电子呼吸器对竖轴柴油机性能影响及研究分析

2022-02-14赵锁成李胜利郭增元刘彦军安禄政耿小昌郭晓松范亚栋

新技术新工艺 2022年12期

赵锁成，李胜利，郭增元，刘彦军，安禄政，耿小昌，郭晓松，范亚栋

(河北华北柴油机有限责任公司，河北石家庄 050081)

近年来，随着市场对竖轴柴油机的需求越来越迫切，竖轴柴油机研发已成为国内动力设计工作者的迫切任务，然而在研发竖轴柴油机时困难重重。竖轴柴油机的曲轴方向相对于常规横轴柴油机的方向不同，它的中心轴与水平方向垂直，活塞与缸套的中心轴平行于水平方向。竖轴柴油机的活塞、缸套因重力产生的惯性力矩远超过直列横轴柴油机产生的惯性力矩，并且缸套更容易受热负荷影响，进而导致工作过程恶化[1]。竖轴柴油机箱体窜气量大，导致积攒废气多、废气压力高、润滑条件恶化、气缸盖和气缸套的温度偏高、气缸磨损加剧[2-3]，然而在同一设计参数下的竖轴柴油机窜气量远大于横轴柴油机，因此箱体内部窜气量和废气压力成为新型竖轴柴油机研发过程中的难点。如何降低竖轴柴油机废气压力，是提高其整机性能的主要研究方向。

1 箱体窜气量对柴油机的影响及解决办法

柴油机处于工作状态时，燃烧室内总有一部分废气经活塞密封面进入曲轴箱体内，会污染并稀释机油，与曲轴箱内的机油气体混合，导致曲轴箱内废气压力升高，因此一般情况会在箱体某处增加呼吸器装置，目的是将曲轴箱内的油气进行分离，一路通过呼吸器分离出的机油返回箱体，另一路的废气直排到空气中，从而降低箱体内部的窜气量[4-6]。一般呼气器装置分为机械呼吸器和电子呼吸器。机械呼吸器按连接方法又分为闭式和开式。闭式呼吸器是将废气接入进气系统再进行燃烧，开式呼吸器是将废气直接排入大气[7-9]。

曲轴箱内部废气压力是反馈曲轴箱内部窜气量的一个重要参数。曲轴箱内部的窜气量过高，会对发动机造成如下几点影响：1)大量的机油蒸汽与废气进行混合，导致机油耗量增加；2)废气压力过高，导致润滑系统循环受阻、机油压力下降、润滑环境恶劣等影响；3)废气大量积攒在箱体内部，箱体内部的热量很难与冷却水进行交换，导致箱体散热性差；4)废气过大，导致柴油机实际功率远小于设计功率等影响[10-11]。因此，在研发新型竖轴柴油机时分别采用了开式呼吸器、闭式呼吸器和电子呼吸器进行试验，并对废气压力、机油消耗量、负荷、功率、机油压力、机油温度、排温等性能参数进行检测与分析，研究箱体内部窜气量对竖轴柴油机性能的影响。

2 机械呼吸器试验及结果分析

2.1 开式呼吸器试验及结果分析

根据所研发的竖轴柴油机各参数选择开式呼吸器型号为CA498，在竖轴柴油机箱体上部加工一孔与其相连，呼吸器的回油管与箱体侧面孔相连，连接示意图如图1所示。由于箱体内压力高于大气压，箱体内的废气被压入机械式呼吸器，通过呼吸器后，喷洒在挡油帽上，扩散后的油靠重力沿管壁下滑到分离器下部，经排油管流回箱体内部，同时，气体因密度小而上升，经分离伞集中向上改变流动方向，将气体中的小油滴粘附在伞壁上，聚集后沿壁而下，脱油后的气体经分离器顶部排气管进入大气，流程图如图2所示。

图1 连接示意图

图2 废气流程图

为验证开式呼吸器对发动机整机性能的影响，需要在不同转速下对整体式缸套竖轴柴油机各性能参数进行测试。本试验选择稳定转速测试点分别为2 000、2 200、2 400、2 600、2 800、3 000、3 200、3 400、3 600、3 800和4 000 r/min，共计11个转速点，并记录每个转速点的柴油机性能参数。

废气压力、机油压力随转速变化趋势图如图3所示。通过图3可以分析出，随着转速的升高，废气压力逐渐升高，机油压力逐渐降低，当转速为3 000 r/min时，废气压力与转速接近正比式的增加，机油压力突然降低，但是润滑系统仍满足发动机润滑系统的技术要求。但是当发动机转速为4 000 r/min时，此时功率为33 kW，负荷为143 N·m，废气压力高达1.3 kPa，机油压力降至0.25 MPa，废气已经阻碍了润滑系统中机油的循环，导致润滑环境恶劣，已不能满足润滑系统的技术要求。功率未达到设计时理论功率37 kW，机油压力已经低于技术要求，因此开式呼吸器不适用于此款竖轴柴油机使用。

图3 废气压力、机油压力随转速变化趋势图

2.2 闭式呼吸器试验及结果分析

与2.1所选呼吸器一致，不同之处是通气口与增压器相连，通过增压器工作抽出箱体内部的废气，保持箱体内压力为负值，闭式呼吸器连接示意图如图4所示。与2.1节油气分离工作原理相同，不同点在于通气口连接增压器，分离后的废气通过增压器压入进气管，随空气进入缸内进行燃烧，废气流程图如图5所示。

图4 闭式呼吸器连接示意图

图5 闭式呼吸器废气流程图

为验证闭式呼吸器对竖轴柴油机整机性能的影响，应对不同转速下的整体式缸套竖轴柴油舷外机各性能参数进行测试。本试验选择稳定转速测试点与2.1节相同，共计11个转速点，并记录每个转速点的柴油机性能参数，各转速点的负荷除4 000 r/min与2.1节不同外，其余各转速点的负荷均相同。

废气压力、机油压力随转速变化趋势如图6所示。由图6分析研究得出，增压器的涡轮随着转速的增加，工作效率不断提高，对废气的吸力越来越大，因此废气压力随转速的增加而减少，机油压力始终保持在0.3 MPa以上，表明润滑系统机油路循环流畅，满足技术要求。且当转速为4 000 r/min时，功率为37 kW，机油压力为0.31 MPa，此时此款竖轴柴油机功率已达到设计功率值。但是在最高转速满负荷工况下，运行约1 h机油消耗大概2 L，机油压力降到0.25 MPa左右。停止试验后拆除进气管，发现增压器与呼吸器通气管连接处存有大量机油。经研究分析发现，由于发动机在高转速、高负荷下运转，机体内部温度过高，机油蒸汽与废气混合形成油气混合气体，混合气体温度过高，进入呼吸器后，有一部分油气不及时分离出来，随着增压器的吸力进入到燃烧室进行燃烧，导致机油消耗。因此闭式呼吸器也不适用于此款新型发动机。

图6 废气压力、机油压力随转速变化趋势图

3 电子呼吸器试验及结果分析

根据所研发的竖轴柴油机各参数选择电子呼吸器型号为TOPAS，TOPAS性能参数见表1。在竖轴柴油机箱体上部加工一孔与其出气口相连，电子呼吸器的回油管与箱体侧面孔相连，电源正负极与电池正负极相连，信号线接入ECU，试验台架示意图如图7所示。

表1 TOPAS性能参数

图7 电子呼吸器连接示意图

电子呼吸器工作原理：电子呼吸器根据箱体内部废气随转速变化趋势，编程写入ECU，通过ECU控制电动机转速，进而控制抽箱体内部废气的量和废气压力的大小。电子呼吸器的电动机上安装叶轮，叶轮随着电动机转动，抽入的废气是油气和废气的混合物，油气进入电子呼吸器后，小油滴随叶轮转动进行离心运动，甩在呼吸器壁上，沿壁流入回油管，进而流回箱体，确保润滑系统良好的工作。分离出的废气通过呼吸器的通气孔排入大气。废气流程图如图8所示。

图8 电子呼吸器废气流程图

为验证电子呼吸器对竖轴柴油机整机性能的影响，应对不同转速下的整体式缸套竖轴柴油机各性能参数进行测试。本试验选择稳定转速测试点与2.1节相同，共计11个转速点，并记录每个转速点的柴油机性能参数，各转速点的负荷与2.2节相同，废气压力、机油压力随转速变化趋势图如图9所示。

根据电子呼吸器工作原理，结合图9分析研究得出，电子呼吸器工作时的功率是额定的，因此随着发动机箱体内部废气不断增大，检测的废气压力值逐渐增大，废气压力高达0.15 kPa，机油压力始终保持在0.3 MPa以上，表明废气压力值在允许范围内，润滑系统机油路循环流畅，满足技术要求。且当转速为4 000 r/min时，功率为37 kW，机油压力为0.33 MPa，此时此款竖轴柴油机功率已达到设计功率值。最高转速满负荷工况下，运行约1 h机油消耗几乎为零，机油压力始终保持在0.3 MPa左右。在进行200 h考核试验时，机油消耗10 mL，在允许范围内。