電子呼吸器對豎軸柴油機性能影響及研究分析

趙鎖成，李勝利，郭增元，劉彥軍，安祿政，耿小昌，郭曉松，范亞棟

(河北華北柴油機有限責任公司，河北 石家莊 050081)

近年來，隨著市場對豎軸柴油機的需求越來越迫切，豎軸柴油機研發已成為國內動力設計工作者的迫切任務，然而在研發豎軸柴油機時困難重重。豎軸柴油機的曲軸方向相對于常規橫軸柴油機的方向不同，它的中心軸與水平方向垂直，活塞與缸套的中心軸平行于水平方向。豎軸柴油機的活塞、缸套因重力產生的慣性力矩遠超過直列橫軸柴油機產生的慣性力矩，并且缸套更容易受熱負荷影響，進而導致工作過程惡化[1]。豎軸柴油機箱體竄氣量大，導致積攢廢氣多、廢氣壓力高、潤滑條件惡化、氣缸蓋和氣缸套的溫度偏高、氣缸磨損加劇[2-3]，然而在同一設計參數下的豎軸柴油機竄氣量遠大于橫軸柴油機，因此箱體內部竄氣量和廢氣壓力成為新型豎軸柴油機研發過程中的難點。如何降低豎軸柴油機廢氣壓力，是提高其整機性能的主要研究方向。

1 箱體竄氣量對柴油機的影響及解決辦法

柴油機處于工作狀態時，燃燒室內總有一部分廢氣經活塞密封面進入曲軸箱體內，會污染并稀釋機油，與曲軸箱內的機油氣體混合，導致曲軸箱內廢氣壓力升高，因此一般情況會在箱體某處增加呼吸器裝置，目的是將曲軸箱內的油氣進行分離，一路通過呼吸器分離出的機油返回箱體，另一路的廢氣直排到空氣中，從而降低箱體內部的竄氣量[4-6]。一般呼氣器裝置分為機械呼吸器和電子呼吸器。機械呼吸器按連接方法又分為閉式和開式。閉式呼吸器是將廢氣接入進氣系統再進行燃燒，開式呼吸器是將廢氣直接排入大氣[7-9]。

曲軸箱內部廢氣壓力是反饋曲軸箱內部竄氣量的一個重要參數。曲軸箱內部的竄氣量過高，會對發動機造成如下幾點影響：1)大量的機油蒸汽與廢氣進行混合，導致機油耗量增加；2)廢氣壓力過高，導致潤滑系統循環受阻、機油壓力下降、潤滑環境惡劣等影響；3)廢氣大量積攢在箱體內部，箱體內部的熱量很難與冷卻水進行交換，導致箱體散熱性差；4)廢氣過大，導致柴油機實際功率遠小于設計功率等影響[10-11]。因此，在研發新型豎軸柴油機時分別采用了開式呼吸器、閉式呼吸器和電子呼吸器進行試驗，并對廢氣壓力、機油消耗量、負荷、功率、機油壓力、機油溫度、排溫等性能參數進行檢測與分析，研究箱體內部竄氣量對豎軸柴油機性能的影響。

2 機械呼吸器試驗及結果分析

2.1 開式呼吸器試驗及結果分析

根據所研發的豎軸柴油機各參數選擇開式呼吸器型號為CA498，在豎軸柴油機箱體上部加工一孔與其相連，呼吸器的回油管與箱體側面孔相連，連接示意圖如圖1所示。由于箱體內壓力高于大氣壓，箱體內的廢氣被壓入機械式呼吸器，通過呼吸器后，噴灑在擋油帽上，擴散后的油靠重力沿管壁下滑到分離器下部，經排油管流回箱體內部，同時，氣體因密度小而上升，經分離傘集中向上改變流動方向，將氣體中的小油滴粘附在傘壁上，聚集后沿壁而下，脫油后的氣體經分離器頂部排氣管進入大氣，流程圖如圖2所示。

圖1 連接示意圖

圖2 廢氣流程圖

為驗證開式呼吸器對發動機整機性能的影響，需要在不同轉速下對整體式缸套豎軸柴油機各性能參數進行測試。本試驗選擇穩定轉速測試點分別為2 000、2 200、2 400、2 600、2 800、3 000、3 200、3 400、3 600、3 800和4 000 r/min，共計11個轉速點，并記錄每個轉速點的柴油機性能參數。

廢氣壓力、機油壓力隨轉速變化趨勢圖如圖3所示。通過圖3可以分析出，隨著轉速的升高，廢氣壓力逐漸升高，機油壓力逐漸降低，當轉速為3 000 r/min時，廢氣壓力與轉速接近正比式的增加，機油壓力突然降低，但是潤滑系統仍滿足發動機潤滑系統的技術要求。但是當發動機轉速為4 000 r/min時，此時功率為33 kW，負荷為143 N·m，廢氣壓力高達1.3 kPa，機油壓力降至0.25 MPa，廢氣已經阻礙了潤滑系統中機油的循環，導致潤滑環境惡劣，已不能滿足潤滑系統的技術要求。功率未達到設計時理論功率37 kW，機油壓力已經低于技術要求，因此開式呼吸器不適用于此款豎軸柴油機使用。

圖3 廢氣壓力、機油壓力隨轉速變化趨勢圖

2.2 閉式呼吸器試驗及結果分析

與2.1所選呼吸器一致，不同之處是通氣口與增壓器相連，通過增壓器工作抽出箱體內部的廢氣，保持箱體內壓力為負值，閉式呼吸器連接示意圖如圖4所示。與2.1節油氣分離工作原理相同，不同點在于通氣口連接增壓器，分離后的廢氣通過增壓器壓入進氣管，隨空氣進入缸內進行燃燒，廢氣流程圖如圖5所示。

圖4 閉式呼吸器連接示意圖

圖5 閉式呼吸器廢氣流程圖

為驗證閉式呼吸器對豎軸柴油機整機性能的影響，應對不同轉速下的整體式缸套豎軸柴油舷外機各性能參數進行測試。本試驗選擇穩定轉速測試點與2.1節相同，共計11個轉速點，并記錄每個轉速點的柴油機性能參數，各轉速點的負荷除4 000 r/min與2.1節不同外，其余各轉速點的負荷均相同。

廢氣壓力、機油壓力隨轉速變化趨勢如圖6所示。由圖6分析研究得出，增壓器的渦輪隨著轉速的增加，工作效率不斷提高，對廢氣的吸力越來越大，因此廢氣壓力隨轉速的增加而減少，機油壓力始終保持在0.3 MPa以上，表明潤滑系統機油路循環流暢，滿足技術要求。且當轉速為4 000 r/min時，功率為37 kW，機油壓力為0.31 MPa，此時此款豎軸柴油機功率已達到設計功率值。但是在最高轉速滿負荷工況下，運行約1 h機油消耗大概2 L，機油壓力降到0.25 MPa左右。停止試驗后拆除進氣管，發現增壓器與呼吸器通氣管連接處存有大量機油。經研究分析發現，由于發動機在高轉速、高負荷下運轉，機體內部溫度過高，機油蒸汽與廢氣混合形成油氣混合氣體，混合氣體溫度過高，進入呼吸器后，有一部分油氣不及時分離出來，隨著增壓器的吸力進入到燃燒室進行燃燒，導致機油消耗。因此閉式呼吸器也不適用于此款新型發動機。

圖6 廢氣壓力、機油壓力隨轉速變化趨勢圖

3 電子呼吸器試驗及結果分析

根據所研發的豎軸柴油機各參數選擇電子呼吸器型號為TOPAS，TOPAS性能參數見表1。在豎軸柴油機箱體上部加工一孔與其出氣口相連，電子呼吸器的回油管與箱體側面孔相連，電源正負極與電池正負極相連，信號線接入ECU，試驗臺架示意圖如圖7所示。

表1 TOPAS性能參數

圖7 電子呼吸器連接示意圖

電子呼吸器工作原理：電子呼吸器根據箱體內部廢氣隨轉速變化趨勢，編程寫入ECU，通過ECU控制電動機轉速，進而控制抽箱體內部廢氣的量和廢氣壓力的大小。電子呼吸器的電動機上安裝葉輪，葉輪隨著電動機轉動，抽入的廢氣是油氣和廢氣的混合物，油氣進入電子呼吸器后，小油滴隨葉輪轉動進行離心運動，甩在呼吸器壁上，沿壁流入回油管，進而流回箱體，確保潤滑系統良好的工作。分離出的廢氣通過呼吸器的通氣孔排入大氣。廢氣流程圖如圖8所示。

圖8 電子呼吸器廢氣流程圖

為驗證電子呼吸器對豎軸柴油機整機性能的影響，應對不同轉速下的整體式缸套豎軸柴油機各性能參數進行測試。本試驗選擇穩定轉速測試點與2.1節相同，共計11個轉速點，并記錄每個轉速點的柴油機性能參數，各轉速點的負荷與2.2節相同，廢氣壓力、機油壓力隨轉速變化趨勢圖如圖9所示。

根據電子呼吸器工作原理，結合圖9分析研究得出，電子呼吸器工作時的功率是額定的，因此隨著發動機箱體內部廢氣不斷增大，檢測的廢氣壓力值逐漸增大，廢氣壓力高達0.15 kPa，機油壓力始終保持在0.3 MPa以上，表明廢氣壓力值在允許范圍內，潤滑系統機油路循環流暢，滿足技術要求。且當轉速為4 000 r/min時，功率為37 kW，機油壓力為0.33 MPa，此時此款豎軸柴油機功率已達到設計功率值。最高轉速滿負荷工況下，運行約1 h機油消耗幾乎為零，機油壓力始終保持在0.3 MPa左右。在進行200 h考核試驗時，機油消耗10 mL，在允許范圍內。

圖9 廢氣壓力、機油壓力隨轉速變化趨勢圖

4 電子呼吸器對豎軸柴油機性能影響

電子呼吸器解決了豎軸柴油機在高轉速、高負荷下運轉時廢氣量大、廢氣壓力高等問題，良好地排出了箱體內部的廢氣，并完全實現了油氣分離，分離出的機油再次流回潤滑系統，機油壓力有所提高，降低了機油消耗，優化了潤滑系統，改善了豎軸柴油機的性能。

5 結語

通過對采用開式、閉式呼吸器與電子呼吸器的豎軸柴油機進行對比試驗分析，得出了采用電子呼吸器的豎軸柴油機使箱體內的廢氣量得到很好的排出，并進行了離心式的油氣分離，降低了廢氣壓力，減小了箱體竄氣量，提高了額定功率，改善了豎軸柴油機的整機性能，使豎軸柴油機的各性能參數得到了優化。