CA4DC2-12E4柴油機的機油耗開發

王啟航，金喆，吳彩麗，張松濤，韓祖豪

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

CA4DC2-12E4柴油機的機油耗開發

王啟航1，金喆2，吳彩麗2，張松濤2，韓祖豪2

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

對于CA4DC2-12E4國Ⅳ排放柴油機的機油耗開發，它是通過控制缸孔變形，優化缸套網紋和改進活塞環的措施來實現。試驗結果表明：優化后的樣機標定功率機油燃油比為0.1%，滿足工程目標0.2%的要求。

柴油機國Ⅳ排放機油耗優化試驗

1 前言

柴油機與汽油機相比，CO和HC排放量要少得多，NOx排放量與汽油機在同一數量級，而PM排放量則是汽油機的30～80倍。因此，控制柴油機尾氣排放主要是降低PM和NOx的排放。

柴油機PM主要是在擴散燃燒過程中，富油區高溫缺氧環境下產生。PM主要由3種基本物質組成：（1）碳煙顆粒（Soot），它是聚集物的核心部分；（2）可溶有機成分（Soluble Organic Fraction，SOF），即被吸附和凝結在碳煙顆粒表面的HC化合物；（3）硫酸鹽顆粒，即硫酸鹽水合物[1]。

機油產生的SOF占SOF總質量的15%～80%，對PM顆粒有直接的影響。為了滿足越來越嚴格的排放法規，機油耗開發是整機開發的重要工作之一，越來越受到關注。

通常用標定功率下的機油燃油比、機油消耗率以及機油消耗量來評價發動機的機油消耗。排放法規對機油消耗指標提出的工程目標為：滿足國Ⅱ排放法規的標定功率機油消耗率應小于0.25 g/(kW· h)；滿足國Ⅲ和國Ⅳ排放法規的標定功率機油消耗率應小于0.15 g/(kW·h)[1,2]。

2 機油耗開發

2.1發動機配置

CA4DC2-12E4發動機為直噴增壓中冷電控共軌冷卻EGR的柴油機。該機是在CA4DC2-12E3國Ⅲ排放柴油機的基礎上開發的，燃油系統仍為BOSCH共軌系統，但噴射壓力從145 MPa提高至160 MPa，采用電控冷卻EGR和DOC+POC的后處理技術，以滿足國Ⅳ排放。柴油機的主要結構及技術參數如表1所示。機油消耗開發的工程目標為標定功率機油燃油比≤0.2%[3,4]。

2.2試驗方法

采用稱重法測量機油消耗。該方法為：加入新機油至機油尺的上限，起動柴油機后調整到試驗規定的工況，機油溫度穩定后停機；均勻轉動曲軸，在1 min以內順時針轉動曲軸一圈，再轉至第1缸上止點位置；放油稱重，放油時間為15 min；將機油倒回柴油機，再稱量未能倒凈的機油和容器，2次重量之差，即為加入的機油量；起動柴油機，迅速調整到規定的試驗工況，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；機油消耗等于試驗前加入的機油量減去試驗后放出的機油量。

試驗時間為：24 h

運行工況：88 kW/3200r/min。

表1 CA6DE3柴油機技術參數

3 降機油耗措施及試驗開發

對于CA4DC2-12E4柴油機，機油主要通過以下3個渠道竄入燃燒室燃燒：（1）活塞、活塞環和氣缸套組件，（2）氣門導管，（3）增壓器。

為了控制機油由導管油封經氣門流進燃燒室，氣門導管油封的結構起著重要的作用。同時，在允許的空氣濾清器阻力下，要保證增壓器不會出現機油泄漏的情況，特別是增壓器的壓氣機端。

對CA4DC2-12E4柴油機的機油耗開發，工作重點體現以下3個方面：控制缸孔變形、缸套網紋參數優化和活塞環優化。

3.1控制缸孔變形

理想狀態下，柴油機正常工作時，氣缸套和活塞環都應保持為圓柱形，特別是氣缸套應為精確的圓柱形。但在柴油機實際工作時，由于機械加工、氣缸蓋螺栓預緊力、高溫燃氣壓力、熱負荷等方面的綜合因素，氣缸套不能保持為精確的圓柱形，這會導致機油消耗量的增加。

CA4DC2-12E4柴油機的缸體為干式缸套的結構，采用如下措施來控制缸孔變形。

（1）采用加深缸蓋螺栓的方式。沿螺栓受力方向加強缸體結構強度，使螺栓力更好地傳遞到缸體的腰帶上，從而減輕缸孔的受力；同時盡可能避免缸體周邊的螺栓搭子連接到缸孔上。周邊的螺栓力對缸孔變形的影響顯著。

（2）缸體毛坯的時效方式。缸體時效的目的是減少內應力，以達到控制缸孔變形的目的。缸體時效方式通常有自然時效、窯爐時效和振動時效。自然時效所需的時間相對較長，窯爐時效所需的成本高，振動時效的處理時間最短。綜合比較，CA4DC2-12E4柴用機的缸體毛坯采用了振動時效。

（3）控制缸蓋螺栓力對缸孔變形的影響。在缸體機加工藝上，珩磨缸體底孔時增加了工藝缸蓋，擰緊螺栓后再進行缸孔的珩磨，這樣的工藝措施有效降低了缸蓋螺栓軸力對缸孔的影響，從而更好地控制缸孔變形。

（4）控制缸蓋螺栓軸向力不均引起的缸孔變形。由于缸蓋螺栓的摩擦系數大，與缸蓋的配合性能和潤滑性能的差別，導致安裝預擰緊力的離散范圍相對較大，引起缸蓋螺栓軸向力不均導致缸孔變形增大。CA4DC2-12E4柴油機缸蓋螺栓擰緊采用扭矩法，規范了缸蓋螺栓涂潤滑油的裝配工藝，來控制缸孔變形。

使用德國ⅠBP公司的氣缸套變形分析儀測得CA4DC2-12E4柴油機缸體在冷態裝配下的缸孔變形量。缸蓋螺栓改進前、后的缸孔變形測量結果如圖1所示。

圖1 缸蓋螺栓改進前后的缸孔變形測量結果

改進缸蓋螺栓后，有效地控制了缸孔變形。對機油耗影響的臺架對比試驗結果如圖2所示。

圖2 控制缸孔變形機油耗試驗結果

3.2缸套網紋參數的優化

CA4DC2-12E4柴油機在控制好缸孔變形后，進行了缸套網紋參數的優化。缸套網紋參數的定義如圖3所示，缸套絎磨網紋形式以Rk/Rvk值（作為承壓表面粗糙度與谷深的對比）來區分。該值小于1，則為平臺網紋，且該值越小平臺顯示程度越高；該值大于1.3，則為峰頂網紋，且該值越大，峰頂顯示程度越高。

CA4DC2-12E4柴油機的缸套網紋參數，原方案和優化方案如表2所示。

要使缸套表面機油消耗降低，可降低Ra和 Rpk，提高Mr1。但是缸套表面機油耗降低的同時，表面抗拉傷性和耐磨、減磨性也會相應地降低。對于CA4DC2-12E4柴油機，通過對珩磨工藝的試驗開發，對粗珩、精珩珩磨壓力和精珩珩磨時間進行了相應地調整，對粗珩珩磨條和精珩珩磨條參數進行了優化，由二次珩磨改為三次珩磨。網紋檢測結果如圖4所示。

圖3 網紋參數的定義

表2 缸套網紋參數的優化表

圖4 原方案和優化方案網紋

缸套網紋參數的優化臺架試驗結果如圖5所示，通過缸套網紋的優化，機油耗有32%的改善。

3.3活塞環優化

CA4DC2-12E4柴油機在完成了缸套網紋的優化后，進行活塞環的開發工作，其優化內容如下：

（1）第一道氣環采用梯形環。為了適應熱負荷的增加，采用CKS涂層，使得環的抗結焦能力好，竄油少，降低整個磨擦副磨損量，相應也降低了摩擦功。

（2）第二道氣環采用F14材料，反扭曲設計。作用是刮油效果好，竄油少，抗擦傷性好。

（3）油環采用了鋼質油環。為了維持與批產產品的繼承性和通用性，鋼質油環的高度保持不變為4 mm，刮油刃寬度由0.30 mm調整為0.25 mm，如圖6所示。活塞環特別是鋼質油環開發的臺架試驗結果如圖7所示。通過鋼質油環的開發工作，機油耗有47.4%的改善，標定功率機油燃油比達到了0.1%。

圖5 缸套網紋優化的機油耗試驗結果

圖6 改進鋼質油環刮油刃寬度

圖7 鋼質油環開發的機油耗試驗結果

3.4降低機油耗效果對比

通過控制缸孔變形，缸套網紋參數的優化，活塞環特別是鋼質油環的開發，使CA4DC2-12E4國Ⅳ柴油機標定功率機油燃油比從原機的0.3%減低到0.1%，滿足工程目標0.2%的要求。其中控制缸孔變形和優化缸套網紋對機油消耗的貢獻率為56.25%，活塞環特別是鋼質油環的開發對機油耗的貢獻率為43.75%，如圖8所示。

Oil Consumption Development on CA4DC2-12E4 Engine

Wang Qihang1,Jin Zhe2,Wu Caili2,Zhang Songtao2,Han Zhuhao2
（1.Xi'an Cummins Engine Company,Xi'an 710200,China; 2.DEUTZ FAW Dalian Diesel Engine Company,Dalian 116022,China）

To development ChinaⅠⅤcompliant diesel engine of CA4DC2-12E4,measures were taken of controlling cylinder bore distortion,optimizing cylinder liner crosshatch parameters and developing piston oil ring,and then relevant tests were made to verify the effect of the measures.The results show that the oil/fuel at rated power is 0.1%,much lower than the project target of 0.2%.

diesel engine,ChinaⅠⅤemission,oil consumption,optimization test

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.04.001

來稿日期：2014-03-30

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。