電子呼吸器對(duì)豎軸柴油機(jī)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(jī)有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050081)

近年來，隨著市場(chǎng)對(duì)豎軸柴油機(jī)的需求越來越迫切，豎軸柴油機(jī)研發(fā)已成為國內(nèi)動(dòng)力設(shè)計(jì)工作者的迫切任務(wù)，然而在研發(fā)豎軸柴油機(jī)時(shí)困難重重。豎軸柴油機(jī)的曲軸方向相對(duì)于常規(guī)橫軸柴油機(jī)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(jī)的活塞、缸套因重力產(chǎn)生的慣性力矩遠(yuǎn)超過直列橫軸柴油機(jī)產(chǎn)生的慣性力矩，并且缸套更容易受熱負(fù)荷影響，進(jìn)而導(dǎo)致工作過程惡化[1]。豎軸柴油機(jī)箱體竄氣量大，導(dǎo)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(shè)計(jì)參數(shù)下的豎軸柴油機(jī)竄氣量遠(yuǎn)大于橫軸柴油機(jī)，因此箱體內(nèi)部竄氣量和廢氣壓力成為新型豎軸柴油機(jī)研發(fā)過程中的難點(diǎn)。如何降低豎軸柴油機(jī)廢氣壓力，是提高其整機(jī)性能的主要研究方向。

1 箱體竄氣量對(duì)柴油機(jī)的影響及解決辦法

柴油機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)，燃燒室內(nèi)總有一部分廢氣經(jīng)活塞密封面進(jìn)入曲軸箱體內(nèi)，會(huì)污染并稀釋機(jī)油，與曲軸箱內(nèi)的機(jī)油氣體混合，導(dǎo)致曲軸箱內(nèi)廢氣壓力升高，因此一般情況會(huì)在箱體某處增加呼吸器裝置，目的是將曲軸箱內(nèi)的油氣進(jìn)行分離，一路通過呼吸器分離出的機(jī)油返回箱體，另一路的廢氣直排到空氣中，從而降低箱體內(nèi)部的竄氣量[4-6]。一般呼氣器裝置分為機(jī)械呼吸器和電子呼吸器。機(jī)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(jìn)氣系統(tǒng)再進(jìn)行燃燒，開式呼吸器是將廢氣直接排入大氣[7-9]。

曲軸箱內(nèi)部廢氣壓力是反饋曲軸箱內(nèi)部竄氣量的一個(gè)重要參數(shù)。曲軸箱內(nèi)部的竄氣量過高，會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)造成如下幾點(diǎn)影響：1)大量的機(jī)油蒸汽與廢氣進(jìn)行混合，導(dǎo)致機(jī)油耗量增加；2)廢氣壓力過高，導(dǎo)致潤滑系統(tǒng)循環(huán)受阻、機(jī)油壓力下降、潤滑環(huán)境惡劣等影響；3)廢氣大量積攢在箱體內(nèi)部，箱體內(nèi)部的熱量很難與冷卻水進(jìn)行交換，導(dǎo)致箱體散熱性差；4)廢氣過大，導(dǎo)致柴油機(jī)實(shí)際功率遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)功率等影響[10-11]。因此，在研發(fā)新型豎軸柴油機(jī)時(shí)分別采用了開式呼吸器、閉式呼吸器和電子呼吸器進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)廢氣壓力、機(jī)油消耗量、負(fù)荷、功率、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、排溫等性能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)與分析，研究箱體內(nèi)部竄氣量對(duì)豎軸柴油機(jī)性能的影響。

2 機(jī)械呼吸器試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 開式呼吸器試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)所研發(fā)的豎軸柴油機(jī)各參數(shù)選擇開式呼吸器型號(hào)為CA498，在豎軸柴油機(jī)箱體上部加工一孔與其相連，呼吸器的回油管與箱體側(cè)面孔相連，連接示意圖如圖1所示。由于箱體內(nèi)壓力高于大氣壓，箱體內(nèi)的廢氣被壓入機(jī)械式呼吸器，通過呼吸器后，噴灑在擋油帽上，擴(kuò)散后的油靠重力沿管壁下滑到分離器下部，經(jīng)排油管流回箱體內(nèi)部，同時(shí)，氣體因密度小而上升，經(jīng)分離傘集中向上改變流動(dòng)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(jīng)分離器頂部排氣管進(jìn)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(yàn)證開式呼吸器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能的影響，需要在不同轉(zhuǎn)速下對(duì)整體式缸套豎軸柴油機(jī)各性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。本試驗(yàn)選擇穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測(cè)試點(diǎn)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(jì)11個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，并記錄每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)的柴油機(jī)性能參數(shù)。

廢氣壓力、機(jī)油壓力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)圖如圖3所示。通過圖3可以分析出，隨著轉(zhuǎn)速的升高，廢氣壓力逐漸升高，機(jī)油壓力逐漸降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時(shí)，廢氣壓力與轉(zhuǎn)速接近正比式的增加，機(jī)油壓力突然降低，但是潤滑系統(tǒng)仍滿足發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑系統(tǒng)的技術(shù)要求。但是當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)，此時(shí)功率為33 kW，負(fù)荷為143 N·m，廢氣壓力高達(dá)1.3 kPa，機(jī)油壓力降至0.25 MPa，廢氣已經(jīng)阻礙了潤滑系統(tǒng)中機(jī)油的循環(huán)，導(dǎo)致潤滑環(huán)境惡劣，已不能滿足潤滑系統(tǒng)的技術(shù)要求。功率未達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)理論功率37 kW，機(jī)油壓力已經(jīng)低于技術(shù)要求，因此開式呼吸器不適用于此款豎軸柴油機(jī)使用。

圖3 廢氣壓力、機(jī)油壓力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)圖

2.2 閉式呼吸器試驗(yàn)及結(jié)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(nèi)部的廢氣，保持箱體內(nèi)壓力為負(fù)值，閉式呼吸器連接示意圖如圖4所示。與2.1節(jié)油氣分離工作原理相同，不同點(diǎn)在于通氣口連接增壓器，分離后的廢氣通過增壓器壓入進(jìn)氣管，隨空氣進(jìn)入缸內(nèi)進(jìn)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(yàn)證閉式呼吸器對(duì)豎軸柴油機(jī)整機(jī)性能的影響，應(yīng)對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的整體式缸套豎軸柴油舷外機(jī)各性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。本試驗(yàn)選擇穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測(cè)試點(diǎn)與2.1節(jié)相同，共計(jì)11個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，并記錄每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)的柴油機(jī)性能參數(shù)，各轉(zhuǎn)速點(diǎn)的負(fù)荷除4 000 r/min與2.1節(jié)不同外，其余各轉(zhuǎn)速點(diǎn)的負(fù)荷均相同。

廢氣壓力、機(jī)油壓力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)如圖6所示。由圖6分析研究得出，增壓器的渦輪隨著轉(zhuǎn)速的增加，工作效率不斷提高，對(duì)廢氣的吸力越來越大，因此廢氣壓力隨轉(zhuǎn)速的增加而減少，機(jī)油壓力始終保持在0.3 MPa以上，表明潤滑系統(tǒng)機(jī)油路循環(huán)流暢，滿足技術(shù)要求。且當(dāng)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)，功率為37 kW，機(jī)油壓力為0.31 MPa，此時(shí)此款豎軸柴油機(jī)功率已達(dá)到設(shè)計(jì)功率值。但是在最高轉(zhuǎn)速滿負(fù)荷工況下，運(yùn)行約1 h機(jī)油消耗大概2 L，機(jī)油壓力降到0.25 MPa左右。停止試驗(yàn)后拆除進(jìn)氣管，發(fā)現(xiàn)增壓器與呼吸器通氣管連接處存有大量機(jī)油。經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)體內(nèi)部溫度過高，機(jī)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(jìn)入呼吸器后，有一部分油氣不及時(shí)分離出來，隨著增壓器的吸力進(jìn)入到燃燒室進(jìn)行燃燒，導(dǎo)致機(jī)油消耗。因此閉式呼吸器也不適用于此款新型發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖6 廢氣壓力、機(jī)油壓力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)圖

3 電子呼吸器試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)所研發(fā)的豎軸柴油機(jī)各參數(shù)選擇電子呼吸器型號(hào)為TOPAS，TOPAS性能參數(shù)見表1。在豎軸柴油機(jī)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(cè)面孔相連，電源正負(fù)極與電池正負(fù)極相連，信號(hào)線接入ECU，試驗(yàn)臺(tái)架示意圖如圖7所示。

表1 TOPAS性能參數(shù)

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(jù)箱體內(nèi)部廢氣隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)，編程寫入ECU，通過ECU控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制抽箱體內(nèi)部廢氣的量和廢氣壓力的大小。電子呼吸器的電動(dòng)機(jī)上安裝葉輪，葉輪隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，抽入的廢氣是油氣和廢氣的混合物，油氣進(jìn)入電子呼吸器后，小油滴隨葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行離心運(yùn)動(dòng)，甩在呼吸器壁上，沿壁流入回油管，進(jìn)而流回箱體，確保潤滑系統(tǒng)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(yàn)證電子呼吸器對(duì)豎軸柴油機(jī)整機(jī)性能的影響，應(yīng)對(duì)不同轉(zhuǎn)速下的整體式缸套豎軸柴油機(jī)各性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。本試驗(yàn)選擇穩(wěn)定轉(zhuǎn)速測(cè)試點(diǎn)與2.1節(jié)相同，共計(jì)11個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)，并記錄每個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)的柴油機(jī)性能參數(shù)，各轉(zhuǎn)速點(diǎn)的負(fù)荷與2.2節(jié)相同，廢氣壓力、機(jī)油壓力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)圖如圖9所示。

根據(jù)電子呼吸器工作原理，結(jié)合圖9分析研究得出，電子呼吸器工作時(shí)的功率是額定的，因此隨著發(fā)動(dòng)機(jī)箱體內(nèi)部廢氣不斷增大，檢測(cè)的廢氣壓力值逐漸增大，廢氣壓力高達(dá)0.15 kPa，機(jī)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(nèi)，潤滑系統(tǒng)機(jī)油路循環(huán)流暢，滿足技術(shù)要求。且當(dāng)轉(zhuǎn)速為4 000 r/min時(shí)，功率為37 kW，機(jī)油壓力為0.33 MPa，此時(shí)此款豎軸柴油機(jī)功率已達(dá)到設(shè)計(jì)功率值。最高轉(zhuǎn)速滿負(fù)荷工況下，運(yùn)行約1 h機(jī)油消耗幾乎為零，機(jī)油壓力始終保持在0.3 MPa左右。在進(jìn)行200 h考核試驗(yàn)時(shí)，機(jī)油消耗10 mL，在允許范圍內(nèi)。

圖9 廢氣壓力、機(jī)油壓力隨轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)圖

4 電子呼吸器對(duì)豎軸柴油機(jī)性能影響

電子呼吸器解決了豎軸柴油機(jī)在高轉(zhuǎn)速、高負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)廢氣量大、廢氣壓力高等問題，良好地排出了箱體內(nèi)部的廢氣，并完全實(shí)現(xiàn)了油氣分離，分離出的機(jī)油再次流回潤滑系統(tǒng)，機(jī)油壓力有所提高，降低了機(jī)油消耗，優(yōu)化了潤滑系統(tǒng)，改善了豎軸柴油機(jī)的性能。

5 結(jié)語

通過對(duì)采用開式、閉式呼吸器與電子呼吸器的豎軸柴油機(jī)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)分析，得出了采用電子呼吸器的豎軸柴油機(jī)使箱體內(nèi)的廢氣量得到很好的排出，并進(jìn)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(jī)的整機(jī)性能，使豎軸柴油機(jī)的各性能參數(shù)得到了優(yōu)化。