进气湿度对内燃机油清净性评定的影响

2012-09-28蔡秋涛马洪亮

润滑油 2012年5期

关键词：工质台架燃烧室

蔡秋涛，马洪亮

(中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁大连116032)

进气湿度对内燃机油清净性评定的影响

蔡秋涛，马洪亮

(中国石油大连润滑油研究开发中心，辽宁大连116032)

为了研究发动机进气湿度对清净性评定的影响，模拟了不同进气湿度对试验工况产生的影响。试验在标准的内燃机油清净性评定台架上进行，进气湿度由专门的湿度控制系统精确控制，选取不同的进气湿度点进行试验。试验结果表明:在其他参数恒定控制的条件下，随着进气湿度的变化，油耗和排温也随着有明显的变化，因此导致燃烧室内工质燃烧温度和压力的变化，这就必然影响到活塞表面沉积物的形成和沉积。通过这些有规律的变化可以得出这样的结论，不同的进气湿度对活塞的清净性会产生影响。

润滑油;清净性台架;柴油机;进气湿度;控制系统

Abstract:In order to study the effect of engine intake air humidity on detergency evaluation，different intake air humidities were simulated to test its influence on working conditions.The test was performed on the standard detergency evaluation test bench of internal combustion engine oil.The intake air humidity was controlled precisely by special humidity control system and different intake air humidity spots were selected for this test.The test results showed that，when other parameters are constant，along with the change of intake air humidity，fuel consumption and exhaust temperature change apparently，so the temperature and pressure of burning propellant change in combustion chamber，which will inevitably affect the formation and deposition of sediment on piston surface.Through these regular changes，it can be concluded that different engine intake air humidities will have an impact on piston detergency.

Key words:lubricant;detergency evaluation test bench;diesel engine;intake air humidity;control system

0 引言

台架试验是润滑油最重要的评定手段，进气湿度对内燃机油清净性评定的影响在国外已经有人进行了研究，由于我国内燃机油规格直接采用API标准，所以国内在这一方面的认识还不多。在API标准中，凡是清净性台架都有严格的进气湿度要求，在建立我国自己的清净性台架标准或OEM台架标准时应注重进气湿度这一工况参数并加以精确控制。

试验证明，进气湿度变化对发动机运行工况存在一定的影响，由于燃烧室温度和压力的变化，必然影响工质在燃烧过程中生成物和沉积物的形成性质和数量。如果燃油的含硫量较高，不同的进气湿度对燃烧室的腐蚀程度也不相同。如果不加以精确稳定控制，就会对润滑油性能指标的一致性评定造成影响，对内燃机油研究设计，产品质量控制等均带来了一定困难。因此，在制订我国自己的内燃机油清净性评定台架标准时应对进气湿度严格控制。为了研究不同进气湿度对发动机性能的影响，在Caterpillar 1M－PC台架上，分别设定不同的进气湿度工况，以研究不同的进气湿度对发动机性能的影响。

台架使用独立的湿度控制系统，经计算机闭环控制。试验中选取不同的进气湿度点来考察对试验工况的影响和活塞顶部沉积物生成条件的改变。也为今后我国自行建立润滑油规格，建立自己的专用润滑油评定台架和OEM台架试验方法，提供和积累基础数据。

1 清净性台架与进气湿度控制

1.1 试验台架

由于我国内燃机油等效采用美国API规格，针对不同规格的柴油机油也相应地引进API清净性评定台架，如:API Caterpillar 1M－PC、1K、1N、1P、1R等台架。试验结果是对活塞环组沉积物数量和性质进行评价，主要是对活塞及活塞环槽沉积物，环黏结等进行评价。不同台架控制参数也各不相同。试验在特定的转速、功率、油耗、温度、压力等条件下运转。为保证试验精度，主要试验条件都有专门的辅助控制系统经计算机进行闭环控制。

1.2 进气湿度控制

为了实现对进气湿度准确控制，在标准规定的范围内台架专门附加一套进气湿度控制系统。本文引用与API标准相同的含湿量概念来表达进气湿度，即:每公斤干空气所含有水蒸汽量(g/kg)称为含湿量。已知的API清净性台架进气湿度均控制在(17.8±1.7)g/kg范围内。

2 试验台架及湿度控制系统

2.1 发动机台架

1M－PC台架是API评定柴油机油高温清净性的试验台架。

台架试验采用Caterpillar公司生产的1Y73非直喷两气门专用增压单缸柴油机，排量为2.2 L，功率31 kW，缸径为130 mm，活塞行程165 mm，压缩比16.4∶1。

能够自动闭环控制发动机转速、进气压力、进气温度、进气湿度、冷却液温度、主油道温度等参数的计算机控制系统，使参数恒定控制在规定范围内。

2.2 进气湿度控制系统及工作原理

使用经稳压控制后压缩空气作为发动机进气源，经计算机控制系统将进气温度和湿度控制在规定的试验条件范围内，见图1。

将管道蒸汽直接引入试验室作为进气加湿的蒸汽源，经控制系统进入进气系统以满足发动机的进气加湿。系统中安装加湿和恒温装置，即在加热稳压罐上安装湿度传感器(维萨拉湿度传感器)，传感器将采集的湿度信号输送到计算机进行处理，再将信号输送给电器执行器，通过控制气动隔膜阀的开度来控制蒸汽的加入量，试验时将进气湿度控制在(17.8±1.7)g/kg(水蒸汽质量/干空气质量)范围内。

进气系统流程是:压缩空气→加湿装置→稳压罐→控制阀→加温稳压罐→进气管→发动机。

图1 发动机进气稳压、恒温、湿度控制系统流程

3 试验方案

试验中，控制系统对发动机主要参数恒定控制，并严格控制在规定范围内(见表1)，进气湿度在0～20 g/kg范围内均匀选择20个工况点从小到大递增，每个工况点湿度的波动范围在±1.7 g/kg范围内，各工况点运行时间直到各控制参数长期稳定在控制的规定范围内，试验多次反复进行。在每个湿度点记录并观察其与油耗和排温的变化规律。

表1 发动机试验工况

4 试验结果

在0～20 g/kg范围内选择20个湿度工况点从小到大依次增加，观察进气湿度与油耗和排温的函数关系，如图2、图3、图4所示。

图2 湿度与排温关系曲线

图3 湿度与油耗关系曲线

图4 油耗与排温关系曲线

从图2中看出排温随进气湿度的变化曲线。随着湿度增加，排温有所下降，但湿度增加到5 g/kg时曲线就不再是下降的趋势。从5 g/kg起始一直到18 g/kg时，曲线进入一段平台期，这时排温保持在一定范围内基本不变，当湿度达到18 g/kg继续增加时，排温开始快速上升。

从图3看出油耗随进气湿度变化的关系曲线。随着湿度增加，油耗开始有所下降，但湿度增加到5 g/kg时曲线就不再是下降的趋势。从5 g/kg起始一直到18 g/kg时，曲线进入平台期，油耗保持在一定范围内基本不变，当湿度达到18 g/kg并继续增加时，油耗开始快速上升。

图4是油耗和排温的关系曲线，湿度的变化使得燃烧室的工质产生变化，燃烧室温度和压力的变化导致发动机功率改变，计算机自动控制系统要维持发动机的恒定功率，就必须调整油门行程，改变供油量。因此湿度变化使得供油量改变，供油量(油耗)的改变直接导致排温的改变。

5 分析

重复的大量对比试验表明，在不同的进气湿度条件下，湿度变化对发动机排气温度有明显影响。湿度较小时，改善了燃烧，增加了功率;湿度增加到中间段，发动机处于稳定阶段，没有明显变化;湿度继续增加到后面阶段，发动机功率明显下降。

由于燃烧室带有预燃室，燃烧的持续时间比直喷发动机长，此时可燃混合气燃烧完全，油耗和排温稳定在一定范围值内，在发动机控制参数和机械装配不改变的情况下，排气温度变化直接反应发动机燃烧室工质燃烧温度的变化，而这个温度决定活塞沉积物的生成和成长。

5.1 第一阶段:油耗、排温下降

进气湿度从0逐渐增至5时，油耗和排气温度也随之降低，达到5 g/kg时，排气温度平均下降32，油耗平均下降1 kg/h。

这是因为:柴油机的燃烧过程同时也包括混合气的形成过程，在燃烧室内混合气的形成过程与燃烧过程是交织在一起的，喷嘴喷出的每个油粒都依次经过雾化、受热蒸发、与空气混合、氧化燃烧等过程，加湿空气进入燃烧室与预燃室喷出的燃烧状态的雾化柴油混合，受热膨胀的湿空气使柴油颗粒进一步雾化和高度分散，混合更加均匀，燃烧更加充分。另外，燃烧室内含水蒸气的加湿空气与油气分布更均匀，温度场更均匀，燃烧速度加快，混合气后燃现象减少。因加湿而导致的燃油最大放热率增加的同时，放热率峰值发生期平缓推迟，但燃烧终了时刻不变。也就是说，燃烧维持期缩短。

另外，湿气受热膨胀，大量吸收燃烧室中炽热零部件的热量和工质燃烧中不均衡的热量，使自己成为过热蒸汽而继续膨胀，从而降低缸内燃烧温度。避免了燃烧区局部温度过高，削弱了油的热分解，使油燃烧更充分，此时燃烧状况好转，减少沉积物，使功率增加降低能耗。

国内外在环保排放方面也做了很多进气加湿的试验。试验证明，适当给进气加湿，在改善燃烧增加功率的同时使烟度排放等明显下降。

5.2 第二阶段:平台期

随着进气湿度的继续增加，湿度对燃烧的良性改善就逐渐消失。

进气湿度点在5～18 g/kg变化范围时，曲线进入一个稳定的平台期。油耗和排气温度没有明显变化，排温的平均值在(580±20)范围波动。虽然进气加湿改变了燃烧室的燃烧工质，但燃油消耗量基本没什么变化，此时的最高燃烧压力基本维持不变，或者说，有利和不利的因素相互抵消。

5.3 第三阶段:油耗、排温上升

进气湿度点达到18 g/kg并继续增加时，油耗和排温开始明显上升，说明进气湿度增加到此时已经影响燃烧室工质的燃烧。随着湿度增加，着火延时增加的倾向就越明显，随着湿度继续增加，着火延时明显增大，这意味着大的湿度使做功行程中缸内气体的温度和压力降低。在燃油量没有改变的前提下，进气湿度的持续增加，能够引起最高燃烧压力降低，这种功率下降的趋势只有通过增加供油量才能恢复。

控制系统为了维持恒定的转数和功率输出，油门执行器加大供油量，导致油耗增加。供油量的增加和湿度的增加延长了燃料在燃烧室燃烧的时间，由于燃烧终了时间后滞，使排气温度明显升高。