高速大功率柴油機燃油適應性改進設計

丁技峰，王增全，于寶金，張國征，高鑫花

(1.中國北方發動機研究所，天津 300400； 2.中北大學，山西 太原 030051)

0 引言

世界各地所產石油的化學組成都有不同程度的差別。同一種石油，采用不同煉制工藝得到的燃油其化學組成不同[1]。柴油品質顯著影響著柴油機的性能和可靠性[2-4]。不同結構的柴油機，對柴油品質的要求及其苛刻程度也是不同的[5]。為解決某型柴油機燃燒室燒蝕、拉缸問題，對其燃用的當地柴油進行了試驗研究，并對柴油機進行了燃油適應性改進設計。首先進行了燃油影響發動機臺架試驗研究，摸清了所用燃油對該型柴油機可靠性的影響；然后開展了燃油理化特性測試與柴油機缸內燃燒過程測試，分析了燃油的品質對柴油機燃燒室燒蝕和拉缸問題的影響機理；最后對柴油機活塞、噴油器、增壓器和供油提前角進行了適應性改進設計。在改進后的柴油機上進行了燃油適應性臺架考核試驗，試驗結果表明柴油機燃油適應性得到了提高，再未出現類似故障，達到了預期的改進目標。

1 燃油影響試驗研究

1.1 實車故障情況

某部配備了36臺某型車輛，在使用過程中，先后有19臺出現柴油機冒白煙、噴鋁沫故障。故障主要特點均為柴油機氣缸蓋的噴油器安裝孔周邊燒蝕，且在較短時間內出現故障。故障發生的時間范圍大都集中在20 h～28 h，平均為24.7 h。典型故障圖片如圖1所示。

1.2 故障復現臺架試驗與分析

通過現場排查分析，初步懷疑故障原因與燃用當地燃油的油品有關。按設計要求，該型柴油機需使用GJB 3075—1997《軍用柴油規范》規定的燃油。為了得到確認，采用當地燃油在發動機臺架上進行了柴油機可靠性考核試驗。試驗使用量產的一臺交驗合格的新柴油機，按照該型柴油機常規考核試驗規范執行。當考核到21.7 h時，出現柴油機曲軸箱廢氣壓力突然升高，呼吸器冒白煙并噴出大量機油的現象。拆檢發現氣缸蓋噴油器安裝孔周圍與活塞頭部外沿均出現燒蝕現象，且活塞頭部均有不同程度的拉傷。氣缸蓋、活塞損傷情況如圖2所示。考核試驗結果說明:柴油機燃用當地燃油后，短時間內復現柴油機氣缸蓋燒蝕、活塞拉缸等實車損壞故障。該型柴油機在臺架保險期考核中，使用GJB 3075—1997規定的燃油，按照相同的考核規范通過了400 h考核，從未出現過類似故障。因此，燃用當地燃油對該型柴油機短時間內燃燒室零部件燒蝕有直接影響。

圖1 某型車輛柴油機典型故障圖

1.3 燃油理化特性測試與分析

取該部使用的當地燃油和GJB 3075—1997規定的相同標號的軍用柴油，按照石油和石油產品試驗方法國家標準，分別進行十六烷值、餾程等物化性質檢測。圖3為兩種燃油蒸餾曲線測試結果。從圖3可見，當地燃油餾程較寬(餾程是指油品在規定條件下蒸餾所得到的從初餾點到終餾點、表示其蒸發特性的溫度范圍)，為150.7 ℃。當地燃油在159 ℃～250 ℃的溜出量占餾出總量的71.7%，在250 ℃～310 ℃的餾出量僅占餾出總量的28.3%，因此輕餾分含量高。而GJB 3075—1997規定的相同標號的軍用柴油餾程寬度為118.3 ℃，在180 ℃～250 ℃的餾出量僅占餾出總量的40%，而在250 ℃～310 ℃的餾出量占餾出總量的60%以上，因此，重餾分含量高。檢測結果還顯示：當地燃油的十六烷值較低，為49 ℃；而GJB 3075—1997規定的相同標號的軍用柴油的十六烷值為55.2 ℃。

圖2 氣缸蓋、活塞典型損傷圖

圖3 兩種燃油餾出曲線對比圖

十六烷值是評價柴油著火性能和燃燒特性的指標。柴油中的十六烷值高，自燃性好，柴油機著火延遲時間短，工作平穩[6]。而餾程決定柴油的蒸發性能，蒸發性能影響著火延遲期的燃油蒸發量，一般品質好的柴油，其餾程較窄，且在250 ℃～310 ℃之間蒸發的餾分最多[7]。輕餾分燃油比重餾分燃油蒸發性能好，燃燒速度快。但是餾分過輕，在著火延遲期蒸發的餾分過多，將導致柴油機工作粗暴[8]。燃油理化特性測試對比分析結果表明：該部使用的當地燃油油品低于GJB 3075—1997規定的軍用柴油。

1.4 柴油機燃燒過程測試與分析

示功圖是研究和判斷內燃機工作狀態、基本性能、參數計算及放熱規律分析的重要依據，從中可以獲取40多種信息[9]。采用AVL DEWETRON燃燒分析儀，測取了該型柴油機在分別燃用當地燃油和GJB 3075—1997規定的軍用柴油時的外特性工況示功圖。圖4是使用兩種燃油柴油機最大扭矩點示功圖對比情況，相應的燃燒過程主要特征參數如表1所示。表1中，℃A表示曲柄轉角。從表1中可以看出：與軍用柴油相比，燃用當地燃油時，燃燒始點晚，滯燃期長(由于供油時刻一致，則噴油始點一致，滯燃期取決于燃燒始點)，預混燃燒期長，擴散燃燒期短，壓力升高率大。

1.5 故障機理分析

如圖5所示(BTDC為上止點前，TDC為上止點，ATDC為上止點后)，燃燒過程分為4個階段，即滯燃期、預混燃燒期、擴散燃燒期和后燃期[10]。由于滯燃期還沒有著火，而后燃期壓力溫度開始降低，壓力振蕩也大幅衰減，因此在這兩個階段對燃燒系統硬件不可能造成失效，而造成氣缸蓋、活塞失效的階段主要是預混燃燒期和擴散燃燒期。

圖4 使用兩種燃油柴油機最大扭矩點示功圖對比

表1 使用兩種燃油柴油機在燃燒過程的主要特征參數

圖5 柴油機典型燃燒過程示意圖

在預混燃燒中后期和擴散燃燒初期，預混燃燒已擴展到整個燃燒室，缸內溫度已達1 300 K以上，低的十六烷值引起的著火困難已不存在，而此時噴油尚未結束，仍有30%以上的燃油未噴入氣缸，由于當地燃油輕餾分含量高，尤其在大負荷工況下，燃油噴射壓力高，霧化良好，輕餾分柴油在噴孔出口處快速蒸發具備著火條件，在氣缸中央位置產生劇烈燃燒，致使溫度梯度和壓力梯度迅速增加，產生強烈熱沖擊和機械沖擊。

由于該型柴油機沒有供油提前裝置，為保證整機性能，往往選擇較大的固定供油提前角。這樣在常用工作轉速以上時供油提前角相對合理，但隨著轉速的下降，供油提前角會逐步偏大，帶來滯燃期加長、預混燃燒加劇和壓升率升高。再由于當地燃油十六烷值低、250 ℃以下餾分占總量的71.7%，使得滯燃期內有更多的燃油蒸發，蒸發吸熱進一步降低了壓縮終了溫度，進而造成不易著火和著火點推遲。因此在供油提前角和燃油兩方面原因的共同作用下，預混燃燒劇烈，壓升率顯著增加，并伴有壓力振蕩。燃用當地燃油柴油機最大扭矩工況壓升率達2.23 MPa/℃A，比燃用軍用柴油高72.2%，劇烈升高的壓升率帶來的壓力振蕩、沖擊脈沖和溫度梯度，共同作用在氣缸蓋噴油器安裝孔周圍、活塞中央和燃燒室頂部位，造成鋁硅合金氣缸蓋和活塞中的金屬鋁首先脫落，僅留下耐沖擊的其他材料，出現局部斑點和凹坑，發生燒蝕現象；同時造成活塞熱膨脹加大、火力岸配合間隙消失、頭部變形而導致拉缸。

2 燃油適應性改進

2.1 改進內容

根據以上故障機理分析，為提高壓縮終點溫度，縮短燃燒滯燃期，控制壓升率，從柴油機燃燒參數優化方面開展該型柴油機輕餾分燃油適應性改進研究。主要技術措施為：①適當增大活塞壓縮比；②提高噴油器開啟壓力；③適當下移增壓匹配點；④減小柴油機供油提前角。通過系統匹配計算與臺架調試，確定的燃油適應性主要改進內容見表2。

表2 柴油機燃油適應性主要改進內容

2.2 試驗驗證

根據上述改進內容完成該型柴油機樣機改造后，進行了發動機臺架性能試驗，并采用當地燃油按照柴油機常規考核試驗規范進行了可靠性考核。試驗結果表明：經改進后柴油機對輕餾分燃油適應性提高，性能指標基本不變，且未出現短時間(24 h)內燃燒室部件燒蝕故障。考核后氣缸蓋燃燒室部位使用狀況如圖6所示。

3 結論

(1) 高速大功率柴油機由于強化程度高和采用鋁合金結構等，其壓縮比為13左右，供油提前角30 ℃A

左右，因此壓縮溫度低、滯燃期長，對輕餾分柴油不易著火、蒸發汽化快、吸熱等影響較為敏感，從而對輕餾分柴油適應性較差，易發生燒蝕與拉缸故障。

(2) 適當增大活塞壓縮比、提高噴油器開啟壓力，下移增壓匹配點、減小柴油機供油的提前角、可以提高柴油機輕餾分燃油適應性，其本質是優化燃燒，控制壓力升高率。

圖6 改進柴油機氣缸蓋燃燒室部位考核后狀況