CA6DE3柴油機低機油耗開發(fā)

王啟航，吳彩麗，張松濤，李來群，韓祖豪

（1.西安康明斯發(fā)動機有限公司，西安710200；2.道依茨一汽大連柴油機有限公司，大連116022）

CA6DE3柴油機低機油耗開發(fā)

王啟航1，吳彩麗2，張松濤2，李來群2，韓祖豪2

（1.西安康明斯發(fā)動機有限公司，西安710200；2.道依茨一汽大連柴油機有限公司，大連116022）

CA6DE3國Ⅲ排放電控柴油機的低機油耗開發(fā)是通過對活塞環(huán)、活塞與缸套的間隙和活塞第一道環(huán)槽的優(yōu)化來實現(xiàn)的。試驗結果表明，樣機優(yōu)化后的標定功率機油燃油耗比為0.07%，滿足低機油耗開發(fā)工程目標0.2%的要求。

柴油機國Ⅲ排放機油耗優(yōu)化試驗

1 前言

柴油機由機油產(chǎn)生的SOF占其SOF總質(zhì)量的15%～80%，對排放顆粒有直接的影響。為了滿足越來越嚴格的排放法規(guī)，低機油耗開發(fā)已成為整機開發(fā)的重要工作之一，越來越受到關注[1]。通常用標定功率下的機油燃油比、機油消耗率或機油消耗量來評價發(fā)動機的機油消耗指標[2]。

活塞環(huán)具有氣密功能、控油功能、導熱功能和對活塞的支撐功能。對活塞環(huán)設計要求可以概括為：（1）具有良好的抗拉缸性能；（2）具有良好的順應性能；（3）具有高抗耐磨性、耐腐蝕性能；（4）配合活塞具有良好的密封性能和刮油性能，使機油耗、漏氣量等指標滿足項目開發(fā)的工程目標。

作用在活塞環(huán)的力有氣體壓力、環(huán)的自身彈力、環(huán)作往復運動的慣性力、環(huán)與缸孔及活塞環(huán)槽的摩擦力等。由于這些力的作用，活塞環(huán)將產(chǎn)生軸向運動、徑向運動、回轉運動等。這些不規(guī)則運動常常妨礙活塞環(huán)發(fā)揮作用。設計活塞環(huán)時，要充分發(fā)揮活塞環(huán)有利運動，抑制不利運動[3]。

通過對活塞頭部間隙和活塞第一道環(huán)槽的優(yōu)化，來改善活塞環(huán)的受力狀況，充分發(fā)揮活塞環(huán)的刮油作用，來滿足機油消耗的工程目標要求[1-4]。

2 低機油耗開發(fā)

2.1 發(fā)動機配置

CA6DE3型柴油機是道依茨一汽大連柴油機有限公司的成熟機型之一。它采用了直噴式、增壓中冷、電控單體泵技術，滿足國Ⅲ排放，外特性最低燃油消耗率200 g/(kW·h)。該機型的主要結構及技術參數(shù)如表1所示。低機油消耗開發(fā)的工程目標為標定功率機油燃油耗比0.2%。

2.2 試驗方法

采用稱重法測量機油消耗。該方法為：加入新機油至油尺的上限，柴油機起動后調(diào)整到試驗規(guī)定的工況，機油溫度穩(wěn)定后，停機；均勻轉動曲軸，在1 min以內(nèi)順時針轉動曲軸一圈，再轉至第一缸上止點位置，放油稱重，放油時間為15 min；將油倒回柴油機，再稱量未能倒凈的機油和容器；兩次重量之差，即為加入的機油量。

表1 CA6DE3柴油機技術參數(shù)

起動柴油機，迅速調(diào)整到規(guī)定的試驗工況，開始試驗。試驗后，按試驗前的方法放油稱重，稱得試驗后的機油量。試驗時間為24 h，運行工況為功率162 kW，轉速2 300 r/min。

機油消耗量=試驗前加入的機油量－試驗后放出的機油量。

2.3 降機油耗措施及試驗開發(fā)

針對降低CA6DE3柴油機機油耗的目標，進行了活塞環(huán)、活塞頭部間隙和活塞環(huán)槽的3個方面的優(yōu)化工作。

2.3.1 活塞環(huán)的優(yōu)化

簡單地說，對活塞環(huán)的優(yōu)化可概括以下幾個方面：（1）提高活塞環(huán)的接觸應力；（2）提高活塞環(huán)的順應性；（3）在活塞下行時，設計成尖銳的下側刮油棱邊；（4）在活塞上行時，設計成符合流體力學的工作面幾何形狀，避免頂部出現(xiàn)刮油棱邊；（5）減小環(huán)槽內(nèi)的泵油作用。

對柴油機的排放而言，有些要求是相互矛盾的。如一方面要優(yōu)化活塞環(huán)的刮油性能，以減少機油排放；另一方面要減少活塞環(huán)的摩擦力，以獲得更好的燃油經(jīng)濟性和較低的CO2排放量。

對CA6DE3柴油機活塞環(huán)的優(yōu)化，主要集中在鋼質(zhì)油環(huán)的開發(fā)，特別是刮油刃的適當降低對改進機油耗是有效的。其試驗結果如圖1所示。通過活塞環(huán)的優(yōu)化，標定功率機油燃油耗比從原機的0.25%降至0.22%，降幅達到了12%。

2.3.2 活塞頭部間隙的優(yōu)化

在CA6DE3柴油機完成了活塞環(huán)的優(yōu)化基礎上，通過對活塞頭部間隙的優(yōu)化，改善活塞環(huán)與活塞環(huán)槽配合以及活塞環(huán)與缸套的受力情況，來滿足降低機油耗的工程目標。活塞和活塞環(huán)設計的關鍵是使第一道環(huán)停留在環(huán)槽底的時間盡可能長，使漏氣量和機油耗降至最低。

活塞與活塞環(huán)間隙的典型結構如圖2所示。適當增加活塞頂岸間隙δ1，增加第一道環(huán)岸上部的氣壓，促進第一道環(huán)落座。但同時必須考慮到，δ1的增加，導致活塞環(huán)岸和缸套的有害容積增加，在活塞燃燒室保持不變的情況下，壓縮比會略有降低。燃燒室K系數(shù)定義為燃燒室容積與活塞上止點的容積之比，是衡量空氣利用率的重要指標。δ1的增加會導致燃燒室K系數(shù)的略微下降，使柴油機的燃油消耗率和煙度指標趨于惡化。本輪試驗采用的方案為活塞頭部間隙δ1相對原機增大了35.7%。

減少第一道環(huán)岸間隙δ2，改善第一道環(huán)岸的支撐能力。第一道環(huán)槽的下邊緣的倒角設計盡可能小，與第一道環(huán)形成密封帶。

第二道環(huán)岸間隙δ3應適當增加，為第二道環(huán)刮下的機油提供存儲空間，有利于降低機油消耗。油環(huán)岸也應保證有足夠的間隙，為油環(huán)刮下的機油提供排泄通道。

對CA6DE3柴油機活塞頭部間隙的優(yōu)化試驗結果如圖3所示。活塞頭部間隙的優(yōu)化，標定功率機油燃油耗比從優(yōu)化活塞環(huán)的0.22%降至0.07%，得到了68%的改善，超過了工程目標0.2%的要求。

2.3.3 活塞第一道環(huán)槽結構的優(yōu)化

盡管活塞頭部間隙的優(yōu)化對改善機油耗的作用顯著，但由于δ1間隙的增大，同時也導致了有害余隙容積的增加，燃燒室K系數(shù)的降低，使柴油機燃油消耗率和煙度指標有所惡化。

對CA6DE3柴油機，在δ1間隙不變的前提下，通過活塞環(huán)槽的優(yōu)化來改善第一道環(huán)的受力情況。采用優(yōu)化的活塞環(huán)，將第一道環(huán)與環(huán)槽的下表面配合角度增加1度，使第一道環(huán)與環(huán)槽的工作結合面外移，趨向于前端密封。活塞環(huán)和活塞環(huán)槽的密封和受力情況示意圖如圖4所示。

對CA6DE3柴油機活塞第一道環(huán)槽的優(yōu)化試驗結果如圖5所示。活塞第一道環(huán)槽的優(yōu)化方案使標定功率機油燃油耗比從0.22%降至0.14%，得到了36.4%的改善，滿足工程目標0.2%的要求。

2.4 優(yōu)化結果

本輪試驗同時為活塞頭部間隙優(yōu)化和活塞第一道環(huán)槽的優(yōu)化相結合，來進一步滿足機油耗和性能要求，同時也為CA6DE3柴油機升級為國Ⅳ排放的機油耗開發(fā)提供了基礎和借鑒。最終優(yōu)化方案的試驗結果如圖6所示。

圖3 活塞頭部間隙優(yōu)化的機油耗試驗結果

圖4 活塞環(huán)和活塞環(huán)槽的密封和受力情況

3 結論

CA6DE3柴油機采用了濕式氣缸套，原機型通過缸套網(wǎng)紋的優(yōu)化等措施，試驗樣機在標定工況下的機油燃油比為0.25%。

在原機的基礎上，進一步通過優(yōu)化活塞環(huán)，標定功率機油燃油耗比降低到0.22%。在采用優(yōu)化活塞環(huán)的基礎上，通過活塞頭部間隙的優(yōu)化，標定功率機油燃油比達到0.07%，機油耗達到了非常理想的水平，但同時也導致了燃油消耗率和煙度指標的略有惡化。在優(yōu)化活塞環(huán)和保持原機活塞頭部間隙不變的條件下，對活塞第一道活塞環(huán)槽進行了優(yōu)化，標定功率機油燃油耗比達到0.14%，在滿足了國Ⅲ排放要求下，CA6DE3柴油機標定工況的機油燃油耗比達到了0.2%的開發(fā)要求。

Development of Low Oil Consumption of the CA6DE3 Engine

Wang Qihang1,Wu Caili2,Zhang Songtao2,Li Laiqun2,Han Zhuhao2
（1.Xi'an Cummins Engine Company,Xi'an 710200,China; 2.DEUTZ FAW Dalian Diesel Engine Company,Dalian 116022,China）

To development low oil consumption of electronically controlled CA6DE3 engine of ChinaⅠⅠⅠ,optimizations were made on piston rings,clearance between piston and liner,first piston ring groove and then test verifications were carried out accordingly.The results showed that the optimizations make the oil/fuel ratio at rated power as low as 0.07%,meeting the project target of 0.2%.

diesel engine,ChinaⅠⅠemission,oil consumption,optimizing test

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.006

來稿日期：2013-08-15

王啟航（1971-），男，工學碩士，主要研究方向為輕型車用柴油機整機開發(fā)。