高速大功率柴油機燃油適應(yīng)性改進設(shè)計

丁技峰，王增全，于寶金，張國征，高鑫花

(1.中國北方發(fā)動機研究所，天津 300400； 2.中北大學，山西 太原 030051)

0 引言

世界各地所產(chǎn)石油的化學組成都有不同程度的差別。同一種石油，采用不同煉制工藝得到的燃油其化學組成不同[1]。柴油品質(zhì)顯著影響著柴油機的性能和可靠性[2-4]。不同結(jié)構(gòu)的柴油機，對柴油品質(zhì)的要求及其苛刻程度也是不同的[5]。為解決某型柴油機燃燒室燒蝕、拉缸問題，對其燃用的當?shù)夭裼瓦M行了試驗研究，并對柴油機進行了燃油適應(yīng)性改進設(shè)計。首先進行了燃油影響發(fā)動機臺架試驗研究，摸清了所用燃油對該型柴油機可靠性的影響；然后開展了燃油理化特性測試與柴油機缸內(nèi)燃燒過程測試，分析了燃油的品質(zhì)對柴油機燃燒室燒蝕和拉缸問題的影響機理；最后對柴油機活塞、噴油器、增壓器和供油提前角進行了適應(yīng)性改進設(shè)計。在改進后的柴油機上進行了燃油適應(yīng)性臺架考核試驗，試驗結(jié)果表明柴油機燃油適應(yīng)性得到了提高，再未出現(xiàn)類似故障，達到了預(yù)期的改進目標。

1 燃油影響試驗研究

1.1 實車故障情況

某部配備了36臺某型車輛，在使用過程中，先后有19臺出現(xiàn)柴油機冒白煙、噴鋁沫故障。故障主要特點均為柴油機氣缸蓋的噴油器安裝孔周邊燒蝕，且在較短時間內(nèi)出現(xiàn)故障。故障發(fā)生的時間范圍大都集中在20 h～28 h，平均為24.7 h。典型故障圖片如圖1所示。

1.2 故障復(fù)現(xiàn)臺架試驗與分析

通過現(xiàn)場排查分析，初步懷疑故障原因與燃用當?shù)厝加偷挠推酚嘘P(guān)。按設(shè)計要求，該型柴油機需使用GJB 3075—1997《軍用柴油規(guī)范》規(guī)定的燃油。為了得到確認，采用當?shù)厝加驮诎l(fā)動機臺架上進行了柴油機可靠性考核試驗。試驗使用量產(chǎn)的一臺交驗合格的新柴油機，按照該型柴油機常規(guī)考核試驗規(guī)范執(zhí)行。當考核到21.7 h時，出現(xiàn)柴油機曲軸箱廢氣壓力突然升高，呼吸器冒白煙并噴出大量機油的現(xiàn)象。拆檢發(fā)現(xiàn)氣缸蓋噴油器安裝孔周圍與活塞頭部外沿均出現(xiàn)燒蝕現(xiàn)象，且活塞頭部均有不同程度的拉傷。氣缸蓋、活塞損傷情況如圖2所示?？己嗽囼灲Y(jié)果說明:柴油機燃用當?shù)厝加秃?，短時間內(nèi)復(fù)現(xiàn)柴油機氣缸蓋燒蝕、活塞拉缸等實車損壞故障。該型柴油機在臺架保險期考核中，使用GJB 3075—1997規(guī)定的燃油，按照相同的考核規(guī)范通過了400 h考核，從未出現(xiàn)過類似故障。因此，燃用當?shù)厝加蛯υ撔筒裼蜋C短時間內(nèi)燃燒室零部件燒蝕有直接影響。

圖1 某型車輛柴油機典型故障圖

1.3 燃油理化特性測試與分析

取該部使用的當?shù)厝加秃虶JB 3075—1997規(guī)定的相同標號的軍用柴油，按照石油和石油產(chǎn)品試驗方法國家標準，分別進行十六烷值、餾程等物化性質(zhì)檢測。圖3為兩種燃油蒸餾曲線測試結(jié)果。從圖3可見，當?shù)厝加宛s程較寬(餾程是指油品在規(guī)定條件下蒸餾所得到的從初餾點到終餾點、表示其蒸發(fā)特性的溫度范圍)，為150.7 ℃。當?shù)厝加驮?59 ℃～250 ℃的溜出量占餾出總量的71.7%，在250 ℃～310 ℃的餾出量僅占餾出總量的28.3%，因此輕餾分含量高。而GJB 3075—1997規(guī)定的相同標號的軍用柴油餾程寬度為118.3 ℃，在180 ℃～250 ℃的餾出量僅占餾出總量的40%，而在250 ℃～310 ℃的餾出量占餾出總量的60%以上，因此，重餾分含量高。檢測結(jié)果還顯示：當?shù)厝加偷氖橹递^低，為49 ℃；而GJB 3075—1997規(guī)定的相同標號的軍用柴油的十六烷值為55.2 ℃。

圖2 氣缸蓋、活塞典型損傷圖

圖3 兩種燃油餾出曲線對比圖

十六烷值是評價柴油著火性能和燃燒特性的指標。柴油中的十六烷值高，自燃性好，柴油機著火延遲時間短，工作平穩(wěn)[6]。而餾程決定柴油的蒸發(fā)性能，蒸發(fā)性能影響著火延遲期的燃油蒸發(fā)量，一般品質(zhì)好的柴油，其餾程較窄，且在250 ℃～310 ℃之間蒸發(fā)的餾分最多[7]。輕餾分燃油比重餾分燃油蒸發(fā)性能好，燃燒速度快。但是餾分過輕，在著火延遲期蒸發(fā)的餾分過多，將導致柴油機工作粗暴[8]。燃油理化特性測試對比分析結(jié)果表明：該部使用的當?shù)厝加陀推返陀贕JB 3075—1997規(guī)定的軍用柴油。

1.4 柴油機燃燒過程測試與分析

示功圖是研究和判斷內(nèi)燃機工作狀態(tài)、基本性能、參數(shù)計算及放熱規(guī)律分析的重要依據(jù)，從中可以獲取40多種信息[9]。采用AVL DEWETRON燃燒分析儀，測取了該型柴油機在分別燃用當?shù)厝加秃虶JB 3075—1997規(guī)定的軍用柴油時的外特性工況示功圖。圖4是使用兩種燃油柴油機最大扭矩點示功圖對比情況，相應(yīng)的燃燒過程主要特征參數(shù)如表1所示。表1中，℃A表示曲柄轉(zhuǎn)角。從表1中可以看出：與軍用柴油相比，燃用當?shù)厝加蜁r，燃燒始點晚，滯燃期長(由于供油時刻一致，則噴油始點一致，滯燃期取決于燃燒始點)，預(yù)混燃燒期長，擴散燃燒期短，壓力升高率大。

1.5 故障機理分析

如圖5所示(BTDC為上止點前，TDC為上止點，ATDC為上止點后)，燃燒過程分為4個階段，即滯燃期、預(yù)混燃燒期、擴散燃燒期和后燃期[10]。由于滯燃期還沒有著火，而后燃期壓力溫度開始降低，壓力振蕩也大幅衰減，因此在這兩個階段對燃燒系統(tǒng)硬件不可能造成失效，而造成氣缸蓋、活塞失效的階段主要是預(yù)混燃燒期和擴散燃燒期。

圖4 使用兩種燃油柴油機最大扭矩點示功圖對比

表1 使用兩種燃油柴油機在燃燒過程的主要特征參數(shù)

圖5 柴油機典型燃燒過程示意圖

在預(yù)混燃燒中后期和擴散燃燒初期，預(yù)混燃燒已擴展到整個燃燒室，缸內(nèi)溫度已達1 300 K以上，低的十六烷值引起的著火困難已不存在，而此時噴油尚未結(jié)束，仍有30%以上的燃油未噴入氣缸，由于當?shù)厝加洼p餾分含量高，尤其在大負荷工況下，燃油噴射壓力高，霧化良好，輕餾分柴油在噴孔出口處快速蒸發(fā)具備著火條件，在氣缸中央位置產(chǎn)生劇烈燃燒，致使溫度梯度和壓力梯度迅速增加，產(chǎn)生強烈熱沖擊和機械沖擊。

由于該型柴油機沒有供油提前裝置，為保證整機性能，往往選擇較大的固定供油提前角。這樣在常用工作轉(zhuǎn)速以上時供油提前角相對合理，但隨著轉(zhuǎn)速的下降，供油提前角會逐步偏大，帶來滯燃期加長、預(yù)混燃燒加劇和壓升率升高。再由于當?shù)厝加褪橹档汀?50 ℃以下餾分占總量的71.7%，使得滯燃期內(nèi)有更多的燃油蒸發(fā)，蒸發(fā)吸熱進一步降低了壓縮終了溫度，進而造成不易著火和著火點推遲。因此在供油提前角和燃油兩方面原因的共同作用下，預(yù)混燃燒劇烈，壓升率顯著增加，并伴有壓力振蕩。燃用當?shù)厝加筒裼蜋C最大扭矩工況壓升率達2.23 MPa/℃A，比燃用軍用柴油高72.2%，劇烈升高的壓升率帶來的壓力振蕩、沖擊脈沖和溫度梯度，共同作用在氣缸蓋噴油器安裝孔周圍、活塞中央和燃燒室頂部位，造成鋁硅合金氣缸蓋和活塞中的金屬鋁首先脫落，僅留下耐沖擊的其他材料，出現(xiàn)局部斑點和凹坑，發(fā)生燒蝕現(xiàn)象；同時造成活塞熱膨脹加大、火力岸配合間隙消失、頭部變形而導致拉缸。

2 燃油適應(yīng)性改進

2.1 改進內(nèi)容

根據(jù)以上故障機理分析，為提高壓縮終點溫度，縮短燃燒滯燃期，控制壓升率，從柴油機燃燒參數(shù)優(yōu)化方面開展該型柴油機輕餾分燃油適應(yīng)性改進研究。主要技術(shù)措施為：①適當增大活塞壓縮比；②提高噴油器開啟壓力；③適當下移增壓匹配點；④減小柴油機供油提前角。通過系統(tǒng)匹配計算與臺架調(diào)試，確定的燃油適應(yīng)性主要改進內(nèi)容見表2。

表2 柴油機燃油適應(yīng)性主要改進內(nèi)容

2.2 試驗驗證

根據(jù)上述改進內(nèi)容完成該型柴油機樣機改造后，進行了發(fā)動機臺架性能試驗，并采用當?shù)厝加桶凑詹裼蜋C常規(guī)考核試驗規(guī)范進行了可靠性考核。試驗結(jié)果表明：經(jīng)改進后柴油機對輕餾分燃油適應(yīng)性提高，性能指標基本不變，且未出現(xiàn)短時間(24 h)內(nèi)燃燒室部件燒蝕故障?？己撕髿飧咨w燃燒室部位使用狀況如圖6所示。

3 結(jié)論

(1) 高速大功率柴油機由于強化程度高和采用鋁合金結(jié)構(gòu)等，其壓縮比為13左右，供油提前角30 ℃A

左右，因此壓縮溫度低、滯燃期長，對輕餾分柴油不易著火、蒸發(fā)汽化快、吸熱等影響較為敏感，從而對輕餾分柴油適應(yīng)性較差，易發(fā)生燒蝕與拉缸故障。

(2) 適當增大活塞壓縮比、提高噴油器開啟壓力，下移增壓匹配點、減小柴油機供油的提前角、可以提高柴油機輕餾分燃油適應(yīng)性，其本質(zhì)是優(yōu)化燃燒，控制壓力升高率。

圖6 改進柴油機氣缸蓋燃燒室部位考核后狀況