柴油機機油耗的優化改進及試驗研究

高永春，宋樹峰，高尉尉，張廷玉，陳麗

(1.濱州渤海活塞有限公司，山東 濱州 256602；2.濱州市沾化區農業機械管理局,山東 濱州 256800)

缸內機油消耗超標對于內燃機CO2和顆粒物排放有直接的影響。隨著對汽車的排放要求越來越高，減少機油排放也越來越受到關注[1]。根據機油在內燃機中排放的原理，造成缸內機油消耗的關鍵在于活塞組件[2]，因此優化活塞組件設計對降低機油耗、改善排放有重要的意義。

針對某柴油機在低功率工況試驗過程中排氣歧管出現漏機油現象，通過對活塞油環槽上下側面直線度、油環槽油帶以及油環槽下側面中的回油孔、泄油槽等各部位進行優化設計，并進行試驗驗證，從而解決柴油機漏機油現象，對柴油機有效降低機油消耗從而降低CO2排放有指導意義。

1 柴油機漏油分析

出現機油泄漏的為某公司設計的100 mm缸徑柴油機，其參數如表1所示。

表1 柴油機主要性能參數

柴油機在額定工況和負載試驗時機油耗都正常，而在進行2 h低功率工況(4.7 kW)運行試驗后，拆檢發現排氣管管口有明顯的機油漏出，如圖1所示，對柴油機進行拆機，發現活塞、活塞環、缸套等表面磨損正常，活塞頭部、環岸沒有明顯的積碳，如圖2 所示。

柴油機排氣管出現漏機油現象主要原因有。

1)氣缸缸孔網紋損壞，缸孔變形,活塞環磨損嚴重,使活塞在運行過程中機油上竄進入燃燒室，從排氣門排出。

2)密封件損壞。

3)機油品質不高，活塞積碳嚴重。

4)油底殼機油油面過高、機油壓力過大。

5)活塞設計參數不合理，活塞在運行過程中過多的機油留在活塞環槽部位，不能回流，導致機油上竄進入燃燒室，從排氣門排出。

圖1 拆檢后排氣歧管口圖片 圖2 試驗后活塞外觀圖片

通過對排氣管漏油現象及柴油機各零部件表面情進行分析，排除氣缸缸孔網紋損壞、缸孔變形、密封件損壞和活塞積碳等因素，最終確認主要原因為低功率狀態下燃燒室內形成部分時段的低壓或負壓，油底殼與燃燒室之間出現正壓差導致機油上竄從排氣門流出，出現漏油現象。本文中通過對活塞設計參數的調整，加大活塞的儲油、卸油能力，并進行試驗驗證，活塞優化后降低了柴油機的機油耗，杜絕了低功率工況漏油現象。

2 改進方案確立

根據柴油機排氣管漏油原因確立活塞優化方案，如圖3所示。

a)蝶形油環槽 b)傘形油環槽 c)油帶寬度 d)回油槽和泄油槽圖3 方案示意圖

1)調整活塞油環槽形狀(油環槽上下側面向活塞頂部方向傾斜為碟形，向活塞止口方向為傘形。

2)活塞油環槽上側面油帶寬度由2增加到3 mm。

3)活塞油環槽下側面增加8個回油孔。

4)活塞油環槽下側面增加4個泄油槽。

根據以上4種優化方案進行組合，最終確定試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

3 試驗方法及評價標準

圖4 試驗臺架

對5種優化設計方案在柴油機上進行4.7 kW低功率工況試驗，每2 h停機拆卸柴油機排氣彎管、排氣總管及排氣歧管，并統計漏油情況。每個方案進行25次共計50 h試驗。建立的柴油機試驗臺架如圖4所示。

試驗結束后，根據管口圓柱面內漏油面積占整個圓柱面的比例對試驗結果進行判定，當漏油面積比例達到50%，需要開機烘干30 min再按低功率工況運行，具體標準如表3所示。

表3 漏油判定標準

4 試驗結果及討論

根據試驗標準完成所有5種優化設計方案的試驗。每個方案有250組試驗數據，根據上述判定標準對每組數據進行評價判定，整個試驗判定結果統計如表4所示。

表4 試驗判定結果

圖5 不同方案的試驗合格率

根據活塞漏油判定標準，漏油等級≥3級表示試驗通過，分析各方案試驗判定結果數據，最終得出各組方案的試驗通過率，如圖5所示。

從圖5分析數據可以得出，方案1、2、3中活塞環槽形狀的優化及活塞第三環槽上下環岸增加油帶對柴油機漏油的改進效果不明顯，方案4、5中活塞油環槽下側面增加回油孔和增加泄油槽的設計對柴油機漏油有明顯的改進，而方案4與5的合格率沒有明顯差異，泄油槽對控制機油消耗沒有明顯作用，由此可見，增加回油孔設計對柴油機漏油的改進效果最為顯著。每組試驗過程中排氣管溫度、燃油耗及機油消耗量結果如表5所示。

表5 試驗結果

根據表5可以看出，5個方案中總管排氣溫度、燃油耗及額定功率下機油耗沒有明顯的差異，其中在低功率(4.7 kW)狀態下方案1、2、3機油耗量有減小的趨勢，但差異不大，方案4、5機油耗明顯降低，結合加工成本綜合考慮，方案4被確定為最優改進方案。

圖6所示為改進前與方案4柴油機試驗后排氣管內宏觀情況對比。顯然，通過優化改進后排氣管內較干燥、沒有出現機油泄漏現象。

a)改進前 b)改進后圖6 改進前后排氣管漏油對比

5 結論

1)活塞第3環槽蝶形、傘形增加第3環岸油帶寬度設計，對降低低功率狀態下柴油機機油耗，減小漏油沒有明顯效果。

2)通過將活塞第3環槽增加回油孔、泄油槽的的優化設計，使柴油機低功率(4.7 kW)狀態下漏油試驗通過率分別達到了98.4%、98.8%，機油耗量為由原方案的19.4分別降低到7.5、7.3 g/h，對降低機油耗，減小漏油有明顯效果。

3)通過優化活塞頭部結構設計、可以有效降低柴油機低功率工況下機油消耗，從而進一步改善柴油機排放。