物的容納能力越強(qiáng)。

2.2 不同區(qū)域機(jī)油溫度

柴油機(jī)機(jī)油在高溫、高壓下工作時(shí)，抗氧化穩(wěn)定性變差，熱分解、氧化和聚合的過(guò)程加劇[10-12]。柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)，測(cè)試不同區(qū)域機(jī)油溫度：出水溫度為95 ℃左右時(shí)，主油道最高機(jī)油溫度為105 ℃，油底殼機(jī)油溫度為113 ℃，滿(mǎn)足使用要求；增壓器回油溫度為120 ℃，達(dá)到溫度上限。

2.3 燃燒室生成物

發(fā)動(dòng)機(jī)燃料在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生各種氧化物、烴類(lèi)、煙灰等物質(zhì)，隨著活塞環(huán)竄氣進(jìn)入曲軸箱發(fā)生化學(xué)變化產(chǎn)生固體漆膜及煙泥，污染機(jī)油造成機(jī)油老化及零部件磨損[13-14]。分析柴油機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，煙度為0.29～0.85 FSN，最低燃油消耗率為195 g/(kW·h)，最高排氣溫度為536 ℃，標(biāo)定工況過(guò)量空氣系數(shù)為1.61，空燃比為23.04，均在正常范圍內(nèi)，進(jìn)行拆機(jī)檢查及燃燒分析計(jì)算排查故障原因。

2.3.1 拆機(jī)檢查

對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)各缸活塞頂部均有不同程度的碳煙，且第3、5、6缸活塞頂部及氣缸套壁面碳煙明顯。

清理活塞頂部后觀察油束落點(diǎn)及活塞環(huán)岸變色情況，發(fā)現(xiàn)油束落點(diǎn)痕跡明顯，靠近活塞外圓且存在變色不均勻現(xiàn)象；活塞火力岸與油束落點(diǎn)對(duì)應(yīng)處有變色現(xiàn)象，說(shuō)明數(shù)量較多的柴油噴射到活塞頂面，在頂面燃燒，造成局部高溫。

2.3.2 燃燒分析計(jì)算

燃燒系統(tǒng)確定的前提下，噴油油束在活塞頂?shù)穆潼c(diǎn)與噴油正時(shí)有密切關(guān)系，若噴油正時(shí)提前，油束距離活塞頂面稍遠(yuǎn)，滯燃期較長(zhǎng)，著火前形成更多的可燃混合氣，燃燒充分。若噴油正時(shí)滯后，活塞上行，油束距離活塞頂面較近，容易造成燃燒不充分。性能開(kāi)發(fā)時(shí)確定柴油機(jī)噴油提前角對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為14°，而實(shí)際噴油提前角對(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角約為5°，不考慮避閥坑的深度，進(jìn)行燃燒過(guò)程仿真分析，如圖2所示。

圖2 噴油提前角曲軸轉(zhuǎn)角5°時(shí)燃燒過(guò)程仿真分析

由圖2可知，由于噴油正時(shí)滯后，燃油剛好噴在活塞頂部，部分燃油反彈濺射在氣缸壁上，造成缸套壁面附近形成當(dāng)量比為1左右的混合氣體。由于缸套壁面溫度低，混合氣體遇冷冷凝，形成液態(tài)燃油附著于壁面，低溫的缸套壁面不利于燃油的蒸發(fā)霧化，導(dǎo)致柴油機(jī)運(yùn)行過(guò)程中缸套壁面一直存在未霧化的液態(tài)燃油，這些燃油吸附混合氣中的碳煙，在活塞環(huán)刮油過(guò)程中進(jìn)入曲軸箱內(nèi)，導(dǎo)致機(jī)油中的含碳量超標(biāo)，黏度變大，摩擦副潤(rùn)滑不良，磨損加劇，機(jī)油中大顆粒值增加并超出限值。

3 解決措施及驗(yàn)證

柴油機(jī)機(jī)油內(nèi)大顆粒物值過(guò)高的主要原因是油束落點(diǎn)異常導(dǎo)致燃燒過(guò)程中產(chǎn)生顆粒物，對(duì)柴油機(jī)燃燒進(jìn)行優(yōu)化：1)燃燒室容積增加7.6%，壓縮比由16提高到17， 縮短噴油持續(xù)期；2)活塞喉口直徑增加12.3 mm；3)減小噴油器油束夾角，避免油束噴射到活塞頂面上。

使用優(yōu)化后的柴油機(jī)，采用孔數(shù)均為8、噴嘴結(jié)構(gòu)相同、體積流量不同、噴油器油束夾角不同的4種噴油器，具體參數(shù)如表2所示，進(jìn)行標(biāo)定轉(zhuǎn)速下負(fù)荷特性試驗(yàn)，記為方案1～4。對(duì)比不同轉(zhuǎn)矩下的燃油消耗率、煙度，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

表2 噴油器參數(shù)

a)燃油消耗率 b)煙度

由圖3a)可知：4種方案的燃油消耗率隨轉(zhuǎn)矩的變化趨勢(shì)基本一致，轉(zhuǎn)矩在800 N·m以下時(shí)，燃油消耗率差別不大，但轉(zhuǎn)矩在800 N·m以上時(shí)差別較大；方案1油耗最高，方案2次之，方案3、4的油耗較低。由此可見(jiàn)：油束夾角對(duì)油耗的影響較大，夾角較小時(shí)，大部分柴油噴在燃燒室凹坑內(nèi)，有利于降低油耗。由圖3b)可知：方案4的煙度排放最高，方案3的最低。方案4的體積流量大于方案3，大流量造成局部缺氧，油量增加，煙度排放高。經(jīng)以上分析，應(yīng)減小噴油器油束夾角，同時(shí)控制噴油體積流量。

選擇方案3對(duì)應(yīng)的噴油器，油束夾角為144°，體積流量為2600 mL/min，柴油機(jī)優(yōu)化后進(jìn)行300 h耐久試驗(yàn)，機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度隨運(yùn)行時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 耐久試驗(yàn)機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

由圖4可知：300 h耐久后試驗(yàn)機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度為16.21 mm2/s，試驗(yàn)測(cè)得碳煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.78%，機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度與碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在規(guī)定范圍內(nèi)。機(jī)油含碳量未出現(xiàn)異常，機(jī)油老化問(wèn)題得到解決。

4 結(jié)論

1)機(jī)油級(jí)別越高，高溫狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑能力越強(qiáng)。

2)控制噴油體積流量，可有效控制煙度排放。

3)對(duì)于本機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)，減小噴油器油束夾角，可改變油束落點(diǎn)，減少碳煙生成。

4)柴油機(jī)性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，應(yīng)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)前增加燃燒分析計(jì)算環(huán)節(jié)，有利于縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，保證產(chǎn)品可靠性。