１５０系列柴油機(jī)機(jī)油消耗的影響因素分析

[摘要]本文通過(guò)國(guó)內(nèi)外裝甲車輛柴油機(jī)對(duì)比，分析了我軍t50系列柴油機(jī)機(jī)油消耗的影響因素，并提出了一定的改進(jìn)措施，對(duì)提高裝甲車輛的動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性有較重要的意義。

[關(guān)鍵詞]150系列柴油機(jī)機(jī)油消耗影響因素改進(jìn)措施

[中圖分類號(hào)]U467 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1009-5489(2007)03-0089-03

機(jī)油消耗率是發(fā)動(dòng)機(jī)的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，機(jī)油消耗的高低直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能等指標(biāo)。在世界眾多的裝甲車輛中，我國(guó)的150系列發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗率大，尤其以6V150發(fā)動(dòng)機(jī)最大。機(jī)油消耗率大，不僅耗油多，經(jīng)濟(jì)性差，而且增加維護(hù)、保養(yǎng)的次數(shù)，尤其在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中，增加了油料供應(yīng)的數(shù)量和難度，從而使作戰(zhàn)半徑減小。因此，如何降低通過(guò)該處的機(jī)油消耗量，找出發(fā)動(dòng)機(jī)耗油高的原因，提出具體的改進(jìn)措施，對(duì)我軍裝甲裝備的發(fā)展與改進(jìn)具有重大意義。

一、150系列發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗部位及途徑分析

機(jī)油消耗的途徑較多，影響因素錯(cuò)綜復(fù)雜，主要出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)(活塞～氣缸套之間)，氣門導(dǎo)桿處，曲軸箱(強(qiáng)制換氣)以及渦輪增壓器葉輪軸徑處(機(jī)油積炭及泄漏)等幾個(gè)位置。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)機(jī)油消耗量占總機(jī)油消耗量的90％以上。

由于機(jī)油成分，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體、缸套、活塞組件結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)以及發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況等對(duì)缸內(nèi)機(jī)油消耗都有較大影響，故缸內(nèi)機(jī)油消耗機(jī)理非常復(fù)雜。弄清缸內(nèi)機(jī)油消耗的機(jī)理，作者認(rèn)為主要存在著發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)機(jī)油油膜蒸發(fā)和機(jī)油上竄等模型。增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)機(jī)油消耗的主要途徑是，因頂環(huán)運(yùn)動(dòng)，在慣性力的作用下機(jī)油被拋入燃燒室；粘附于缸壁上的油膜，在高溫下蒸發(fā)、燃損；活塞環(huán)的“泵油”作用，使機(jī)油上竄到燃燒室燒損；由于活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)油通過(guò)環(huán)開口間隙及環(huán)與缸壁間隙竄到燃燒室；缸內(nèi)竄氣帶走部分機(jī)油。

二、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗的影響因素分析

影響機(jī)油消耗的因素主要有氣門導(dǎo)桿與氣門導(dǎo)管間隙、缸套變形、活塞、活塞環(huán)厚度、活塞環(huán)開口大小及位置、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況以及機(jī)油壓力和機(jī)油品質(zhì)等。其中活塞、活塞環(huán)及缸套的設(shè)計(jì)參數(shù)(影響氣缸套的變形、活塞運(yùn)動(dòng)、活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)等)對(duì)機(jī)油消耗的影響尤為重要。

1 氣門桿與氣門導(dǎo)管間隙對(duì)機(jī)油消耗的影響

氣門桿和氣門導(dǎo)管的工作溫度高，潤(rùn)滑條件惡劣。按設(shè)計(jì)要求，每小時(shí)用0.2～1.0ml左右的機(jī)油來(lái)潤(rùn)滑，從經(jīng)濟(jì)角度著眼，氣門桿與導(dǎo)管間隙要小，避免因間隙過(guò)大，進(jìn)氣沖程缸內(nèi)負(fù)壓的抽吸作用將機(jī)油吸入燃燒室消耗掉。但間隙過(guò)小，由于氣門與高壓、高溫燃?xì)庵苯咏佑|，氣門與導(dǎo)管膨脹增大，會(huì)產(chǎn)生卡死現(xiàn)象。從潤(rùn)滑角度講，要求間隙偏大一些。但間隙大，氣門在進(jìn)、排氣凸輪側(cè)壓力的作用下，擺動(dòng)量大，導(dǎo)致氣門與導(dǎo)管的偏磨損，使導(dǎo)向作用變差。因此在設(shè)計(jì)中，導(dǎo)管與氣門之間的間隙及材料的選擇及處理都有特別嚴(yán)格的要求。

產(chǎn)生機(jī)油消耗率過(guò)高有兩個(gè)原因：一是安裝間隙過(guò)大。據(jù)試驗(yàn)，機(jī)油的消耗量有1／3—1／2是從氣門桿與導(dǎo)管的間隙進(jìn)入燃燒室燒掉的。由于安裝間隙過(guò)大，在凸輪側(cè)壓力的推動(dòng)作用下，氣門桿與導(dǎo)管經(jīng)常發(fā)生碰撞，磨損加劇，使間隙進(jìn)一步增大。二是采用材料不適當(dāng)。150系列發(fā)動(dòng)機(jī)氣門導(dǎo)管多是鋁青銅(QA110-4-4)制成的。排氣門采用耐高溫、強(qiáng)度高、耐腐蝕的4Cr10S12Mo耐熱鋼。進(jìn)氣門工作溫度低，采用20cmNi4Va制成。經(jīng)對(duì)多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)修理分解得知，大多數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣門桿與導(dǎo)管，都發(fā)生粘著磨損。發(fā)生粘著磨損后。氣門不能靈活開啟、關(guān)閉。由此可見，這些材料在性能方面還存在一些問題。

2 缸套變形對(duì)機(jī)油消耗的影響 氣缸尺寸、形狀與表面粗糙度對(duì)于保持氣缸筒內(nèi)圓、活塞環(huán)的密封性能起到?jīng)Q定作用，特別對(duì)磨損影響很大?；钊麑?duì)不圓氣缸的適應(yīng)性是有限的，容易造成不均勻的壁面壓力，使密封環(huán)磨損不均，導(dǎo)致拉缸、串氣和過(guò)量的機(jī)油消耗。

12150ZLC發(fā)動(dòng)機(jī)采用的汽缸套是由高效合金剛42MnCr52制成的，而6V150發(fā)動(dòng)機(jī)采用濕式薄壁鋼質(zhì)缸套，用強(qiáng)度和氮化性很高的38CrMoAlA合金鋼制造。內(nèi)表面用精加工網(wǎng)紋研磨處理，有利于油膜的形成。但該氣缸壁太薄，按濕式氣缸因穴蝕的影響，設(shè)計(jì)要求壁厚不得少于缸徑的7％。6V150缸徑為150mm，而壁厚才9mm，由于缸壁薄，剛度差，氣缸簡(jiǎn)受熱后易產(chǎn)生橢圓變形。因此，致使活塞環(huán)難以保證氣缸的良好密封，導(dǎo)致竄油量增加，機(jī)油消耗量增大。

3 活塞對(duì)機(jī)油消耗的影響

12150L發(fā)動(dòng)機(jī)活塞采用LD8鍛鋁合金材料，該材料耐高溫，強(qiáng)度好，有較高的導(dǎo)熱率和延伸性，鍛造性好。但缺點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)大，防止因間隙小造成活塞卡死或拉缸，設(shè)計(jì)時(shí)必須增大配缸間隙。由于配缸間隙大，竄入燃燒室的機(jī)油增加，機(jī)油消耗量就高。

4 活塞環(huán)對(duì)機(jī)油消耗的影響 落后的五環(huán)組合，錐形油環(huán)易磨損，刮油能力下降，致使泵油量增大。活塞環(huán)對(duì)機(jī)油量的控制主要依靠油環(huán)的刮油能力，油環(huán)不能刮下氣缸筒內(nèi)表面多余的潤(rùn)滑油時(shí)，則機(jī)油的消耗量會(huì)明顯增多。12150L油環(huán)為6。錐角的錐形環(huán)，剛開始刮油效果很好，但由于這種油環(huán)在單位壓力很大時(shí)易磨損，隨著使用時(shí)期的增長(zhǎng)，造成單位壓力下降，導(dǎo)致刮油能力下降。隨著錐面的磨損，環(huán)與環(huán)槽的間隙也就越來(lái)越大，儲(chǔ)油量增加，泵油現(xiàn)象也越來(lái)越大。因此，錐形環(huán)的刮油能力下降過(guò)快也是機(jī)油消耗量過(guò)大的一個(gè)原因。

5 運(yùn)行工況對(duì)機(jī)油消耗的影響 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況是機(jī)油消耗的一個(gè)重要的影響因素。研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)荷越高，單位時(shí)間的機(jī)油消耗量也越大。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒壓力和氣缸壁溫度相當(dāng)，其機(jī)油消耗也幾乎相等。由此可見，缸內(nèi)機(jī)油消耗是發(fā)動(dòng)機(jī)總體機(jī)油消耗的主要部分。

此外，發(fā)動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)變工況也會(huì)造成較大的機(jī)油消耗。美國(guó)西南研究院的Smumu Ariga等人根據(jù)美國(guó)聯(lián)邦瞬態(tài)測(cè)試法測(cè)量發(fā)現(xiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)的瞬態(tài)機(jī)油消耗量明顯大于其轉(zhuǎn)速升高和負(fù)荷升高時(shí)的瞬態(tài)機(jī)油消耗量，這可能是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)工況動(dòng)態(tài)變化時(shí)部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定引起的。另外，他們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)速度和負(fù)荷變化時(shí)，機(jī)油消耗會(huì)有幾分鐘的周期波動(dòng)，Susumuriga等人將這一現(xiàn)象歸因于活塞環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)影響所致。

6 機(jī)油品質(zhì)對(duì)機(jī)油消耗的影響根據(jù)12150L發(fā)動(dòng)機(jī)使用規(guī)范，其工作油溫為70—90度，回油溫度允許到90～110度，短時(shí)間內(nèi)(不超過(guò)10分鐘)允許到110度，在5度以上時(shí)，都是用16號(hào)坦克機(jī)油做潤(rùn)滑系機(jī)油。16號(hào)坦克機(jī)油溫度在100度時(shí)其運(yùn)動(dòng)粘度為1.65—1.7mm／B2。當(dāng)回油溫度在90—100度時(shí)其粘度太低，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速稍有下降時(shí)，潤(rùn)滑油壓力將會(huì)明顯下降，有時(shí)甚至?xí)档搅恪＿@表示通過(guò)間隙流走的機(jī)油比機(jī)油泵供給的多。根據(jù)目前使用單位反饋的信息，發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中油壓偏低就是這個(gè)原因。當(dāng)油溫超過(guò)100度時(shí)，機(jī)油粘度小，油膜??；當(dāng)轉(zhuǎn)速低、負(fù)荷大時(shí)，油膜很容易破裂，加速了環(huán)與氣缸壁，環(huán)與槽之間的磨損。使配缸間隙、環(huán)的開口間隙增大，導(dǎo)致機(jī)油消耗率過(guò)高。

機(jī)油在高溫下易氧化，油膜越薄，轉(zhuǎn)速越高，溫度越高，氧化越快。溫度每升高10度氧化速度增加約一倍，通常在50～60度時(shí)氧化速度明顯增大。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，在環(huán)與缸套之間的溫度可達(dá)150—250度，甚至更高。16號(hào)坦克機(jī)油在80～100度氧化較明顯，氧化生成的含氧化合物，如醇、醛、酚類，在高溫下從機(jī)油在揮發(fā)出去，導(dǎo)致潤(rùn)滑油的損失，還有的低分子氧化物進(jìn)一步縮合成高分子化合物而生成膠質(zhì)。另外，機(jī)油在貯存、運(yùn)輸、使用過(guò)程中，進(jìn)水或吸收空氣中水分，使機(jī)油在高溫下乳化試驗(yàn)表明，16號(hào)坦克機(jī)油長(zhǎng)期處于100度溫度中，乳化速度成倍增加。無(wú)論是氧化還是乳化，都會(huì)縮短機(jī)油的使用期，造成機(jī)油的消耗率過(guò)高。

7 機(jī)油壓力對(duì)機(jī)油消耗的影響

在機(jī)油溫度一定的條件下，內(nèi)燃機(jī)的機(jī)油消耗量與機(jī)油壓力幾乎成線性關(guān)系，油壓越高。機(jī)油消耗也就越大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力對(duì)機(jī)油流量的影響很大，在活塞環(huán)、氣門桿與氣門導(dǎo)管間隙等處，機(jī)油壓力越高，流入燃燒室的機(jī)油也就越多；在曲軸箱中，因?yàn)闄C(jī)油流量的增加，促使機(jī)油揮發(fā)加快。

三、減小機(jī)油消耗率的改進(jìn)措施

1 改善氣門導(dǎo)管材料

將氣門導(dǎo)管材料(QA110-4-4)鋁青銅進(jìn)行鐵基粉沫處理。排氣門4Cr10Si2Mo耐熱鋼進(jìn)行軟化滲氮處理，并減小氣門與導(dǎo)管間的間隙。

鋁膏銅(QA110-4—4)具有一定的耐磨性。但在高溫下其強(qiáng)度下降，耐磨性下降。將QA110-4-4進(jìn)行鐵基粉洙處理后，其表面硬度增加，耐磨性也增加，更主要的是鐵基粉沫處理后的鋁青銅，對(duì)潤(rùn)滑油的粘附能力增強(qiáng)，有利于油膜的形成，防止氣門潤(rùn)滑惡劣發(fā)生粘著磨損。

排氣門4Cr10Si2Mo耐熱鋼是一種馬氏體鋼，這種鋼在650度以下溫度上可以滿足其強(qiáng)度與耐熱耐磨性，但6V150等發(fā)動(dòng)機(jī)氣門溫度高達(dá)700~C以上，也容易發(fā)生粘著，因此將4Crl0Si2Mo鋼進(jìn)行表面滲氮處理后，其硬度由原來(lái)的HB255～302提高到HB388—698，表面深度>0.07mm的氮化層，具有良好的抗粘著磨損性能。將兩種材料熱處理后，同時(shí)將進(jìn)氣門安裝間隙由原來(lái)的0.056～0.092mm減至O，003—0，007ram，排氣門安裝間隙由原來(lái)的0.076～0.112mm減至0.005～0.010mm，便能減少機(jī)油的消耗量。

2 增大汽缸筒的壁厚

將氣缸壁厚度增加5～7mm，以提高氣缸筒的剛度，減少其橢圓變形量。

目前，大多數(shù)高溫、高壓、高速柴油機(jī)在氣缸筒結(jié)構(gòu)上，均增加了氣缸筒的厚度。如我國(guó)的79式坦克、88式坦克，俄T-80坦克發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸壁都比86步戰(zhàn)車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壁厚7mm，59坦克發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壁比86步戰(zhàn)車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壁厚5mm。因此，有必要將發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸厚度增加5—7mm，以提高氣缸筒的剛度，減少了變形，利于活塞環(huán)密封，減少機(jī)油消耗量。 3 改善活塞的材料 將鍛鋁活塞改為共晶鋁合金材料，以減少配缸間隙。 12150L與6V150發(fā)動(dòng)機(jī)活塞是鍛鋁(LD8)活塞，該材料膨脹系數(shù)較大，因此配缸間隙大，第一環(huán)容易磨損。為了改善這一狀況，我國(guó)已成功地在88式坦克12150ZIC發(fā)動(dòng)機(jī)上采用共晶鋁活塞材料，該材料膨脹系數(shù)小，高溫強(qiáng)度高，活塞型面采用先進(jìn)和變截面橢圓形設(shè)計(jì)，頂部陽(yáng)極化處理，增強(qiáng)了隔熱能力，側(cè)面采用噴涂石墨，并在第一槽嵌有鑄鐵環(huán)槽，以改善早期磨合和第一環(huán)的工作環(huán)境。鼓形活塞受熱變形均勻，可使配缸間隙大幅度減至0.25～0.32mm，使機(jī)油消耗率降至2g／kw.h，并延長(zhǎng)機(jī)油更換期。

4 減少活塞環(huán)的數(shù)目

將五環(huán)組改為三環(huán)組，提高油環(huán)的刮油能力。

12150L與6V150發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是五環(huán)組。西方發(fā)達(dá)國(guó)家高速內(nèi)燃機(jī)上早已采用了三環(huán)組合，我國(guó)也在88式坦克、59改、92輪式裝甲輸送車發(fā)動(dòng)機(jī)上采用了三環(huán)組合。根據(jù)目前三環(huán)組合發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)看：第一環(huán)為氣環(huán)?；静捎镁匦苇h(huán)或梯形環(huán)，矩形環(huán)氣體密封好。而梯形環(huán)則利用于高溫發(fā)動(dòng)機(jī)。因?yàn)楦邷匕l(fā)動(dòng)機(jī)工作中，機(jī)油易氧化產(chǎn)生積炭或膠質(zhì)，造成活塞環(huán)卡死。由于梯形環(huán)的形狀有利于排除積炭，可有效防止活塞環(huán)卡死。第二環(huán)也為氣環(huán)，基本上采用錐形環(huán)。錐形環(huán)一般用于中間環(huán)，因?yàn)殄F形環(huán)具有較好的磨合能力，兼有密封和向下刮油作用。第三道環(huán)為組合鋼片油環(huán)。裝甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī)一般油環(huán)壓力為0.007～0.23MPa，而組合鋼片油環(huán)可達(dá)0.08～0.11MPa。實(shí)踐證明，采用組合鋼片油環(huán)可大大降低機(jī)油消耗量。在同一發(fā)動(dòng)機(jī)上將一般油環(huán)換上組合鋼片油環(huán)后，潤(rùn)滑油的消耗率從原來(lái)的10.12g／kw.h降至1.73g／kw.h。組合鋼片油環(huán)由幾片鋼片組成，撓性大，對(duì)氣缸的適應(yīng)性強(qiáng)，彈力大而均勻。除了鋼片式組合環(huán)外，彈簧脹圈式組合環(huán)也能獲得這樣良好的效果。因此，將五環(huán)組改為三環(huán)組合，有利于發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室的密封，能夠降低機(jī)油消耗量。

5 使用與規(guī)范相適應(yīng)的機(jī)油 根據(jù)使用規(guī)范，150系列發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作油溫一般為70～90度，允許到110度，短時(shí)間最高可到110度。而我軍目前坦克發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是16號(hào)坦克機(jī)油(5℃以上時(shí))。從部隊(duì)調(diào)研情況看，16號(hào)坦克機(jī)油不太適應(yīng)這么高的溫度，應(yīng)使用50CC機(jī)油。因50CC機(jī)油是在16號(hào)坦克機(jī)油基礎(chǔ)上制造的，其清凈分散、抗氧化性、抗磨性及抗乳化能力，都較16號(hào)坦克機(jī)油有所提高，基本能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)用油的需要。

四、結(jié)束語(yǔ)

由于我軍現(xiàn)有裝甲裝備在設(shè)計(jì)時(shí)，追求了發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和功率大的優(yōu)點(diǎn)，疏忽了發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)材料和經(jīng)濟(jì)性。加上我國(guó)工藝水平和材料性能較落后，導(dǎo)致大多數(shù)150系列發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗率偏高，越來(lái)越不適應(yīng)我國(guó)國(guó)情和未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，隨著我國(guó)國(guó)力的增強(qiáng)和科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，裝甲裝備的明天一定會(huì)更好。

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