王啟航，金喆，吳彩麗，張松濤，韓祖豪

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

CA4DC2-12E4柴油機(jī)的機(jī)油耗開發(fā)

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(fā)動(dòng)機(jī)有限公司，西安710200；2.道依茨一汽大連柴油機(jī)有限公司，大連116022）

對于CA4DC2-12E4國Ⅳ排放柴油機(jī)的機(jī)油耗開發(fā)，它是通過控制缸孔變形，優(yōu)化缸套網(wǎng)紋和改進(jìn)活塞環(huán)的措施來實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化后的樣機(jī)標(biāo)定功率機(jī)油燃油比為0.1%，滿足工程目標(biāo)0.2%的要求。

柴油機(jī)國Ⅳ排放機(jī)油耗優(yōu)化試驗(yàn)

1 前言

柴油機(jī)與汽油機(jī)相比，CO和HC排放量要少得多，NOx排放量與汽油機(jī)在同一數(shù)量級，而PM排放量則是汽油機(jī)的30～80倍。因此，控制柴油機(jī)尾氣排放主要是降低PM和NOx的排放。

柴油機(jī)PM主要是在擴(kuò)散燃燒過程中，富油區(qū)高溫缺氧環(huán)境下產(chǎn)生。PM主要由3種基本物質(zhì)組成：（1）碳煙顆粒（Soot），它是聚集物的核心部分；（2）可溶有機(jī)成分（Soluble Organic Fraction，SOF），即被吸附和凝結(jié)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(jī)油產(chǎn)生的SOF占SOF總質(zhì)量的15%～80%，對PM顆粒有直接的影響。為了滿足越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)，機(jī)油耗開發(fā)是整機(jī)開發(fā)的重要工作之一，越來越受到關(guān)注。

通常用標(biāo)定功率下的機(jī)油燃油比、機(jī)油消耗率以及機(jī)油消耗量來評價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗。排放法規(guī)對機(jī)油消耗指標(biāo)提出的工程目標(biāo)為：滿足國Ⅱ排放法規(guī)的標(biāo)定功率機(jī)油消耗率應(yīng)小于0.25 g/(kW· h)；滿足國Ⅲ和國Ⅳ排放法規(guī)的標(biāo)定功率機(jī)油消耗率應(yīng)小于0.15 g/(kW·h)[1,2]。

2 機(jī)油耗開發(fā)

2.1發(fā)動(dòng)機(jī)配置

CA4DC2-12E4發(fā)動(dòng)機(jī)為直噴增壓中冷電控共軌冷卻EGR的柴油機(jī)。該機(jī)是在CA4DC2-12E3國Ⅲ排放柴油機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)的，燃油系統(tǒng)仍為BOSCH共軌系統(tǒng)，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(shù)，以滿足國Ⅳ排放。柴油機(jī)的主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)如表1所示。機(jī)油消耗開發(fā)的工程目標(biāo)為標(biāo)定功率機(jī)油燃油比≤0.2%[3,4]。

2.2試驗(yàn)方法

采用稱重法測量機(jī)油消耗。該方法為：加入新機(jī)油至機(jī)油尺的上限，起動(dòng)柴油機(jī)后調(diào)整到試驗(yàn)規(guī)定的工況，機(jī)油溫度穩(wěn)定后停機(jī)；均勻轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，在1 min以內(nèi)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸一圈，再轉(zhuǎn)至第1缸上止點(diǎn)位置；放油稱重，放油時(shí)間為15 min；將機(jī)油倒回柴油機(jī)，再稱量未能倒凈的機(jī)油和容器，2次重量之差，即為加入的機(jī)油量；起動(dòng)柴油機(jī)，迅速調(diào)整到規(guī)定的試驗(yàn)工況，開始試驗(yàn)；試驗(yàn)后，按試驗(yàn)前的方法放油稱重，稱得試驗(yàn)后的機(jī)油量；機(jī)油消耗等于試驗(yàn)前加入的機(jī)油量減去試驗(yàn)后放出的機(jī)油量。

試驗(yàn)時(shí)間為：24 h

運(yùn)行工況：88 kW/3200r/min。

表1 CA6DE3柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)

3 降機(jī)油耗措施及試驗(yàn)開發(fā)

對于CA4DC2-12E4柴油機(jī)，機(jī)油主要通過以下3個(gè)渠道竄入燃燒室燃燒：（1）活塞、活塞環(huán)和氣缸套組件，（2）氣門導(dǎo)管，（3）增壓器。

為了控制機(jī)油由導(dǎo)管油封經(jīng)氣門流進(jìn)燃燒室，氣門導(dǎo)管油封的結(jié)構(gòu)起著重要的作用。同時(shí)，在允許的空氣濾清器阻力下，要保證增壓器不會出現(xiàn)機(jī)油泄漏的情況，特別是增壓器的壓氣機(jī)端。

對CA4DC2-12E4柴油機(jī)的機(jī)油耗開發(fā)，工作重點(diǎn)體現(xiàn)以下3個(gè)方面：控制缸孔變形、缸套網(wǎng)紋參數(shù)優(yōu)化和活塞環(huán)優(yōu)化。

3.1控制缸孔變形

理想狀態(tài)下，柴油機(jī)正常工作時(shí)，氣缸套和活塞環(huán)都應(yīng)保持為圓柱形，特別是氣缸套應(yīng)為精確的圓柱形。但在柴油機(jī)實(shí)際工作時(shí)，由于機(jī)械加工、氣缸蓋螺栓預(yù)緊力、高溫燃?xì)鈮毫?、熱?fù)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(dǎo)致機(jī)油消耗量的增加。

CA4DC2-12E4柴油機(jī)的缸體為干式缸套的結(jié)構(gòu)，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(qiáng)缸體結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shí)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(shí)效方式。缸體時(shí)效的目的是減少內(nèi)應(yīng)力，以達(dá)到控制缸孔變形的目的。缸體時(shí)效方式通常有自然時(shí)效、窯爐時(shí)效和振動(dòng)時(shí)效。自然時(shí)效所需的時(shí)間相對較長，窯爐時(shí)效所需的成本高，振動(dòng)時(shí)效的處理時(shí)間最短。綜合比較，CA4DC2-12E4柴用機(jī)的缸體毛坯采用了振動(dòng)時(shí)效。

（3）控制缸蓋螺栓力對缸孔變形的影響。在缸體機(jī)加工藝上，珩磨缸體底孔時(shí)增加了工藝缸蓋，擰緊螺栓后再進(jìn)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(shù)大，與缸蓋的配合性能和潤滑性能的差別，導(dǎo)致安裝預(yù)擰緊力的離散范圍相對較大，引起缸蓋螺栓軸向力不均導(dǎo)致缸孔變形增大。CA4DC2-12E4柴油機(jī)缸蓋螺栓擰緊采用扭矩法，規(guī)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(jī)缸體在冷態(tài)裝配下的缸孔變形量。缸蓋螺栓改進(jìn)前、后的缸孔變形測量結(jié)果如圖1所示。

圖1 缸蓋螺栓改進(jìn)前后的缸孔變形測量結(jié)果

改進(jìn)缸蓋螺栓后，有效地控制了缸孔變形。對機(jī)油耗影響的臺架對比試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 控制缸孔變形機(jī)油耗試驗(yàn)結(jié)果

3.2缸套網(wǎng)紋參數(shù)的優(yōu)化

CA4DC2-12E4柴油機(jī)在控制好缸孔變形后，進(jìn)行了缸套網(wǎng)紋參數(shù)的優(yōu)化。缸套網(wǎng)紋參數(shù)的定義如圖3所示，缸套絎磨網(wǎng)紋形式以Rk/Rvk值（作為承壓表面粗糙度與谷深的對比）來區(qū)分。該值小于1，則為平臺網(wǎng)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(wǎng)紋，且該值越大，峰頂顯示程度越高。

CA4DC2-12E4柴油機(jī)的缸套網(wǎng)紋參數(shù)，原方案和優(yōu)化方案如表2所示。

要使缸套表面機(jī)油消耗降低，可降低Ra和 Rpk，提高M(jìn)r1。但是缸套表面機(jī)油耗降低的同時(shí)，表面抗拉傷性和耐磨、減磨性也會相應(yīng)地降低。對于CA4DC2-12E4柴油機(jī)，通過對珩磨工藝的試驗(yàn)開發(fā)，對粗珩、精珩珩磨壓力和精珩珩磨時(shí)間進(jìn)行了相應(yīng)地調(diào)整，對粗珩珩磨條和精珩珩磨條參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，由二次珩磨改為三次珩磨。網(wǎng)紋檢測結(jié)果如圖4所示。

圖3 網(wǎng)紋參數(shù)的定義

表2 缸套網(wǎng)紋參數(shù)的優(yōu)化表

圖4 原方案和優(yōu)化方案網(wǎng)紋

缸套網(wǎng)紋參數(shù)的優(yōu)化臺架試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，通過缸套網(wǎng)紋的優(yōu)化，機(jī)油耗有32%的改善。

3.3活塞環(huán)優(yōu)化

CA4DC2-12E4柴油機(jī)在完成了缸套網(wǎng)紋的優(yōu)化后，進(jìn)行活塞環(huán)的開發(fā)工作，其優(yōu)化內(nèi)容如下：

（1）第一道氣環(huán)采用梯形環(huán)。為了適應(yīng)熱負(fù)荷的增加，采用CKS涂層，使得環(huán)的抗結(jié)焦能力好，竄油少，降低整個(gè)磨擦副磨損量，相應(yīng)也降低了摩擦功。

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

（3）油環(huán)采用了鋼質(zhì)油環(huán)。為了維持與批產(chǎn)產(chǎn)品的繼承性和通用性，鋼質(zhì)油環(huán)的高度保持不變?yōu)? mm，刮油刃寬度由0.30 mm調(diào)整為0.25 mm，如圖6所示。活塞環(huán)特別是鋼質(zhì)油環(huán)開發(fā)的臺架試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。通過鋼質(zhì)油環(huán)的開發(fā)工作，機(jī)油耗有47.4%的改善，標(biāo)定功率機(jī)油燃油比達(dá)到了0.1%。

圖5 缸套網(wǎng)紋優(yōu)化的機(jī)油耗試驗(yàn)結(jié)果

圖6 改進(jìn)鋼質(zhì)油環(huán)刮油刃寬度

圖7 鋼質(zhì)油環(huán)開發(fā)的機(jī)油耗試驗(yàn)結(jié)果

3.4降低機(jī)油耗效果對比

通過控制缸孔變形，缸套網(wǎng)紋參數(shù)的優(yōu)化，活塞環(huán)特別是鋼質(zhì)油環(huán)的開發(fā)，使CA4DC2-12E4國Ⅳ柴油機(jī)標(biāo)定功率機(jī)油燃油比從原機(jī)的0.3%減低到0.1%，滿足工程目標(biāo)0.2%的要求。其中控制缸孔變形和優(yōu)化缸套網(wǎng)紋對機(jī)油消耗的貢獻(xiàn)率為56.25%，活塞環(huán)特別是鋼質(zhì)油環(huán)的開發(fā)對機(jī)油耗的貢獻(xiàn)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(xué)碩士，主要研究方向?yàn)檩p型車用柴油機(jī)整機(jī)開發(fā)。