雷躍峰

（日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代汽車學(xué)院，山東 日照 276826）

某發(fā)電柴油機(jī)機(jī)油老化問(wèn)題的研究

雷躍峰

（日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院 現(xiàn)代汽車學(xué)院，山東 日照 276826）

在簡(jiǎn)單闡述柴油機(jī)機(jī)油老化問(wèn)題的原因及危害的基礎(chǔ)上，分析某發(fā)電柴油機(jī)、原機(jī)機(jī)油老化原因，利用三維CFD計(jì)算機(jī)仿真工具重新匹配噴油器，保證排放前提下使油束落點(diǎn)更合理，為解決機(jī)油老化問(wèn)題提供參考。

機(jī)油老化；噴油器；柴油機(jī)

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，環(huán)保﹑節(jié)能問(wèn)題成為當(dāng)今發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)的熱點(diǎn)問(wèn)題，因此，延遲噴射﹑EGR等技術(shù)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)中得到了推廣與普及，這些技術(shù)在改善尾氣排放的同時(shí)，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能的可靠性也提出新挑戰(zhàn)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作的機(jī)油老化問(wèn)題就是其中一個(gè)［1］。

柴油機(jī)尾氣中的PM，碳煙是主要排放物，石墨化炭黑又是構(gòu)成碳煙的主要成分，附著在氣缸壁上的炭黑會(huì)隨著活塞環(huán)上下往復(fù)的刮油運(yùn)動(dòng)進(jìn)入機(jī)油，炭黑在機(jī)油中以固體不溶物的形式存在［2］。對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的危害主要有加劇發(fā)動(dòng)機(jī)的磨損﹑增加潤(rùn)滑油的粘度，潤(rùn)滑性能受損﹑大顆粒物堵塞濾網(wǎng)，影響發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。

1 機(jī)油老化的解決辦法

目前，降低機(jī)油含碳量的方法主要有兩種：1）在機(jī)油中添加添加劑以改進(jìn)油品的抗爆性能，同時(shí)提高油品的炭黑分散性能；2）優(yōu)化燃燒系統(tǒng)，組織更合理的缸內(nèi)燃燒過(guò)程，降低缸內(nèi)碳煙的生成量，從而降低機(jī)油中的含碳量［3-4］。

針對(duì)某發(fā)電柴油機(jī)開發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)油老化的問(wèn)題，使用三維CFD計(jì)算軟件AVL-Fire，在分析原機(jī)噴油落點(diǎn)基礎(chǔ)上，重新匹配噴油器，在滿足排放性能前提下改善油束落點(diǎn)位置，最終解決機(jī)油老化問(wèn)題。

2 計(jì)算分析

2.1 原機(jī)問(wèn)題分析

由于計(jì)算機(jī)型為機(jī)械泵發(fā)電柴油機(jī)，根據(jù)燃燒開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，最大功率工況點(diǎn)的燃油噴到活塞頂面可能性最大，機(jī)油老化的風(fēng)險(xiǎn)也最高，因此計(jì)算分析了原機(jī)標(biāo)定工況的噴油落點(diǎn)情況，計(jì)算結(jié)果如圖1中的a﹑b所示。

圖1 原機(jī)標(biāo)定工況的噴油落點(diǎn)

從圖1的a﹑b曲軸轉(zhuǎn)角分別為750CA﹑754CA時(shí)的原機(jī)標(biāo)定工況噴油器落點(diǎn)可以看出，噴油結(jié)束時(shí)大量燃油噴到活塞頂面，并有部分燃油噴到氣缸壁上，噴到活塞頂面的燃油會(huì)導(dǎo)致活塞頂面造成大量積碳，噴到氣缸壁上的燃油也會(huì)進(jìn)入油底殼造成機(jī)油稀釋，從而導(dǎo)致機(jī)油含碳量升高，潤(rùn)滑性能下降，出現(xiàn)機(jī)油老化問(wèn)題，原機(jī)經(jīng)過(guò)耐久試驗(yàn)后，進(jìn)行拆機(jī)檢驗(yàn)，如圖2所示。

圖2 原機(jī)拆檢情況

由圖2可以看出，標(biāo)記處顯示活塞頂面處有積碳燃燒后的大塊印跡，這與原機(jī)噴油落點(diǎn)計(jì)算分析的結(jié)果一致。

2.2 噴油器選型

為改善原機(jī)噴油落點(diǎn)，根據(jù)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行噴油器選型計(jì)算分析，所選噴油器參數(shù)如表1所示。

表1 噴油器參數(shù)

噴油器選型計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 原機(jī)噴油器選型計(jì)算結(jié)果

從圖3的a﹑b噴油器選型的SOOT與ISFC計(jì)算結(jié)果可以看出，1 200流量149夾角噴油器的ISFC較原機(jī)下降約3 g/kWh，SOOT排放較原機(jī)下降約10%，更換1 200流量149夾角噴油器開發(fā)后的噴油落點(diǎn)計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 更換噴油器后標(biāo)定工況噴油落點(diǎn)

從圖4a的曲軸轉(zhuǎn)角位746CA和b曲軸轉(zhuǎn)角750CA可以看出，更換噴油器后，噴油結(jié)束時(shí)噴到活塞頂面的燃油相比原機(jī)大幅減少，燃油也沒有噴到氣缸壁上，這樣既減少活塞頂面的積炭量，減低機(jī)油含碳量，又避免機(jī)油稀釋，綜合這兩大因素使機(jī)油老化風(fēng)險(xiǎn)大大降低，推薦更換該噴油器進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 機(jī)油老化試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)步驟

第一步：將機(jī)油預(yù)熱至85 ℃停車，關(guān)閉空調(diào)系統(tǒng)和冷卻水開關(guān)，正盤車3圈至1﹑6缸上止點(diǎn)，30 min后標(biāo)記當(dāng)前液位，補(bǔ)加機(jī)油至游標(biāo)尺上刻度線處，并對(duì)機(jī)油補(bǔ)加量進(jìn)行稱重。

第二步：按照試驗(yàn)大綱要求控制相關(guān)參數(shù)，柴油機(jī)在標(biāo)定工況運(yùn)行1 h，進(jìn)行試驗(yàn)前取樣，取樣時(shí)柴油機(jī)保持怠速，取樣位置盡量保持在油底殼中部，且取樣要在5 min內(nèi)完成，抽取50 mL機(jī)油（至取樣瓶下刻度線），記下取樣質(zhì)量，間隔15 min記錄數(shù)據(jù)一次。

第三步：試驗(yàn)前取樣后進(jìn)行機(jī)油含碳量試驗(yàn)循環(huán)，各用途柴油機(jī)根據(jù)排放循環(huán)選擇機(jī)油含碳量試驗(yàn)循環(huán)，道路用柴油機(jī)根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)選擇ESC或WHSC循環(huán)試驗(yàn)，工程機(jī)械用柴油機(jī)按照C1循環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)電用柴油機(jī)按照D2循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)電用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用試驗(yàn)循環(huán)如表2所示。

表2 發(fā)電用柴油機(jī)D2循環(huán)試驗(yàn)

每完成3個(gè)試驗(yàn)循環(huán)，按照步驟二進(jìn)行取樣，取樣結(jié)束后按照步驟一觀察液位變化情況，若液位沒有顯著的變化則添加機(jī)油量與取樣量相同，若液面有顯著的下降則添加機(jī)油至上刻度線。為了評(píng)估潤(rùn)滑系統(tǒng)，機(jī)油含碳量的試驗(yàn)還應(yīng)進(jìn)行舜態(tài)試驗(yàn)循環(huán)，循環(huán)工況應(yīng)根據(jù)相應(yīng)法規(guī)要求達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)選擇，循環(huán)所需要的時(shí)間應(yīng)根據(jù)穩(wěn)態(tài)循環(huán)結(jié)果再進(jìn)行50～100 h，可以平均取5個(gè)樣本，采集與分析方法和穩(wěn)態(tài)循環(huán)過(guò)程相同。試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)定期檢查發(fā)動(dòng)機(jī)是否存在機(jī)油泄漏，如發(fā)生泄漏需重新進(jìn)行試驗(yàn)。機(jī)油取樣后，做好標(biāo)記，即刻送至油品分析實(shí)驗(yàn)室，由摩擦磨損室和產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)樣本的測(cè)量，并出具分析結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)束后，按照GB/T 14363中的規(guī)定對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行放油，對(duì)放油量進(jìn)行稱重，并記錄質(zhì)量。

3.2 試驗(yàn)測(cè)量參數(shù)及試驗(yàn)記錄

試驗(yàn)測(cè)量參數(shù)應(yīng)符合Q/WCG 136-24中排放試驗(yàn)的規(guī)定，且必須包含機(jī)油壓力﹑機(jī)油溫度﹑漏氣量﹑濾紙煙度﹑EGR率，測(cè)量與記錄各項(xiàng)參數(shù)需在柴油機(jī)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)5 min后進(jìn)行，每次取樣后，取樣瓶上需記錄臺(tái)架號(hào)﹑試驗(yàn)機(jī)型﹑機(jī)油等級(jí)信息﹑取樣日期及取樣時(shí)刻，取樣人員等信息。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

將試驗(yàn)取樣時(shí)刻和測(cè)量值定義為零點(diǎn)，橫坐標(biāo)為記錄的測(cè)試時(shí)間，縱坐標(biāo)為取樣前后機(jī)油中含碳量的差，在圖上描點(diǎn)，把所描點(diǎn)繪成一條平滑的曲線。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

更換噴油器前后在標(biāo)定工況下的性能對(duì)比結(jié)果﹑五工況參數(shù)的對(duì)比結(jié)果，分別如表3﹑表4所示。

表3 標(biāo)定工況性能對(duì)比結(jié)果

表4 五工況參數(shù)對(duì)比結(jié)果

從表3中可以看出，更換噴油器后標(biāo)定工況的油耗及煙度較原機(jī)均下降，這與計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)相同；從表4中可以看出，更換噴油器后PM排放較原機(jī)降低，NO排放雖有所上升，但仍在排放限值允許范圍之內(nèi)，更換噴油器后的排放結(jié)果滿足排放開發(fā)要求。

機(jī)油的耐久性測(cè)試分兩次進(jìn)行，具體情況分別如下：

1）全速全負(fù)荷工況50 h。

試驗(yàn)機(jī)油規(guī)格為美孚CI-4，加注量為24.91 L；將試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，擬合得出機(jī)油含碳量與時(shí)間關(guān)系式：Y=0.006 6X+0.497 4，斜率小于AVL給出的Acceptable值（0.009），接近Excellent值（0.006），推測(cè)200 h含碳量為1.82%，能夠滿足200 h換油期，全速全負(fù)荷工況50 h擬合線如圖5所示。機(jī)油粘度限值在 11.64～17.46 mm2/s。

圖5 全速全負(fù)荷工況50h擬合線

2）采用100%負(fù)荷20 min+75%負(fù)荷100 min循環(huán)交替50 h。

試驗(yàn)機(jī)油規(guī)格為美孚CI-4，加注量為26.42 L；將試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，擬合得出機(jī)油含碳量與時(shí)間關(guān)系式：Y=0.005 9X+0.413 1，斜率略低于AVL給出的Excellent值（0.006），推測(cè)200 h含碳量為1.677 4%，能夠滿足200 h換油期。100%負(fù)荷20 min+75%負(fù)荷100 min循環(huán)交替50 h擬合線如圖6所示，機(jī)油粘度限值在11.64～17.46 mm2/s。

從以上兩次機(jī)油耐久試驗(yàn)結(jié)果可斷定，更換噴油器后原機(jī)機(jī)油老化問(wèn)題可以解決。

圖6 100%負(fù)荷20 min+75%負(fù)荷100 min循環(huán)交替50 h擬合線

5 結(jié)論

使用三維CFD仿真軟件對(duì)某發(fā)電柴油機(jī)進(jìn)行了噴油落點(diǎn)分析及噴油器選型計(jì)算，研究了通過(guò)燃燒系統(tǒng)優(yōu)化解決機(jī)油老化問(wèn)題的方法，得到以下結(jié)論：

1）原機(jī)大量燃油噴到活塞頂面，并有部分燃油噴到氣缸壁上，使用推薦的噴油器噴油落點(diǎn)更為合理，可顯著降低機(jī)油老化風(fēng)險(xiǎn)。

2）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，使用推薦的噴油器標(biāo)定工況ISFC較原機(jī)下降約3 g/kWh，SOOT排放較原機(jī)下降約10%。

3）綜合試驗(yàn)結(jié)果，油耗﹑排放的計(jì)算趨勢(shì)與試驗(yàn)一致，通過(guò)優(yōu)化燃燒系統(tǒng)，合理組織燃燒過(guò)程，可以有效的解決機(jī)油老化問(wèn)題。

［1］ 黃志勇.柴油機(jī)尾氣凈化處理的研究進(jìn)展［J］.廣東化工，2011（8）：88.

［2］ 林秀轉(zhuǎn)，趙艷麗，石順友，等. 長(zhǎng)城CH-4 15W-40柴油機(jī)油在廣東粵運(yùn)的行車試驗(yàn)研究［J］.2016，21（2）：28-33.

［3］ 李自強(qiáng)，王兆遠(yuǎn)，崔奎據(jù).機(jī)油老化的路況差異性研究［J］.汽車實(shí)用技術(shù)，2015，12（6）：15-17.

［4］ 黃傳剛，黃建忠，劉興海，等.調(diào)整柴油機(jī)噴油提前角解決柴油機(jī)油異常變稠問(wèn)題［J］.石油商技，2013，6（3）：30-33.

Research on Oil Aging Problems of Diesel Engine

LEI Yuefeng
（School of Hyundai Auto，Rizhao Polytechnic，Rizhao Shandong 276826，China）

Based on the analysis of the reasons and harms of oil aging of diesel engines，this paper，taking one kind of diesel engine as an example，analyzes the specific reasons of oil aging and matches a better oil injector by using threedimensional CFD simulation tool. In so doing，the falling point of fuel jet is improved on the premise that the emission is unaffected，which provides a reference in solving oil aging problem.

oil aging； oil injector； diesel engine

U262.11

A

1672-6138（2017）04-0018-04

10.3969/j.issn.1672-6138.2017.04.005

2017-06-16

雷躍峰（1980—），男，山東東阿人，講師，研究方向：汽車檢測(cè)診斷﹑發(fā)動(dòng)機(jī)性能測(cè)試。

曹娜］