某發(fā)電柴油機機油老化問題的研究

雷躍峰

（日照職業(yè)技術學院 現(xiàn)代汽車學院，山東 日照 276826）

某發(fā)電柴油機機油老化問題的研究

雷躍峰

（日照職業(yè)技術學院 現(xiàn)代汽車學院，山東 日照 276826）

在簡單闡述柴油機機油老化問題的原因及危害的基礎上，分析某發(fā)電柴油機、原機機油老化原因，利用三維CFD計算機仿真工具重新匹配噴油器，保證排放前提下使油束落點更合理，為解決機油老化問題提供參考。

機油老化；噴油器；柴油機

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，環(huán)保﹑節(jié)能問題成為當今發(fā)動機工業(yè)的熱點問題，因此，延遲噴射﹑EGR等技術在柴油發(fā)動機技術中得到了推廣與普及，這些技術在改善尾氣排放的同時，對柴油發(fā)動機工作性能的可靠性也提出新挑戰(zhàn)，影響發(fā)動機正常工作的機油老化問題就是其中一個［1］。

柴油機尾氣中的PM，碳煙是主要排放物，石墨化炭黑又是構成碳煙的主要成分，附著在氣缸壁上的炭黑會隨著活塞環(huán)上下往復的刮油運動進入機油，炭黑在機油中以固體不溶物的形式存在［2］。對柴油發(fā)動機的危害主要有加劇發(fā)動機的磨損﹑增加潤滑油的粘度，潤滑性能受損﹑大顆粒物堵塞濾網，影響發(fā)動機正常工作。

1 機油老化的解決辦法

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

針對某發(fā)電柴油機開發(fā)過程中出現(xiàn)機油老化的問題，使用三維CFD計算軟件AVL-Fire，在分析原機噴油落點基礎上，重新匹配噴油器，在滿足排放性能前提下改善油束落點位置，最終解決機油老化問題。

2 計算分析

2.1 原機問題分析

由于計算機型為機械泵發(fā)電柴油機，根據燃燒開發(fā)經驗，最大功率工況點的燃油噴到活塞頂面可能性最大，機油老化的風險也最高，因此計算分析了原機標定工況的噴油落點情況，計算結果如圖1中的a﹑b所示。

圖1 原機標定工況的噴油落點

從圖1的a﹑b曲軸轉角分別為750CA﹑754CA時的原機標定工況噴油器落點可以看出，噴油結束時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導致活塞頂面造成大量積碳，噴到氣缸壁上的燃油也會進入油底殼造成機油稀釋，從而導致機油含碳量升高，潤滑性能下降，出現(xiàn)機油老化問題，原機經過耐久試驗后，進行拆機檢驗，如圖2所示。

圖2 原機拆檢情況

由圖2可以看出，標記處顯示活塞頂面處有積碳燃燒后的大塊印跡，這與原機噴油落點計算分析的結果一致。

2.2 噴油器選型

為改善原機噴油落點，根據開發(fā)經驗，進行噴油器選型計算分析，所選噴油器參數如表1所示。

表1 噴油器參數

噴油器選型計算結果如圖3所示。

圖3 原機噴油器選型計算結果

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

圖4 更換噴油器后標定工況噴油落點

從圖4a的曲軸轉角位746CA和b曲軸轉角750CA可以看出，更換噴油器后，噴油結束時噴到活塞頂面的燃油相比原機大幅減少，燃油也沒有噴到氣缸壁上，這樣既減少活塞頂面的積炭量，減低機油含碳量，又避免機油稀釋，綜合這兩大因素使機油老化風險大大降低，推薦更換該噴油器進行試驗驗證。

3 機油老化試驗方法

3.1 試驗步驟

第一步：將機油預熱至85 ℃停車，關閉空調系統(tǒng)和冷卻水開關，正盤車3圈至1﹑6缸上止點，30 min后標記當前液位，補加機油至游標尺上刻度線處，并對機油補加量進行稱重。

第二步：按照試驗大綱要求控制相關參數，柴油機在標定工況運行1 h，進行試驗前取樣，取樣時柴油機保持怠速，取樣位置盡量保持在油底殼中部，且取樣要在5 min內完成，抽取50 mL機油（至取樣瓶下刻度線），記下取樣質量，間隔15 min記錄數據一次。

第三步：試驗前取樣后進行機油含碳量試驗循環(huán)，各用途柴油機根據排放循環(huán)選擇機油含碳量試驗循環(huán)，道路用柴油機根據排放標準選擇ESC或WHSC循環(huán)試驗，工程機械用柴油機按照C1循環(huán)進行試驗，發(fā)電用柴油機按照D2循環(huán)試驗，發(fā)電用柴油發(fā)動機采用試驗循環(huán)如表2所示。

表2 發(fā)電用柴油機D2循環(huán)試驗

每完成3個試驗循環(huán)，按照步驟二進行取樣，取樣結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油量與取樣量相同，若液面有顯著的下降則添加機油至上刻度線。為了評估潤滑系統(tǒng)，機油含碳量的試驗還應進行舜態(tài)試驗循環(huán)，循環(huán)工況應根據相應法規(guī)要求達到排放標準選擇，循環(huán)所需要的時間應根據穩(wěn)態(tài)循環(huán)結果再進行50～100 h，可以平均取5個樣本，采集與分析方法和穩(wěn)態(tài)循環(huán)過程相同。試驗過程中，應定期檢查發(fā)動機是否存在機油泄漏，如發(fā)生泄漏需重新進行試驗。機油取樣后，做好標記，即刻送至油品分析實驗室，由摩擦磨損室和產品實驗室負責樣本的測量，并出具分析結果。試驗結束后，按照GB/T 14363中的規(guī)定對柴油機進行放油，對放油量進行稱重，并記錄質量。

3.2 試驗測量參數及試驗記錄

試驗測量參數應符合Q/WCG 136-24中排放試驗的規(guī)定，且必須包含機油壓力﹑機油溫度﹑漏氣量﹑濾紙煙度﹑EGR率，測量與記錄各項參數需在柴油機穩(wěn)定運轉5 min后進行，每次取樣后，取樣瓶上需記錄臺架號﹑試驗機型﹑機油等級信息﹑取樣日期及取樣時刻，取樣人員等信息。

3.3 試驗結果分析

將試驗取樣時刻和測量值定義為零點，橫坐標為記錄的測試時間，縱坐標為取樣前后機油中含碳量的差，在圖上描點，把所描點繪成一條平滑的曲線。

4 試驗驗證

更換噴油器前后在標定工況下的性能對比結果﹑五工況參數的對比結果，分別如表3﹑表4所示。

表3 標定工況性能對比結果

表4 五工況參數對比結果

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

機油的耐久性測試分兩次進行，具體情況分別如下：

1）全速全負荷工況50 h。

試驗機油規(guī)格為美孚CI-4，加注量為24.91 L；將試驗得到的數據進行整理，擬合得出機油含碳量與時間關系式：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200 h含碳量為1.82%，能夠滿足200 h換油期，全速全負荷工況50 h擬合線如圖5所示。機油粘度限值在 11.64～17.46 mm2/s。

圖5 全速全負荷工況50h擬合線

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

試驗機油規(guī)格為美孚CI-4，加注量為26.42 L；將試驗得到的數據進行整理，擬合得出機油含碳量與時間關系式：Y=0.005 9X+0.413 1，斜率略低于AVL給出的Excellent值（0.006），推測200 h含碳量為1.677 4%，能夠滿足200 h換油期。100%負荷20 min+75%負荷100 min循環(huán)交替50 h擬合線如圖6所示，機油粘度限值在11.64～17.46 mm2/s。

從以上兩次機油耐久試驗結果可斷定，更換噴油器后原機機油老化問題可以解決。

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

5 結論

使用三維CFD仿真軟件對某發(fā)電柴油機進行了噴油落點分析及噴油器選型計算，研究了通過燃燒系統(tǒng)優(yōu)化解決機油老化問題的方法，得到以下結論：

1）原機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更為合理，可顯著降低機油老化風險。

2）根據計算結果，使用推薦的噴油器標定工況ISFC較原機下降約3 g/kWh，SOOT排放較原機下降約10%。

3）綜合試驗結果，油耗﹑排放的計算趨勢與試驗一致，通過優(yōu)化燃燒系統(tǒng)，合理組織燃燒過程，可以有效的解決機油老化問題。

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

［2］ 林秀轉，趙艷麗，石順友，等. 長城CH-4 15W-40柴油機油在廣東粵運的行車試驗研究［J］.2016，21（2）：28-33.

［3］ 李自強，王兆遠，崔奎據.機油老化的路況差異性研究［J］.汽車實用技術，2015，12（6）：15-17.

［4］ 黃傳剛，黃建忠，劉興海，等.調整柴油機噴油提前角解決柴油機油異常變稠問題［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：汽車檢測診斷﹑發(fā)動機性能測試。

曹娜］