許曉穎，劉近報，周峰，于佳，田紅霞，李志杰

濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

為保證柴油機各摩擦副之間正常運行，需在摩擦副表面供給一定壓力的潤滑油，對摩擦副進(jìn)行冷卻與潤滑，形成潤滑油膜，減小摩擦阻力及磨損，保證發(fā)動機正常運行，延長發(fā)動機使用壽命。

機油與高溫的金屬摩擦副零件及空氣接觸，機油溫度升高，容易氧化變質(zhì)[1-2]。由活塞環(huán)縫隙竄入曲軸箱內(nèi)的高溫燃燒廢氣及各種金屬磨屑、沉積物等造成機油嚴(yán)重污染[3-4]。此外，冬季從低溫起動到發(fā)動機高溫、高負(fù)荷運轉(zhuǎn)，機油溫度波動可達(dá)100 ℃以上[5-7]，工作溫度變化范圍過大，也會加速機油老化。

某柴油機在全速、全負(fù)荷耐久試驗中出現(xiàn)機油老化快的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為機油運動黏度快速增加，碳含量短時間內(nèi)超出正常范圍。本文中通過對影響機油老化的因素進(jìn)行排查，確定機油老化快的原因并制定改進(jìn)措施。

1 柴油機問題描述

某發(fā)電用水冷、4沖程、增壓中冷，大功率直噴柴油機，機油更換周期為500 h，柴油機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機主要技術(shù)參數(shù)

柴油機在測試臺架上進(jìn)行全速、全負(fù)荷耐久試驗，運行至61 h時，檢測柴油機機油運動黏度為43.2 mm2/s，超過了文獻(xiàn)[8]中黏度為12.5～16.3 mm2/s的要求；機油中直徑大于5 μm的顆粒數(shù)量(以下簡稱大顆粒值)為142.1，超出一般機油中大顆粒值不超過100的規(guī)定。柴油機運行至96 h時，柴油機機油運動黏度升高至151.2 mm2/s，機油中大顆粒值為265，遠(yuǎn)超限值。

將機油由CD-4 15W-40更換為CF-4 15W-40繼續(xù)進(jìn)行耐久試驗，柴油機運行至198 h時機油中大顆粒值再次超標(biāo)，拆檢搖臂罩發(fā)現(xiàn)機油變黑且搖臂上有較多油泥，此時機油運動黏度為158.73 mm2/s，碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.95%，超出一般機油中碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于2.5%的規(guī)定。試驗過程中檢查柴油機運行狀態(tài)，各種運轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)均顯示正常。試驗過程中監(jiān)測機油中大顆粒物值為287，超出限值，初步判斷機油過早老化是由機油含碳量增加造成的。

2 問題分析

在耐久試驗過程中，機油使用時間不足100 h就出現(xiàn)老化現(xiàn)象。除了正常老化外，原因可能還包括：機油牌號不對、部分區(qū)域機油溫度過高、燃燒室生成物[9]等。為了驗證主要原因，進(jìn)行排除試驗。

2.1 更換機油牌號

選擇CD、CF、CI 3種牌號的機油進(jìn)行耐久試驗，標(biāo)號中的第2個字母表示機油等級，排列字母越往后油品質(zhì)量等級越高。3種牌號機油運動黏度隨運行時間變化曲線如圖1所示。

圖1 3種牌號機油運動黏度隨運行時間變化曲線

由圖1可知：3種牌號的機油運動黏度隨運行時間變化差別較大；CD、CF級機油運動黏度升高速率很快，尤其是CD機油，在運行時間為40 h時，黏度已經(jīng)達(dá)到26.4 mm2/s，超出限值；CI機油運動黏度變化不大；CF級機油運動黏度變化居于CD和CI之間。機油級別越高，對發(fā)動機的潤滑和清潔效果越好，顆粒物的容納能力越強。

2.2 不同區(qū)域機油溫度

柴油機機油在高溫、高壓下工作時，抗氧化穩(wěn)定性變差，熱分解、氧化和聚合的過程加劇[10-12]。柴油機運行時，測試不同區(qū)域機油溫度：出水溫度為95 ℃左右時，主油道最高機油溫度為105 ℃，油底殼機油溫度為113 ℃，滿足使用要求；增壓器回油溫度為120 ℃，達(dá)到溫度上限。

2.3 燃燒室生成物

發(fā)動機燃料在燃燒過程中產(chǎn)生各種氧化物、烴類、煙灰等物質(zhì)，隨著活塞環(huán)竄氣進(jìn)入曲軸箱發(fā)生化學(xué)變化產(chǎn)生固體漆膜及煙泥，污染機油造成機油老化及零部件磨損[13-14]。分析柴油機運行數(shù)據(jù)，煙度為0.29～0.85 FSN，最低燃油消耗率為195 g/(kW·h)，最高排氣溫度為536 ℃，標(biāo)定工況過量空氣系數(shù)為1.61，空燃比為23.04，均在正常范圍內(nèi)，進(jìn)行拆機檢查及燃燒分析計算排查故障原因。

2.3.1 拆機檢查

對柴油機進(jìn)行拆檢，發(fā)現(xiàn)各缸活塞頂部均有不同程度的碳煙，且第3、5、6缸活塞頂部及氣缸套壁面碳煙明顯。

清理活塞頂部后觀察油束落點及活塞環(huán)岸變色情況，發(fā)現(xiàn)油束落點痕跡明顯，靠近活塞外圓且存在變色不均勻現(xiàn)象；活塞火力岸與油束落點對應(yīng)處有變色現(xiàn)象，說明數(shù)量較多的柴油噴射到活塞頂面，在頂面燃燒，造成局部高溫。

2.3.2 燃燒分析計算

燃燒系統(tǒng)確定的前提下，噴油油束在活塞頂?shù)穆潼c與噴油正時有密切關(guān)系，若噴油正時提前，油束距離活塞頂面稍遠(yuǎn)，滯燃期較長，著火前形成更多的可燃混合氣，燃燒充分。若噴油正時滯后，活塞上行，油束距離活塞頂面較近，容易造成燃燒不充分。性能開發(fā)時確定柴油機噴油提前角對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為14°，而實際噴油提前角對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角約為5°，不考慮避閥坑的深度，進(jìn)行燃燒過程仿真分析，如圖2所示。

圖2 噴油提前角曲軸轉(zhuǎn)角5°時燃燒過程仿真分析

由圖2可知，由于噴油正時滯后，燃油剛好噴在活塞頂部，部分燃油反彈濺射在氣缸壁上，造成缸套壁面附近形成當(dāng)量比為1左右的混合氣體。由于缸套壁面溫度低，混合氣體遇冷冷凝，形成液態(tài)燃油附著于壁面，低溫的缸套壁面不利于燃油的蒸發(fā)霧化，導(dǎo)致柴油機運行過程中缸套壁面一直存在未霧化的液態(tài)燃油，這些燃油吸附混合氣中的碳煙，在活塞環(huán)刮油過程中進(jìn)入曲軸箱內(nèi)，導(dǎo)致機油中的含碳量超標(biāo)，黏度變大，摩擦副潤滑不良，磨損加劇，機油中大顆粒值增加并超出限值。

3 解決措施及驗證

柴油機機油內(nèi)大顆粒物值過高的主要原因是油束落點異常導(dǎo)致燃燒過程中產(chǎn)生顆粒物，對柴油機燃燒進(jìn)行優(yōu)化：1)燃燒室容積增加7.6%，壓縮比由16提高到17， 縮短噴油持續(xù)期；2)活塞喉口直徑增加12.3 mm；3)減小噴油器油束夾角，避免油束噴射到活塞頂面上。

使用優(yōu)化后的柴油機，采用孔數(shù)均為8、噴嘴結(jié)構(gòu)相同、體積流量不同、噴油器油束夾角不同的4種噴油器，具體參數(shù)如表2所示，進(jìn)行標(biāo)定轉(zhuǎn)速下負(fù)荷特性試驗，記為方案1～4。對比不同轉(zhuǎn)矩下的燃油消耗率、煙度，試驗結(jié)果如圖3所示。

表2 噴油器參數(shù)

a)燃油消耗率 b)煙度

由圖3a)可知：4種方案的燃油消耗率隨轉(zhuǎn)矩的變化趨勢基本一致，轉(zhuǎn)矩在800 N·m以下時，燃油消耗率差別不大，但轉(zhuǎn)矩在800 N·m以上時差別較大；方案1油耗最高，方案2次之，方案3、4的油耗較低。由此可見：油束夾角對油耗的影響較大，夾角較小時，大部分柴油噴在燃燒室凹坑內(nèi)，有利于降低油耗。由圖3b)可知：方案4的煙度排放最高，方案3的最低。方案4的體積流量大于方案3，大流量造成局部缺氧，油量增加，煙度排放高。經(jīng)以上分析，應(yīng)減小噴油器油束夾角，同時控制噴油體積流量。

選擇方案3對應(yīng)的噴油器，油束夾角為144°，體積流量為2600 mL/min，柴油機優(yōu)化后進(jìn)行300 h耐久試驗，機油運動黏度隨運行時間變化曲線如圖4所示。

圖4 耐久試驗機油運動黏度隨時間變化曲線

由圖4可知：300 h耐久后試驗機油運動黏度為16.21 mm2/s，試驗測得碳煙的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.78%，機油運動黏度與碳煙質(zhì)量分?jǐn)?shù)均在規(guī)定范圍內(nèi)。機油含碳量未出現(xiàn)異常，機油老化問題得到解決。

4 結(jié)論

1)機油級別越高，高溫狀態(tài)下發(fā)動機潤滑能力越強。

2)控制噴油體積流量，可有效控制煙度排放。

3)對于本機型發(fā)動機，減小噴油器油束夾角，可改變油束落點，減少碳煙生成。

4)柴油機性能開發(fā)過程中，應(yīng)于產(chǎn)品開發(fā)前增加燃燒分析計算環(huán)節(jié)，有利于縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，保證產(chǎn)品可靠性。