重型柴油機(jī)機(jī)械損失分解測(cè)試和優(yōu)化研究

陳雷

(上海柴油機(jī)股份有限公司，上海 200438)

0 引言

柴油機(jī)由于扭矩大、動(dòng)力性強(qiáng)，且熱效率高，在重型車(chē)和工業(yè)動(dòng)力領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著排放法規(guī)和節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級(jí)，柴油機(jī)也需要不斷提高熱效率以降低CO2排放。對(duì)柴油機(jī)來(lái)說(shuō)，燃料燃燒的能量有相當(dāng)大一部分被運(yùn)動(dòng)件摩擦損失、泵氣損失和附件功所消耗，從而導(dǎo)致柴油機(jī)的有效功率顯著小于指示熱效率。這3項(xiàng)耗功損失被稱(chēng)為機(jī)械損失。

提高機(jī)械效率以減小機(jī)械損失是優(yōu)化提升柴油機(jī)熱效率的重要途徑之一。為了降低柴油機(jī)的機(jī)械損失，國(guó)外研究機(jī)構(gòu)在整機(jī)機(jī)械損失測(cè)試和計(jì)算方法、摩擦損失影響因素以及對(duì)柴油機(jī)性能影響等方面相繼開(kāi)展了大量的研究并有了較多的數(shù)據(jù)積累。如Victor W. WONG等人對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各子系統(tǒng)的摩擦力和耗功作了深入分析[1]。如Ricardo公司基于其數(shù)據(jù)庫(kù)推出FAST摩擦功模擬分析軟件，能夠?qū)Σ煌Y(jié)構(gòu)和材料參數(shù)的零部件設(shè)計(jì)進(jìn)行機(jī)械損失功預(yù)測(cè)。但已有的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)與具體的某款柴油機(jī)仍存在較大差異，體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)參數(shù)各異、附件功耗各異、配氣系統(tǒng)和增壓器等均不同，從而機(jī)械損失的構(gòu)成及其比例各不相同。為此，本文針對(duì)一款13L車(chē)用增壓柴油機(jī)，開(kāi)展各種狀態(tài)下的整機(jī)機(jī)械損失試驗(yàn)和分解機(jī)械損失試驗(yàn)，對(duì)機(jī)械損失的變化規(guī)律、主要影響因素進(jìn)行了分析，揭示各子系統(tǒng)機(jī)械損失所占比例及其影響因素，為提高重型柴油機(jī)的機(jī)械效率提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象和方法

本研究的試驗(yàn)對(duì)象為某排量為12.8 L車(chē)用直列六缸、增壓中冷、高壓共軌的重型柴油機(jī)，其主要結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 柴油機(jī)主要性能參數(shù)

試驗(yàn)室為電力測(cè)功機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，主要測(cè)試儀器和設(shè)備見(jiàn)表2。

表2 主要的測(cè)試儀器和設(shè)備

在電力測(cè)功機(jī)條件下，倒拖法是一種簡(jiǎn)便可行的柴油機(jī)機(jī)械損失測(cè)試方法，并且在冷卻水溫度和機(jī)油溫度保持不變的條件下，測(cè)試精度較高[2]。因此，本研究采用倒拖法對(duì)該增壓直噴柴油機(jī)的機(jī)械損失進(jìn)行測(cè)試。首先進(jìn)行整機(jī)機(jī)械損失試驗(yàn)，分別研究帶增壓器與不帶增壓器、節(jié)氣門(mén)開(kāi)啟與關(guān)閉等條件下整機(jī)的機(jī)械損失水平及泵氣損失差異。

整機(jī)機(jī)械損失試驗(yàn)的方法及流程如下：

1) 拆掉柴油機(jī)空濾器和增壓器渦輪機(jī)出口后所有管路，節(jié)氣門(mén)全開(kāi)；

2) 機(jī)油溫度控制在100℃±0.5℃，冷卻水90℃±0.5℃；柴油機(jī)轉(zhuǎn)速由500 r/min至1 900 r/min，間隔100 r/min采集數(shù)據(jù)；

3) 切斷油路，使管路中剩余的燃料耗盡；

4) 切斷噴油和點(diǎn)火線路，用電力測(cè)功機(jī)拖動(dòng)柴油機(jī)；

5) 測(cè)量柴油機(jī)機(jī)械損失扭矩。

分解機(jī)械損失試驗(yàn)按表3所示流程進(jìn)行。

表3 分解機(jī)械損失試驗(yàn)流程

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 整機(jī)機(jī)械損失試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1所示為柴油機(jī)的整機(jī)倒拖功率換算為平均機(jī)械損失壓力FMEP的結(jié)果。從圖1可知，整機(jī)平均機(jī)械損失壓力FMEP隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加而增加，在1 000 r/min以上加速上升，在轉(zhuǎn)速為1 900 r/min 時(shí)，柴油機(jī)整機(jī)平均機(jī)械損失壓力FMEP為0.259 MPa。

圖1 平均機(jī)械損失壓力FMEP

2.2 柴油機(jī)分解機(jī)械損失試驗(yàn)結(jié)果及分析

柴油機(jī)整機(jī)機(jī)械損失試驗(yàn)結(jié)果包含了各種條件下泵氣損失對(duì)整機(jī)機(jī)械損失的影響。為了分解出泵氣損失、附件功耗等損失，進(jìn)一步分析柴油機(jī)各子系統(tǒng)的機(jī)械損失及其所占整機(jī)機(jī)械損失的比例，開(kāi)展了分解機(jī)械損失試驗(yàn)。

圖2所示為柴油機(jī)各子系統(tǒng)平均機(jī)械損失壓力隨轉(zhuǎn)速的變化，其累積之和近似為柴油機(jī)整機(jī)的機(jī)械損失(包含泵氣損失)。

圖2 柴油機(jī)各子系統(tǒng)平均機(jī)械損失壓力與轉(zhuǎn)速關(guān)系

由圖2可知，該增壓柴油機(jī)的機(jī)械損失壓力與轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)近似線性關(guān)系，但不同子系統(tǒng)差異較大。空壓泵、水泵、機(jī)油泵這3個(gè)附件功耗的平均有效壓力隨著轉(zhuǎn)速上升呈現(xiàn)線性上升趨勢(shì)；噴油泵功耗的平均有效壓力在各轉(zhuǎn)速下較為穩(wěn)定；齒輪系的機(jī)械損失較小，部分轉(zhuǎn)速下無(wú)法測(cè)出損失；泵氣損失隨轉(zhuǎn)速上升而明顯上升；配氣機(jī)構(gòu)的功耗損失隨著轉(zhuǎn)速上升而上升；活塞連桿系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)速上升而明顯上升，這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速增加，活塞平均速度上升導(dǎo)致機(jī)械損失急劇增加。

因泵氣損失占比較大，為進(jìn)一步分析除泵氣損失以外的各子系統(tǒng)功耗和機(jī)械損失情況，剔除泵氣損失后的分析如圖3所示。

圖3 剔除泵氣損失后的平均機(jī)械損失壓力與轉(zhuǎn)速關(guān)系

由圖3可知，在低轉(zhuǎn)速工況下，噴油泵、配氣機(jī)構(gòu)和活塞連桿系統(tǒng)的功耗及摩擦損失占比較大；在高轉(zhuǎn)速工況下，活塞連桿系統(tǒng)、配氣機(jī)構(gòu)、水泵、噴油泵的功耗及摩擦損失占比較大。降低機(jī)械損失的措施從這些系統(tǒng)中著手考慮和實(shí)施。圖4所示為剔除泵氣損失后全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的柴油機(jī)各子系統(tǒng)機(jī)械損失占總機(jī)械摩擦損失的百分比。由圖4 可知，空壓泵、機(jī)油泵和配氣機(jī)構(gòu)的機(jī)械損失所占百分比在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化很?。浑S著轉(zhuǎn)速增加，高壓油泵功耗損失所占百分比逐漸減小，而活塞連桿系統(tǒng)、水泵功耗損失所占百分比卻逐漸增加，二者近似呈互補(bǔ)關(guān)系；在800 r/min 時(shí)，各種附件損失百分比為57%左右，活塞連桿系統(tǒng)的損失占比13%左右；在1 800 r/min 時(shí)，活塞連桿系統(tǒng)損失百分比增加到18%，水泵的功耗大幅增加至約14%。系統(tǒng)的優(yōu)化基于此分解測(cè)試結(jié)果而展開(kāi)。

圖4 除泵氣損失外全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)柴油機(jī)各子系統(tǒng)機(jī)械損失占比

3 降低機(jī)械損失的系統(tǒng)優(yōu)化

3.1 系統(tǒng)優(yōu)化措施

根據(jù)機(jī)械損失分解測(cè)試結(jié)果，確定了降低機(jī)械損失的系統(tǒng)優(yōu)化方向。從降低各種附件功耗及活塞連桿系統(tǒng)機(jī)械損失等方面進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 降低水泵功耗

目前行業(yè)內(nèi)可以使用電磁離合式水泵，該水泵可在中高轉(zhuǎn)速且部分負(fù)荷工況下，通過(guò)電磁離合器調(diào)節(jié)，降低水泵工作轉(zhuǎn)速，從而在這部分工況下起到降低水泵功耗的作用[3]。

3.3 降低機(jī)油泵功耗

行業(yè)內(nèi)目前主要采用可變排量機(jī)油泵，該機(jī)油泵可在高轉(zhuǎn)速時(shí)的部分負(fù)荷工況下，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)減少機(jī)油泵的排量，從而在高轉(zhuǎn)速部分負(fù)荷工況下起到降低機(jī)油泵功耗的作用[4]。

3.4 降低空壓泵功耗

行業(yè)內(nèi)目前可采用離合式空壓泵來(lái)降低空壓泵功耗。該空壓泵能夠在空壓泵不需打氣工作時(shí)分離離合器分離，使空壓泵的曲柄連桿活塞機(jī)構(gòu)完全停止工作，從而起到顯著降低綜合使用功耗的效果。

3.5 降低活塞連桿系統(tǒng)機(jī)械損失

進(jìn)行了陶鋁活塞和活塞裙部MoS2減摩擦處理的活塞與標(biāo)準(zhǔn)活塞環(huán)和降低彈力的活塞環(huán)的組合測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表4。其中標(biāo)準(zhǔn)活塞與標(biāo)準(zhǔn)活塞環(huán)是批產(chǎn)用產(chǎn)品；陶鋁活塞是應(yīng)用新材料技術(shù)制作的新型活塞，在高溫強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)上都達(dá)到鋁活塞的最高水平[5]；活塞裙部MoS2減摩處理技術(shù)是為了降低活塞裙部與缸套的摩擦系數(shù)；低彈力活塞環(huán)主要是降低總張力，從而降低活塞環(huán)的摩擦力。

表4 降低活塞連桿系統(tǒng)機(jī)械損失優(yōu)化測(cè)試試驗(yàn)

將5組組合數(shù)據(jù)處理后得到如圖5所示的降低機(jī)械損失的效果圖。由圖5可知，在該重型柴油機(jī)上，應(yīng)用低彈力活塞環(huán)來(lái)降低機(jī)械損失的效果較好，F(xiàn)MEP降低0.002～0.005 MPa.

圖5 降低機(jī)械損失的效果

3.6 降低機(jī)油粘度

進(jìn)行不同機(jī)油粘度的機(jī)械損失扭矩對(duì)比試驗(yàn)，研究機(jī)油粘度對(duì)降低機(jī)械損失的貢獻(xiàn)。使用CJ級(jí)5W30機(jī)油與CJ級(jí)15W40機(jī)油在同一臺(tái)其余硬件不變的柴油機(jī)上進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)比整機(jī)機(jī)械損失扭矩下降幅度如圖6所示。由圖6可知，降低機(jī)油粘度對(duì)降低機(jī)械損失的貢獻(xiàn)為0.094 ～1.114 N·m，降低幅度相對(duì)較小。

圖6 5W30與15W40機(jī)油的整體摩擦扭矩對(duì)比

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某重型柴油機(jī)開(kāi)展整機(jī)機(jī)械損失試驗(yàn)和分解機(jī)械損失試驗(yàn)，得出了該重型柴油機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)整機(jī)機(jī)械損失和各子系統(tǒng)機(jī)械損失的變化規(guī)律，為提高重型柴油機(jī)的機(jī)械效率提供了數(shù)據(jù)支撐。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論如下：

(1)該柴油機(jī)整機(jī)平均機(jī)械損失壓力FMEP隨柴油機(jī)轉(zhuǎn)速增加而增加, 在1 000 r/min以上加速上升，在轉(zhuǎn)速為1 900 r/min 時(shí)，柴油機(jī)整機(jī)平均機(jī)械損失壓力FMEP為0.259 MPa；

(2)空壓泵、機(jī)油泵和配氣機(jī)構(gòu)的機(jī)械損失所占百分比在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化很?。浑S著轉(zhuǎn)速增加，高壓油泵功耗損失所占百分比逐漸減小，而活塞連桿系統(tǒng)、水泵功耗損失所占百分比逐漸增加；在800 r/min時(shí)，各種附件損失百分比為57%左右，活塞連桿系統(tǒng)的損失占比13%左右；在1 800 r/min 時(shí)，活塞連桿系統(tǒng)損失百分比增加到18%，水泵的功耗大幅增加至約14%；

(3)通過(guò)應(yīng)用低彈力活塞環(huán)、低粘度機(jī)油等技術(shù)，可以降低機(jī)械損失。其中應(yīng)用低彈力活塞環(huán)的機(jī)械損失降低0.002～0.005 MPa，應(yīng)用5W30低粘度機(jī)油的機(jī)械損失降低0.094～1.114 N·m。