某柴油機活塞漏氣量的分析與優化

張虎，孫科，關瑩（1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

某柴油機活塞漏氣量的分析與優化

張虎，孫科，關瑩
（1.長城汽車股份有限公司技術中心，河北保定071000；2.河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000）

針對某柴油發動機臺架試驗過程中出現的活塞漏氣量大問題，排查出是由于兩級增壓器漏氣和第二道氣環開口間隙偏大引起。通過仿真方法對第二道氣環開口間隙進行分析，計算結果與測試結果基本一致。重新確定開口間隙范圍，降低了活塞漏氣量。

兩級增壓器 活塞漏氣量 開口間隙 AVLEXCITE PR

1　前言

發動機工作時，高溫高壓氣體從密閉氣缸經由活塞環的側隙、開口間隙流向曲軸箱，這一路徑稱為活塞漏氣量通道。發動機實際工作過程中，漏氣量主要經由漏氣量通道進入曲軸箱，其量約占漏氣量總值的95%以上，其余則主要來源于：（1）從氣門桿與氣門導管間的間隙流入曲軸箱的氣體，；（2）進入增壓器軸承及密封環間隙經回油管進入曲軸箱的氣體；（3）空氣壓縮機的漏氣經由空壓機機油回至油底殼的氣體［1］。

當密封不良漏氣量超過許用限值時，會造成一系列的不良后果，如發動機功率下降、油耗增加、運轉不平穩、起動困難，缸壁與活塞環之間的油膜被破壞，氣缸與活塞環之間產生異常磨損，機油老化變質，機油消耗量增加，活塞承受附加的加熱，可能會膨脹卡死等［2］。因此對漏氣量進行分析對發動機的設計具有重要意義。

2　現象描述和初步分析

我公司新開發了一款3.0 L直列六缸、四沖程柴油機，采用了雙頂置中空凸輪軸、兩級渦輪增壓、可變渦流比、廢氣再循環、液壓挺柱、滾子搖臂、高壓共軌等多項先進技術，可滿足歐V及以上排放法規要求，以低油耗、低排放、高性能為開發目標，滿足國內和歐盟市場對高性能動力的需求。在臺架試驗過程中，發現活塞漏氣量偏大，為120 L/min，已超過設計要求。

根據如圖1所示的魚骨刺圖，分別查找問題和原因：（1）檢測試驗方法和臺架監測數據，無異常；（2）檢查缸體、活塞、活塞環的樣件數據，無異常；（3）檢查缸體、活塞環的設計：經與我司其余幾款柴油機和寶馬N47的活塞環數據，發現第二道氣環開口間隙偏大，可能會導致漏氣量偏大；（4）檢查兩級增壓器，由于缺少測試增壓器漏氣量設備，無法確定增壓器是否漏氣。

圖1　問題排查魚骨刺圖

經過問題排查，將原因集中于兩方面：（1）第二道氣環開口間隙偏大；（2）測量增壓器是否存在漏氣現象，并針對上述這兩個方面進行驗證。

3　增壓器漏氣量測試

為測試兩級增壓器工作狀態下的漏氣量，自制了一個增壓器漏氣量的測試裝置，如圖2所示。測試裝置在發動機上的位置如圖3所示，出氣口連接活塞漏氣量儀。注意：測試裝置的最低端要高于機油液面，回油管管路連接至機油液面以下，避免增壓器漏氣至曲軸箱中。

圖2　增壓器漏氣量測量裝置

圖3　增壓器漏氣量測試方法

臺架測試時，首先按照正常方法進行活塞漏氣量測試。測試完成后，更換增壓器漏氣量測試裝置，重新測量活塞漏氣量，兩次測量結果如圖4所示。

圖4　活塞漏氣量測量結果對比

從圖4可知，增壓器確實存在漏氣現象，且隨轉速升高，漏氣量逐漸增多，漏氣量值在4 000 r/min時達到30 L/min以上。將此問題反饋至增壓器供應商，要求控制中間體及渦端的壓差，并增加機油密封測試試驗，以減少竄漏的風險。經后期溝通，供應商在增壓器總成出廠前，將對全部增壓器總成進行密封測試。

4　活塞環開口間隙過大驗證

AVL EXCITE PR是發動機活塞摩擦副設計專用的多體動力學軟件，在活塞動力學、沖擊振動噪聲、活塞環組設計、活塞/環/缸套摩擦、壓力平衡和竄氣、潤滑油消耗、設計參數的趨勢分析等方面發揮著重要作用。現使用PR建立該柴油機活塞環組模型，對活塞漏氣量進行計算，重點分析環開口間隙對漏氣量的影響。

4.1仿真模型的校正

為了使仿真結果更接近試驗結果，就要保證仿真模型與試驗模型的一致性，為此在柴油機臺架上測量了標定工況的相關參數，圖5為缸內壓力曲線，仿真模型如圖6所示。在本模型中，缸套輪廓為冷態輪廓與熱-機械載荷耦合下仿真結果的耦合，缸套溫度為氣固溫度場耦合計算結果，活塞環的溫度來源于供應商經驗數據，活塞環的型線來源于設計圖紙，如圖7所示。

圖5　標定工況下的氣缸壓力曲線

圖6　活塞環組及氣缸套仿真模型

圖紙中要求第二道氣環的開口間隙平均值為0.75mm。利用上述模型進行計算，計算結果如圖8所示。仿真結果與試驗結果的誤差為6.6%，在± 10%以內，認為該模型可信，并用于下一步工作。

4.2更改開口間隙

為驗證第二道氣環開口間隙對活塞漏氣量的影響，將開口間隙分別設置為0.6～0.8mm，共5種開口間隙，進行模擬計算，最終結果見圖9。

圖7　缸套、活塞環模型

圖8　活塞漏氣量

圖9　第二道氣環開口間隙對活塞漏氣量的影響

從圖中計算結果可知，第二道氣環的開口間隙變化，對活塞漏氣量影響很大。

為避免出現頂口故障，將圖紙中要求的間隙減小0.05mm，并聯系供應商進行樣件制作，后期將進行臺架驗證。

5　總結

根據影響活塞漏氣量的主要因素，依據增壓器漏氣量試驗、活塞漏氣量仿真分析等方法排查出增壓器漏氣、第二道氣環開口間隙偏大為導致漏氣量超標的主要原因，并制定出相應的整改措施，以降低活塞漏氣量。

［1］周玉，戴松高.柴油機活塞漏氣量分析及其限值的確定［J］.內燃機，2000（2）：76-79.

［2］蘇穎穎，王伯年.發動機環組漏氣分析［J］.上海理工大學學報，1998（4）.

Analysisand OptimizingofPiston Blowby ofDieselEngine

Zhang Hu，Sun Ke，Guan Ying
（1.TechnicalCenter，GreatWallMotorCompany Limited，Baoding071000，China；2.HebeiAutomobile Engineering Technology＆Research Center，Baoding071000，China）

Found piston blowb y large in a diesel engine Rig-test process.Found out 2-stage turbocharger blowby and second piston ring end gap oversize.By simulation method anlysis the second piston ringend gap，anlysis resultaccord with test result.Redetermineend gap range，reduce piston blowby.

2-stage turbocharger，piston blowby，end gap，AVLEXCITE PR

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.02.006

來稿日期：2015-05-19

張虎（1986-），男，助理工程師，主要研究方向為曲軸系多體動力學。