高壓共軌柴油機潤滑油消耗特性研究

楊海翔，雷基林，文 均，，溫志高，申立中

(1.昆明理工大學 交通工程學院，昆明 650500；2.成都銀河動力有限公司，成都 610505)

0 概述

潤滑油消耗率即機油耗，是發動機的一項關鍵性能指標，影響著發動機的動力性、經濟性和可靠性[1-5]。對于內燃機來說，潤滑油經多種途徑向上竄入氣缸內與燃氣一起燃燒，是潤滑油耗損的主要原因。而頂岸刮油、活塞環開口間隙竄油、缸套壁面蒸發及活塞頂環甩油作為4種主要的缸內潤滑油消耗途徑，其潤滑油損失量總和約占耗損總量的90%以上[6-7]。研究表明，柴油機潤滑油消耗生成的顆粒物是影響顆粒物排放的重要因素，竄入缸內燃燒的潤滑油造成了70%～90%的可溶性有機成分(soluble organic fractions，SOF)生成[8-10]。因此，開展柴油機潤滑油消耗特性研究以減少潤滑油消耗，對優化發動機排放具有重要意義。

近年來，國內外學者針對內燃機潤滑油消耗特性開展了眾多試驗研究。文獻[1]中搭建了差壓式潤滑油消耗測量系統，試驗獲得了某型柴油機各工況下的潤滑油消耗曲線。文獻[11]中搭建了激光誘導熒光可視化的試驗平臺，對內燃機缸內潤滑油的流動特性進行了較為深入的研究。文獻[12]中研究了配缸間隙、環岸間隙和活塞銷偏移量等活塞組件關鍵參數對機油耗的影響。目前對于全工況下潤滑油消耗各主要途徑的仿真分析及采用硫示蹤法進行試驗驗證的研究較少。為此采用硫元素示蹤法試驗測試了某高壓共軌柴油機潤滑油消耗隨發動機工況的變化規律[13-14]，以保證試驗結果的準確性。同時建立了活塞組件動力學仿真分析模型，計算分析了經活塞-環組-氣缸套摩擦副的缸內潤滑油消耗特性，著重分析了潤滑油消耗4種主要途徑的規律，為行業相關測試分析提供了參考。

1 研究機型主要結構和性能參數

研究對象為某型直列四沖程高壓共軌柴油機。部分參數如表1所示。

表1 柴油機基本參數表

2 潤滑油消耗的硫示蹤法試驗測試與分析

2.1 試驗測試及分析

硫元素示蹤法是利用進入發動機系統的硫元素與排出的硫元素質量守恒的原理，在發動機上使用低硫的燃油和高硫的潤滑油，從而得出缸內產生的SO2來自竄入燃燒室潤滑油的燃燒，通過測量排氣中的SO2含量反推缸內燃燒消耗的潤滑油量。此種方式相較于傳統的稱重法可實現較準確快速的潤滑油消耗量動態測量[13]，也能提高后續建立的仿真模型驗證的準確性。

本次試驗中使用的潤滑油為定制的長城潤滑油尊龍T-300(CF-4)，標號為10W-30，含硫量為52.622 g/L；柴油含硫量為2.667×10-3g/L，其各項指標滿足國五標準。上述各項成分及理化特性委托北京中元能源技術股份有限公司進行測試。根據試驗需求對試驗室臺架及設備進行搭建。本次試驗所用設備如表2所示。具體設備結構如圖1所示，其中，EGR(exhaust gas recirculation)表示廢氣再循環系統，VNT(variable nozzle turbine)表示可變噴嘴渦輪。

表2 試驗設備

圖1 試驗室臺架結構

本試驗中根據該發動機性能特性，對要進行排放測試的工況點進行劃分，選取200 r/min為一個轉速跨度，著重于高負荷的潤滑油消耗測試，以100%、90%、80%、70%、60%、50%、25%及10%負荷作為工況點進行測試。

2.2 潤滑油消耗測試及分析

通過硫元素示蹤法測得發動機各工況下的潤滑油消耗率如圖2所示。

圖2 發動機潤滑油消耗率隨轉速及負荷變化圖

通過圖2可以得出該柴油機的潤滑油消耗隨轉速和負荷的變化特性表現為：潤滑油消耗率隨轉速的升高而逐漸升高，且增加較為平穩；隨著負荷增加，該柴油機潤滑油消耗率升高，但是在中負荷時消耗率輕微下降，在高負荷時潤滑油消耗率的增速明顯提升。潤滑油消耗率的峰值位于轉速3 000 r/min、負荷100%工況點，峰值為0.282 7 g/(kW·h)。

3 潤滑油消耗特性仿真分析

3.1 邊界條件獲取

為了在仿真分析中保證邊界條件的準確性和合理性，分別開展了活塞溫度場試驗和缸套溫度場試驗，對溫度場有限元仿真計算結果進行校正，經過多次修正得到動力學分析的溫度邊界條件。

3.1.1 活塞溫度場試驗測試

采用硬度塞測溫法及熱電偶測溫法[6]對活塞-缸套組的溫度場進行實測，根據測量結果，計算得到活塞頂面溫度分布圖與等溫線圖，如圖3所示。可見：活塞頂面溫度場的分布情況變化較大，最高溫位于燃燒室喉口，為356 ℃，且活塞頂面燃燒室邊緣呈環狀高溫帶；而最低溫度位于ω型燃燒室底部，為302 ℃，且燃燒室底部溫度均處于較低水平，但燃燒室中央上凸點的溫度較底部溫度有所升高，為 328 ℃，活塞頂面平均溫度為307 ℃。

將測試得到的溫度場測點的溫度作為邊界條件，利用有限元軟件對活塞及缸套的溫度場進行仿真計算。按照經驗公式設置活塞頂面、裙部、環槽、內腔等區域的傳熱系數，進行溫度場初步計算，再以實測值作為條件修正各區傳熱系數，經過多次修正，得到較為準確的溫度場分布結果。

3.1.2 缸套溫度場試驗測試

采用熱電偶法進行缸套溫度場的試驗測試。通過在缸套周向4個方向不同高度開槽打孔，將熱電偶直接固定在缸套壁面，在發動機外特性工況下，通過熱電偶測量缸套溫度場變化情況。

利用試驗測得的邊界條件，通過發動機一維模擬軟件對工作過程進行一維仿真，計算了標定工況缸內壓力、缸內燃氣溫度及燃氣傳熱系數。再將這些邊界條件代入有限元軟件對缸套溫度場進行仿真，結合熱電偶試驗測量值對仿真結果進行優化，最終得到標定工況下的缸套溫度場，如圖4所示。

圖4 缸套溫度分布

3.2 仿真模型的建立

在動力學分析軟件中建立活塞組二階運動的仿真模型，受邊界條件限制，僅對發動機外特性曲線進行仿真計算。其中利用發動機一維模擬軟件仿真得到不同工況下的缸內溫度場狀況，計算出該條件下缸套的熱態型線。再利用有限元軟件計算出活塞剛度矩陣，將以上結果對應不同轉速代入進行計算，從而完善模型參數，其中，頂環間隙0.45 mm，二環間隙0.70 mm，油環間隙0.45 mm。最終建模情況如圖5所示。

圖5 活塞組動力學模型

3.3 潤滑油消耗試驗與仿真結果對比分析

通過以上模型進行模擬仿真，得到該型發動機外特性工況下的潤滑油消耗率結果。結合上文中對該型發動機潤滑油消耗率的試驗分析，將機油耗的仿真計算值與試驗值進行對比可得到圖6。

圖6 發動機外特性潤滑油消耗率仿真值與試驗值對比

可以看出，發動機外特性潤滑油消耗的試驗值與計算值總體趨勢基本相近，均呈現先平穩上升，中等轉速下略微降低，高轉速下快速增加的趨勢。特別值得注意的是，竄氣等方式造成的潤滑油消耗并未在缸內燃燒，因此不能通過硫元素示蹤法計算。即硫元素示蹤法測量的潤滑油消耗量較實際潤滑油消耗量及仿真值都是偏低的，因此測量值小于仿真值是正常的。

3.4 活塞潤滑油消耗仿真結果分析

本研究所計算的潤滑油消耗主要是指缸套壁面蒸發、活塞頂岸刮油、閉口間隙竄油、活塞頂環甩油4種途徑造成的潤滑油消耗[15-16]。將各途徑的消耗率拆開來分析，見圖7～圖10。

圖7 壁面蒸發導致的潤滑油消耗曲線

圖8 頂岸刮油導致的潤滑油消耗曲線

圖9 閉口間隙竄油導致的潤滑油消耗曲線

圖10 頂環甩油導致的潤滑油消耗曲線

從計算結果中可以看出，在4種主要潤滑油消耗途徑中，缸套壁面蒸發量占主要潤滑油消耗途徑總量的61.42%～70.56%；其次是頂環甩油，占比29.42%～38.42%；頂岸刮油這一途徑沒有產生潤滑油消耗,這主要是因為該機型發動機運行時活塞處于懸浮狀態，通過該途徑消耗的潤滑油為0；而活塞環閉口間隙竄油導致的潤滑油消耗占總潤滑油消耗量的0.01%～0.18%，所占比例較小。

對比各潤滑油消耗途徑占比可以看出，在怠速(800 r/min)時，壁面蒸發及頂環甩油的潤滑油消耗都較低。分析認為這是由于低轉速下，缸內溫度較低，潤滑油通過缸套蒸發較少，且低轉速下潤滑油運動慣性小使得甩油量較少。在1 200～2 400 r/min中低轉速范圍內，壁面蒸發的潤滑油消耗迅速增加，隨后各途徑消耗的潤滑油量均維持在一個較為穩定的區間內，壁面蒸發及頂環甩油的潤滑油消耗占比分別在65%及35%附近波動。在2 600～3 000 r/min高轉速區間內，頂環甩油造成的潤滑油消耗占比快速升高，這主要是由高轉速時堆積在活塞頂部的潤滑油在高速運動的慣性作用下大量被甩入燃燒室造成的。

4 結論

(1)隨著轉速和負荷的增加，該型柴油機的潤滑油消耗率呈現低負荷低轉速時快速升高，中負荷時略微降低，高負荷時快速升高的趨勢。

(2)該型柴油機外特性下缸內潤滑油消耗的4種主要途徑中，壁面蒸發和活塞頂環甩油方式的潤滑油消耗所占比例較大，分別占比約61.42%～70.56%及29.42%～38.42%。

(3)該型柴油機外特性下在中低轉速時壁面蒸發的潤滑油消耗量先迅速增加，隨后趨于穩定，隨著轉速的升高變化幅度較小；活塞甩油導致的潤滑油消耗在中低轉速下較低，在高轉速下隨轉速提升快速增大。