柴油機漏氣量試驗研究

2021-06-30 02:15:00朱衛(wèi)華

車用發(fā)動機 2021年3期

朱衛(wèi)華

(海軍裝備部，陜西西安 710021)

柴油機的漏氣量影響著功率輸出，并且隨著發(fā)動機強化指標(biāo)逐漸提高和排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴格，這種影響越發(fā)明顯。發(fā)動機缸內(nèi)燃燒氣體通過活塞、活塞環(huán)和氣缸壁面從燃燒室滲透到曲軸箱的氣體中有約70%未燃氣體和30%已燃氣體[1-3]。雖然世界范圍內(nèi)沒有特別明確地限制發(fā)動機曲軸箱排放，但卻限制總的發(fā)動機排放，包含排氣管路排出的氣體和曲軸箱竄出的氣體[4]。相關(guān)文獻顯示，曲軸箱竄出的氣體是發(fā)動機PM排放的主要來源，隨著未來排放法規(guī)的頒布，曲軸箱PM污染將越來越受重視[5-6]。Andrés L S等[7-10]對發(fā)動機漏氣進行了試驗和仿真研究，對活塞環(huán)涂層抑制泄漏進行了定量分析；景國璽等[11]研究了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)對機油消耗的影響；蘇敏等[12]研究了汽車發(fā)動機曲軸箱漏氣量測量儀檢定規(guī)程應(yīng)用中值得注意的問題；王憲成等[13]研究了漏氣率對柴油機性能的影響。這些研究為柴油機漏氣量試驗研究提供了重要參考。

柴油機的漏氣量要高于汽油機，并且在全負荷時達到最大，對于小型柴油機(排量為1.3～3 L)，漏氣量變化范圍為10～60 L/min[14]。為防止曲軸箱內(nèi)的漏氣污染大氣，AVL公司采用許可限值進行發(fā)動機漏氣量的評估，許可限值=每分鐘實測漏氣量/(發(fā)動機轉(zhuǎn)速×排量)×100%；標(biāo)定轉(zhuǎn)速時，許可限值為(0.4±0.06)%為合格。德國施米德公司(Schmidt)的漏氣量設(shè)計目標(biāo)值一般低于進氣量的0.5%。在技術(shù)狀態(tài)正常的情況下，點燃式內(nèi)燃機漏氣量一般為發(fā)動機排氣量的0.5%～1%[15]。

研究對象為某車用6缸增壓中冷柴油機，標(biāo)定功率為410 kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，排量為7.2 L。在該發(fā)動機的使用過程中，存在部分工況下缸內(nèi)高溫高壓燃氣泄漏量大，從而導(dǎo)致機油惡化和曲軸箱呼吸器冒油等現(xiàn)象，不僅污染發(fā)動機外部設(shè)備，而且還增加了使用危險。為了探明發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)對漏氣量的影響，進行了漏氣量試驗測試。

1 發(fā)動機漏氣量理論分析

發(fā)動機漏氣量的影響因素可用式(1)表示：

(1)

發(fā)動機扭矩和發(fā)動機轉(zhuǎn)速是發(fā)動機性能參數(shù)，漏氣量隨轉(zhuǎn)速和扭矩的升高而增加；發(fā)動機漏氣量在高扭矩時基本上也呈現(xiàn)類似的規(guī)律。轉(zhuǎn)速升高，各潤滑部位的大量機油以自由回落的方式經(jīng)過連桿、曲軸等運動件，高速撞擊后形成高濃度油氣混合物,這種現(xiàn)象嚴重時會導(dǎo)致呼吸器冒油。

圖1 活塞環(huán)密封系統(tǒng)竄氣示意

活塞環(huán)密封系統(tǒng)的漏氣流通面積Aleak=A1(活塞環(huán)開口間隙截面)+A2(活塞環(huán)外周流通面)+A3(活塞環(huán)下端面)。

由以上分析可以看出，發(fā)動機的漏氣量主要受結(jié)構(gòu)參數(shù)和發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)兩方面影響。目前，結(jié)構(gòu)參數(shù)對漏氣量的影響研究較多[1-3，9-11],發(fā)動機運轉(zhuǎn)參數(shù)對漏氣量的影響研究較少。本研究通過對某車用6缸增壓中冷柴油機的漏氣量試驗測試，定量分析了發(fā)動機轉(zhuǎn)速、扭矩、機油溫度和最高燃燒壓力對漏氣量的影響。

2 試驗測試方法與儀器設(shè)備

漏氣測量設(shè)備連接示意如圖2所示，發(fā)動機曲軸箱排出的廢氣經(jīng)油氣分離器后，通過漏氣量測試儀測出發(fā)動機的漏氣量。油氣分離器中分離的機油通過機油回油泵回到機油箱，機油箱產(chǎn)生的油氣通過管路與發(fā)動機連通，用攝像頭監(jiān)控機油箱液面位置，保障發(fā)動機的安全運轉(zhuǎn)。主要儀器設(shè)備見表1，其中測試的每個工況穩(wěn)定運轉(zhuǎn)10 min后記錄數(shù)據(jù)。

圖2 漏氣測量連接示意

表1 主要儀器設(shè)備

續(xù)表

3 漏氣量試驗研究

3.1 轉(zhuǎn)速和扭矩對漏氣量的影響

由圖3可見，相同扭矩下，隨轉(zhuǎn)速增加，漏氣量基本呈線性增加趨勢，1 200 N·m，800 N·m和400 N·m扭矩下的漏氣量曲線斜率基本相同；轉(zhuǎn)速每增加10%，漏氣量約增加12%，漏氣量增加的主要原因是隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速增加活塞的做功頻率增大，導(dǎo)致漏氣量增大。

圖3 轉(zhuǎn)速對漏氣量的影響

由圖4可見，相同轉(zhuǎn)速下，隨扭矩增加，漏氣量也基本呈線性增加趨勢。3 200 r/min，2 800 r/min和2 400 r/min轉(zhuǎn)速下，扭矩每增加10%，漏氣量約增加5%。漏氣量增加的主要原因為，隨扭矩增加指示平均有效壓力增大，導(dǎo)致活塞環(huán)組漏氣量增加。

圖4 扭矩對漏氣量的影響

根據(jù)圖3和圖4中的漏氣量曲線可以得出，柴油機轉(zhuǎn)速對漏氣量的影響大于扭矩對漏氣量的影響，即當(dāng)設(shè)計發(fā)動機時，在標(biāo)定功率一定的情況下，提高轉(zhuǎn)速會使發(fā)動機漏氣量增加。

漏氣量占發(fā)動機進氣量的百分比見圖5。隨轉(zhuǎn)速和扭矩升高，漏氣量增大，但漏氣量最大的工況并不是漏氣率(漏氣量占進氣量的百分比)最高的區(qū)域，漏氣率最高的區(qū)域出現(xiàn)在2 600～2 800 r/min的中等扭矩區(qū)域。

圖5 漏氣量占進氣量的百分比

3.2 機油溫度對漏氣量的影響

在轉(zhuǎn)速為3 200 r/min、扭矩為1 200 N·m和400 N·m以及轉(zhuǎn)速為2 400 r/min、扭矩為1 200 N·m和400 N·m這4個工況下，進行了針對不同機油溫度的漏氣量試驗，試驗結(jié)果見圖6。

圖6 機油溫度對漏氣量的影響

扭矩較高時(轉(zhuǎn)速3 200 r/min、扭矩1 200 N·m和轉(zhuǎn)速2 400 r/min、扭矩1 200 N·m)，漏氣量隨機油溫度的升高而減少，但呼吸器冒油加重。呼吸器冒油加重與機油溫度升高導(dǎo)致曲軸箱高速氣流中的機油含量增加、機油氣泡增長速度加快以及消泡能力減弱有關(guān)。扭矩較低時(轉(zhuǎn)速3 200 r/min、扭矩400 N·m和轉(zhuǎn)速2 400 r/min、扭矩400 N·m)，隨機油溫度升高，漏氣量變化不明顯。

3.3 最高燃燒壓力對漏氣量的影響

通過調(diào)整供油提前角改變最高燃燒壓力，同時調(diào)節(jié)油量保持扭矩恒定，試驗結(jié)果見圖7。隨最高燃燒壓力的增加，漏氣量呈增加趨勢。對于轉(zhuǎn)速3 200 r/min、扭矩800 N·m的工況，缸內(nèi)最高燃燒壓力升高3.6 MPa時，漏氣量增加8 L/min；對于轉(zhuǎn)速2 400 r/min、扭矩800 N·m的工況，缸內(nèi)最高燃燒壓力升高2.7 MPa時，漏氣量增加7 L/min。

圖7 最高燃燒壓力對漏氣量的影響

4 發(fā)動機循環(huán)過程對漏氣量的影響

該6缸柴油機的漏氣量試驗結(jié)果表明，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速和扭矩是影響漏氣量的主要因素。下面結(jié)合缸內(nèi)循環(huán)過程分析瞬時漏氣量和累計漏氣量隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化規(guī)律。

圖8 6缸柴油機仿真模型

基于活塞式發(fā)動機熱力學(xué)循環(huán)理論，依據(jù)該6缸柴油機結(jié)構(gòu)參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)，建立和校核柴油機一維熱力學(xué)仿真模型(見圖8)。其中，活塞環(huán)密封系統(tǒng)的漏氣流通面積通過連通缸內(nèi)與大氣的管道進行模擬(見圖9)。

圖10和表2示出了轉(zhuǎn)速3 200 r/min、扭矩800 N·m工況下的仿真計算與試驗結(jié)果對比，仿真與試驗的缸壓曲線擬合較好，漏氣量數(shù)值接近，可以認為該模型能夠模擬該柴油機的運行工況，并且在保持本體結(jié)構(gòu)不變的情況下，能夠模擬發(fā)動機的循環(huán)漏氣過程。