蔡秋濤，馬洪亮

(中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧大連116032)

進(jìn)氣濕度對內(nèi)燃機(jī)油清凈性評定的影響

蔡秋濤，馬洪亮

(中國石油大連潤滑油研究開發(fā)中心，遼寧大連116032)

為了研究發(fā)動機(jī)進(jìn)氣濕度對清凈性評定的影響，模擬了不同進(jìn)氣濕度對試驗工況產(chǎn)生的影響。試驗在標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)燃機(jī)油清凈性評定臺架上進(jìn)行，進(jìn)氣濕度由專門的濕度控制系統(tǒng)精確控制，選取不同的進(jìn)氣濕度點進(jìn)行試驗。試驗結(jié)果表明:在其他參數(shù)恒定控制的條件下，隨著進(jìn)氣濕度的變化，油耗和排溫也隨著有明顯的變化，因此導(dǎo)致燃燒室內(nèi)工質(zhì)燃燒溫度和壓力的變化，這就必然影響到活塞表面沉積物的形成和沉積。通過這些有規(guī)律的變化可以得出這樣的結(jié)論，不同的進(jìn)氣濕度對活塞的清凈性會產(chǎn)生影響。

潤滑油;清凈性臺架;柴油機(jī);進(jìn)氣濕度;控制系統(tǒng)

Abstract:In order to study the effect of engine intake air humidity on detergency evaluation，different intake air humidities were simulated to test its influence on working conditions.The test was performed on the standard detergency evaluation test bench of internal combustion engine oil.The intake air humidity was controlled precisely by special humidity control system and different intake air humidity spots were selected for this test.The test results showed that，when other parameters are constant，along with the change of intake air humidity，fuel consumption and exhaust temperature change apparently，so the temperature and pressure of burning propellant change in combustion chamber，which will inevitably affect the formation and deposition of sediment on piston surface.Through these regular changes，it can be concluded that different engine intake air humidities will have an impact on piston detergency.

Key words:lubricant;detergency evaluation test bench;diesel engine;intake air humidity;control system

0 引言

臺架試驗是潤滑油最重要的評定手段，進(jìn)氣濕度對內(nèi)燃機(jī)油清凈性評定的影響在國外已經(jīng)有人進(jìn)行了研究，由于我國內(nèi)燃機(jī)油規(guī)格直接采用API標(biāo)準(zhǔn)，所以國內(nèi)在這一方面的認(rèn)識還不多。在API標(biāo)準(zhǔn)中，凡是清凈性臺架都有嚴(yán)格的進(jìn)氣濕度要求，在建立我國自己的清凈性臺架標(biāo)準(zhǔn)或OEM臺架標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)注重進(jìn)氣濕度這一工況參數(shù)并加以精確控制。

試驗證明，進(jìn)氣濕度變化對發(fā)動機(jī)運行工況存在一定的影響，由于燃燒室溫度和壓力的變化，必然影響工質(zhì)在燃燒過程中生成物和沉積物的形成性質(zhì)和數(shù)量。如果燃油的含硫量較高，不同的進(jìn)氣濕度對燃燒室的腐蝕程度也不相同。如果不加以精確穩(wěn)定控制，就會對潤滑油性能指標(biāo)的一致性評定造成影響，對內(nèi)燃機(jī)油研究設(shè)計，產(chǎn)品質(zhì)量控制等均帶來了一定困難。因此，在制訂我國自己的內(nèi)燃機(jī)油清凈性評定臺架標(biāo)準(zhǔn)時應(yīng)對進(jìn)氣濕度嚴(yán)格控制。為了研究不同進(jìn)氣濕度對發(fā)動機(jī)性能的影響，在Caterpillar 1M－PC臺架上，分別設(shè)定不同的進(jìn)氣濕度工況，以研究不同的進(jìn)氣濕度對發(fā)動機(jī)性能的影響。

臺架使用獨立的濕度控制系統(tǒng)，經(jīng)計算機(jī)閉環(huán)控制。試驗中選取不同的進(jìn)氣濕度點來考察對試驗工況的影響和活塞頂部沉積物生成條件的改變。也為今后我國自行建立潤滑油規(guī)格，建立自己的專用潤滑油評定臺架和OEM臺架試驗方法，提供和積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 清凈性臺架與進(jìn)氣濕度控制

1.1 試驗臺架

由于我國內(nèi)燃機(jī)油等效采用美國API規(guī)格，針對不同規(guī)格的柴油機(jī)油也相應(yīng)地引進(jìn)API清凈性評定臺架，如:API Caterpillar 1M－PC、1K、1N、1P、1R等臺架。試驗結(jié)果是對活塞環(huán)組沉積物數(shù)量和性質(zhì)進(jìn)行評價，主要是對活塞及活塞環(huán)槽沉積物，環(huán)黏結(jié)等進(jìn)行評價。不同臺架控制參數(shù)也各不相同。試驗在特定的轉(zhuǎn)速、功率、油耗、溫度、壓力等條件下運轉(zhuǎn)。為保證試驗精度，主要試驗條件都有專門的輔助控制系統(tǒng)經(jīng)計算機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。

1.2 進(jìn)氣濕度控制

為了實現(xiàn)對進(jìn)氣濕度準(zhǔn)確控制，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)臺架專門附加一套進(jìn)氣濕度控制系統(tǒng)。本文引用與API標(biāo)準(zhǔn)相同的含濕量概念來表達(dá)進(jìn)氣濕度，即:每公斤干空氣所含有水蒸汽量(g/kg)稱為含濕量。已知的API清凈性臺架進(jìn)氣濕度均控制在(17.8±1.7)g/kg范圍內(nèi)。

2 試驗臺架及濕度控制系統(tǒng)

2.1 發(fā)動機(jī)臺架

1M－PC臺架是API評定柴油機(jī)油高溫清凈性的試驗臺架。

臺架試驗采用Caterpillar公司生產(chǎn)的1Y73非直噴兩氣門專用增壓單缸柴油機(jī)，排量為2.2 L，功率31 kW，缸徑為130 mm，活塞行程165 mm，壓縮比16.4∶1。

能夠自動閉環(huán)控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣濕度、冷卻液溫度、主油道溫度等參數(shù)的計算機(jī)控制系統(tǒng)，使參數(shù)恒定控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

2.2 進(jìn)氣濕度控制系統(tǒng)及工作原理

使用經(jīng)穩(wěn)壓控制后壓縮空氣作為發(fā)動機(jī)進(jìn)氣源，經(jīng)計算機(jī)控制系統(tǒng)將進(jìn)氣溫度和濕度控制在規(guī)定的試驗條件范圍內(nèi)，見圖1。

將管道蒸汽直接引入試驗室作為進(jìn)氣加濕的蒸汽源，經(jīng)控制系統(tǒng)進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)以滿足發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣加濕。系統(tǒng)中安裝加濕和恒溫裝置，即在加熱穩(wěn)壓罐上安裝濕度傳感器(維薩拉濕度傳感器)，傳感器將采集的濕度信號輸送到計算機(jī)進(jìn)行處理，再將信號輸送給電器執(zhí)行器，通過控制氣動隔膜閥的開度來控制蒸汽的加入量，試驗時將進(jìn)氣濕度控制在(17.8±1.7)g/kg(水蒸汽質(zhì)量/干空氣質(zhì)量)范圍內(nèi)。

進(jìn)氣系統(tǒng)流程是:壓縮空氣→加濕裝置→穩(wěn)壓罐→控制閥→加溫穩(wěn)壓罐→進(jìn)氣管→發(fā)動機(jī)。

圖1 發(fā)動機(jī)進(jìn)氣穩(wěn)壓、恒溫、濕度控制系統(tǒng)流程

3 試驗方案

試驗中，控制系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)主要參數(shù)恒定控制，并嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)(見表1)，進(jìn)氣濕度在0～20 g/kg范圍內(nèi)均勻選擇20個工況點從小到大遞增，每個工況點濕度的波動范圍在±1.7 g/kg范圍內(nèi)，各工況點運行時間直到各控制參數(shù)長期穩(wěn)定在控制的規(guī)定范圍內(nèi)，試驗多次反復(fù)進(jìn)行。在每個濕度點記錄并觀察其與油耗和排溫的變化規(guī)律。

表1 發(fā)動機(jī)試驗工況

4 試驗結(jié)果

在0～20 g/kg范圍內(nèi)選擇20個濕度工況點從小到大依次增加，觀察進(jìn)氣濕度與油耗和排溫的函數(shù)關(guān)系，如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 濕度與排溫關(guān)系曲線

圖3 濕度與油耗關(guān)系曲線

圖4 油耗與排溫關(guān)系曲線

從圖2中看出排溫隨進(jìn)氣濕度的變化曲線。隨著濕度增加，排溫有所下降，但濕度增加到5 g/kg時曲線就不再是下降的趨勢。從5 g/kg起始一直到18 g/kg時，曲線進(jìn)入一段平臺期，這時排溫保持在一定范圍內(nèi)基本不變，當(dāng)濕度達(dá)到18 g/kg繼續(xù)增加時，排溫開始快速上升。

從圖3看出油耗隨進(jìn)氣濕度變化的關(guān)系曲線。隨著濕度增加，油耗開始有所下降，但濕度增加到5 g/kg時曲線就不再是下降的趨勢。從5 g/kg起始一直到18 g/kg時，曲線進(jìn)入平臺期，油耗保持在一定范圍內(nèi)基本不變，當(dāng)濕度達(dá)到18 g/kg并繼續(xù)增加時，油耗開始快速上升。

圖4是油耗和排溫的關(guān)系曲線，濕度的變化使得燃燒室的工質(zhì)產(chǎn)生變化，燃燒室溫度和壓力的變化導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率改變，計算機(jī)自動控制系統(tǒng)要維持發(fā)動機(jī)的恒定功率，就必須調(diào)整油門行程，改變供油量。因此濕度變化使得供油量改變，供油量(油耗)的改變直接導(dǎo)致排溫的改變。

5 分析

重復(fù)的大量對比試驗表明，在不同的進(jìn)氣濕度條件下，濕度變化對發(fā)動機(jī)排氣溫度有明顯影響。濕度較小時，改善了燃燒，增加了功率;濕度增加到中間段，發(fā)動機(jī)處于穩(wěn)定階段，沒有明顯變化;濕度繼續(xù)增加到后面階段，發(fā)動機(jī)功率明顯下降。

由于燃燒室?guī)в蓄A(yù)燃室，燃燒的持續(xù)時間比直噴發(fā)動機(jī)長，此時可燃混合氣燃燒完全，油耗和排溫穩(wěn)定在一定范圍值內(nèi)，在發(fā)動機(jī)控制參數(shù)和機(jī)械裝配不改變的情況下，排氣溫度變化直接反應(yīng)發(fā)動機(jī)燃燒室工質(zhì)燃燒溫度的變化，而這個溫度決定活塞沉積物的生成和成長。

5.1 第一階段:油耗、排溫下降

進(jìn)氣濕度從0逐漸增至5時，油耗和排氣溫度也隨之降低，達(dá)到5 g/kg時，排氣溫度平均下降32，油耗平均下降1 kg/h。

這是因為:柴油機(jī)的燃燒過程同時也包括混合氣的形成過程，在燃燒室內(nèi)混合氣的形成過程與燃燒過程是交織在一起的，噴嘴噴出的每個油粒都依次經(jīng)過霧化、受熱蒸發(fā)、與空氣混合、氧化燃燒等過程，加濕空氣進(jìn)入燃燒室與預(yù)燃室噴出的燃燒狀態(tài)的霧化柴油混合，受熱膨脹的濕空氣使柴油顆粒進(jìn)一步霧化和高度分散，混合更加均勻，燃燒更加充分。另外，燃燒室內(nèi)含水蒸氣的加濕空氣與油氣分布更均勻，溫度場更均勻，燃燒速度加快，混合氣后燃現(xiàn)象減少。因加濕而導(dǎo)致的燃油最大放熱率增加的同時，放熱率峰值發(fā)生期平緩?fù)七t，但燃燒終了時刻不變。也就是說，燃燒維持期縮短。

另外，濕氣受熱膨脹，大量吸收燃燒室中熾熱零部件的熱量和工質(zhì)燃燒中不均衡的熱量，使自己成為過熱蒸汽而繼續(xù)膨脹，從而降低缸內(nèi)燃燒溫度。避免了燃燒區(qū)局部溫度過高，削弱了油的熱分解，使油燃燒更充分，此時燃燒狀況好轉(zhuǎn)，減少沉積物，使功率增加降低能耗。

國內(nèi)外在環(huán)保排放方面也做了很多進(jìn)氣加濕的試驗。試驗證明，適當(dāng)給進(jìn)氣加濕，在改善燃燒增加功率的同時使煙度排放等明顯下降。

5.2 第二階段:平臺期

隨著進(jìn)氣濕度的繼續(xù)增加，濕度對燃燒的良性改善就逐漸消失。

進(jìn)氣濕度點在5～18 g/kg變化范圍時，曲線進(jìn)入一個穩(wěn)定的平臺期。油耗和排氣溫度沒有明顯變化，排溫的平均值在(580±20)范圍波動。雖然進(jìn)氣加濕改變了燃燒室的燃燒工質(zhì)，但燃油消耗量基本沒什么變化，此時的最高燃燒壓力基本維持不變，或者說，有利和不利的因素相互抵消。

5.3 第三階段:油耗、排溫上升

進(jìn)氣濕度點達(dá)到18 g/kg并繼續(xù)增加時，油耗和排溫開始明顯上升，說明進(jìn)氣濕度增加到此時已經(jīng)影響燃燒室工質(zhì)的燃燒。隨著濕度增加，著火延時增加的傾向就越明顯，隨著濕度繼續(xù)增加，著火延時明顯增大，這意味著大的濕度使做功行程中缸內(nèi)氣體的溫度和壓力降低。在燃油量沒有改變的前提下，進(jìn)氣濕度的持續(xù)增加，能夠引起最高燃燒壓力降低，這種功率下降的趨勢只有通過增加供油量才能恢復(fù)。

控制系統(tǒng)為了維持恒定的轉(zhuǎn)數(shù)和功率輸出，油門執(zhí)行器加大供油量，導(dǎo)致油耗增加。供油量的增加和濕度的增加延長了燃料在燃燒室燃燒的時間，由于燃燒終了時間后滯，使排氣溫度明顯升高。

6 結(jié)論

(1)不同的進(jìn)氣濕度對燃燒室燃燒工質(zhì)做功的影響是不同的，進(jìn)氣加濕既可以改善燃燒，增加功率;也可以影響燃燒降低功率。

(2)進(jìn)氣濕度是發(fā)動機(jī)評定臺架的主要控制參數(shù)，對進(jìn)氣不同的加濕度能夠改變?nèi)紵胰紵墓べ|(zhì)，進(jìn)而改變?nèi)紵夜べ|(zhì)燃燒的溫度和壓力，而這個溫度和壓力決定燃燒室沉積物的生成和成長的反應(yīng)條件。最終影響活塞沉積物生成和沉積的性質(zhì)和數(shù)量。

(3)不久的將來我國必然自行建立內(nèi)燃機(jī)油油品規(guī)格，清凈性標(biāo)準(zhǔn)臺架和評價內(nèi)燃機(jī)油的OEM臺架應(yīng)有進(jìn)氣濕度控制系統(tǒng)，對濕度值加以精確控制，以保證潤滑油清凈性評定數(shù)據(jù)的可靠準(zhǔn)確。

［1］肖宗成.進(jìn)氣溫度對車用柴油機(jī)排放性能的影響［J］.吉林大學(xué)學(xué)報，2005，35(3):263－266.

［2］盧貴忠.X195柴油機(jī)摻水燃燒的試驗研究［J］.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，19(2):234－237.

［3］蔡強(qiáng)，張亞軍.柴油摻水燃燒研究現(xiàn)狀綜述［J］.內(nèi)燃機(jī)，2007(6):1－3.

［4］孫世芳.船用柴油機(jī)進(jìn)氣濕度對NOx生成量影響的計算及結(jié)果分析［J］.浙江國際海運職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2011，7(2):10－13.

［5］鄢嵐，任自中.工質(zhì)加濕對柴油機(jī)N排放的影響［J］.柴油機(jī)，2007，29(2):32－35.

［6］張引弦.進(jìn)氣濕度對燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33(11):67－70.

Influence of Engine Intake Air Humidity on Detergency Evaluation of Internal Combustion Engine Oil

CAI Qiu－tao，MA Hong－liang
(PetroChina Dalian Lubricating Oil R＆D Institute，Dalian 116032，China)

TE626.32

A

2012－06－18。

蔡秋濤(1962－)，男，工程師，1986年畢業(yè)于沈陽建筑工程學(xué)院工程運輸機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)從事潤滑油臺架試驗的開發(fā)、研究及評定工作，曾公開發(fā)表論文數(shù)篇。

1002-3119(2012)05-0051-04