轻负荷直喷柴油发动机油环粘结及活塞清净性台架的建立及试验方法的研究

蒋朝贵 徐广业 孙翔兰 郭昌维

摘要:介绍轻负荷直喷柴油发动机油环粘结及活塞清净性台架的建立及试验方法的开发过程,包括试验设备的选择、关键试验部件的确定及引进和台架流程的设计、发动机试验台架各个系统的研究及设计、试验条件的确定、试验结果的评价及数据分析等,建立了评定轻负荷直喷柴油发动机油环粘结及活塞清净性台架及其试验方法。

关键词:轻负荷直喷柴油发动机;环粘结;活塞清净性;评价方法

中图分类号:TE626.32 文献标识码:A

The Establishment of the Light Duty Direct Injection Diesel Engine Ring Sticking and Piston Cleanliness Test Bench and the Investigation of the Test Method

JIANG Chao-gui, XU Guang-ye, SUN Xiang-lan, GUO Chang-wei

(PetroChina DaLian Lubricating Oil R&D Institute, Dalian 116032, China)

Abstract:The development process of establishing light duty direct injection diesel engine ring sticking and piston cleanliness test bench and the test method were introduced. The selection of test equipment, the determination and introduction of the key components, and the design of the circulation of the test bench, the investigation and design of each engine test bench system, the determination of the test conditions, the evaluation and data analysis of the test result were involved. The light duty direct injection diesel engine ring sticking and piston cleanliness test bench and the test method were established.

Key words:light duty direct injection diesel engine; ring sticking; piston cleanliness; evaluation method

0 前言

柴油机在燃料型动力机械中,是最节省能源的。柴油机比汽油机的燃油有效利用率高出30%以上。随着柴油机制造技术的提高,特别是欧洲汽车市场持续受到油价上涨的影响,欧洲已将柴油机大量用于轻便汽车及小轿车上。随着科学技术的进步和制造水平的提高,现在的柴油轿车不仅具有高效、经济、有益于环保及面向未来的特点,同时在高速性能、加速性能、操作性能、乘坐舒适性和噪音方面已经完全可以与现代汽油机相媲美,受到越来越多用户的喜爱。目前,在最注重环保、经济性的欧洲,柴油轿车的销量已迅速超过轿车总销量的40%,部分国家已超过50%。在国内,伴随着我国轿车家庭化和进口原油的增加,燃油价格的上涨,人们在保证实用、环保的同时更加注重经济性,市场对更具经济效益的柴油轿车的需求日益迫切。因此,我国已经将柴油轿车作为我国未来轿车发展的一个重要方向。

在04版ACEA发动机油规格中, 将轻负荷柴油发动机油与汽油机油合并为一个规格,即A/B系列,共有A1/B1、A3/B3、A3/B4、A5/B5四个规格,并在A/B系列规格的基础上推出具有环保概念的C系列产品,共有C1、C2、C3三个规格,同时还增加了重负荷柴油机油的E系列,并有相应的台架试验方法。评定轻负荷柴油发动机油的主要台架有:

(1)CEC L-56-T-98(XUD11BTE)、CEC L-93-04(DV4TD)中温分散性台架。

(2)CEC L-51-A-98(OM602A、OM646LA)磨损、粘度稳定性及油耗台架。

(3)CEC L-78-99(VW DI)直喷柴油机环粘结及活塞清净性台架。

而我国在轻负荷柴油发动机台架评定、用油规格方面至今还是空白。

随着我国柴油轿车数量的增加,柴油轿车所用润滑油的需求量也将越来越大。要发展直喷柴油发动机用油,就必须拥有评定该发动机用油的技术和设备。全套引进直喷柴油发动机活塞清净性及环粘结评定台架大约需要40万美元,同时因为油品规格的快速发展,发动机台架的更新周期大大缩短,使得引进的台架存在落后的风险。送样到国外去做,虽然不再承担一次性固定资产投资和折旧费用,但高额的评定费用以及较长的评价周期,不仅使产品研发成本难以承受,也不利于研发工作向深层次发展,更不便于产品质量的检验和仲裁。 因此,自主建立直喷柴油发动机环粘结及活塞清净性台架,将节省时间和资金,填补我国评定该型台架方面的空白,为直喷柴油发动机用油的研制、开发和生产提供准确、可靠的评定手段。我们在充分调研的基础上,只引进台架的关键部件,其余部件在国内配套完善,建立了一套完整的具有自主知识产权的、与国外试验条件基本相同的润滑油评定台架及试验方法。该台架经过设计、安装、调试及试验油样的评定,已取得了良好的试验结果。

1 台架的建立

1.1 试验发动机的选择

用来测试的发动机是CEC L-78-99试验方法指定的、最新的德国大众公司生产的GolfA3系列柴油发动机。发动机为VW 1.9L/81kW直喷式、四缸、采用涡轮增压、带中冷的柴油发动机。VW TDI发动机是一台具有国际先进水平的柴油轿车发动机,具有功率大、低排放、低成本、低油耗、长寿命、低噪音等特点,排放达到欧Ⅳ标准。发动机的型号及技术参数见表1。

1.2 试验发动机的安装

1.2.1 EGR阀和排气歧管

连接EGR阀和排气歧管之间的连接管路被移除。在排气管处产生的管孔用金属板密封。

1.2.2 发动机安装位置

发动机将按照下列方式安装到试验台架上:

(1)曲轴沿着轴向向飞轮边偏2°。

(2)气缸沿着径向向排气边偏15°。

如果试验记录报告中存在水平安装,即和曲轴重合(成0°处),这种情况是可以的。安装时可以使用特定的法兰或相关的传动装置来完成。

1.3 冷却循环

标准的冷却循环在试验中做了如下修改:当断开机油回路和自动调温装置旁路时,试验台架的一个水/水热交换器代替冷却器,用一个合适的试验台架控制设备来控制温度。

1.4 机油冷却系统

与机油滤清器连接的标准的油/水热交换器与评定台架的冷却系统分开。用一个合适的试验台架控制设备控制温度。发动机的冷却系统见图1。

1.5 中冷器

用适当的热交换器来冷却增压空气。建议使用气/水热交换器。增压空气的温度将用适当的温度调节器来控制。

中冷器前后最大压差是6 kPa。

1.6 进气系统

使用标准的进气系统。发动机的进气系统包括空气滤清器、空气质量流量计、涡轮增压器、中冷器、控制发动机进气温度的调节阀。

1.7 排气系统

使用标准的或者能够控制排气背压适当的排气系统。

1.8 曲轴箱通风/窜气测量

曲轴箱通风是从气缸盖通过空气滤清器连接到进气系统,符合标准发动机的布局。漏气测量必须连接到这个封闭回路上。建议:使用能够连续测量的流动速率测量系统,例如在管口的地方测量。

1.9 燃油系统

在燃油系统中安装一个适当的热交换器,使燃油温度得到准确的控制。回油线也应该与热交换器相连。

1.10 冷却风扇

涡轮增压器和排气管系周围使用外部冷却风扇。

1.11 活塞冷却喷嘴

活塞冷却喷嘴可以通过喷嘴顶部螺钉中心的“WAG8.8”来识别。活塞冷却喷嘴见图2。

1.12 试验测功机的选择

测功机主要用于对发动机进行转数、扭矩和有效功率的测试及性能试验、耐久试验和型式试验。尤其适用于各种试验台架,对发动机、整车及其部件进行不同工况的运行和试验。根据VW TDI柴油发动机的额定功率为81 kW,额定转速为4150 r/min,最大扭矩为235 N•m(1900 r/min)的要求,以及发动机与测功机特性曲线匹配要求,选择杭州奕科机电设备有限公司生产的技术水平先进、测量精度高的WE32H水涡流测功机。

1.13 台架流程的设计

经过调研,详细了解、分析和研究了国外标准的轻负荷直喷柴油发动机油环粘结及活塞清净性评定台架的原理、构造和性能。学习和掌握了评定台架的技术要求、技术性能和技术指标等关键技术,设计了一套完整的轻负荷直喷柴油发动机油环粘结及活塞清净性评定台架。评定台架流程见图3。

1.14 发动机的控制系统

发动机的控制系统是由配电箱、发动机控制仪表、发动机仪表、发动机电脑及线束组成。按照CEC L-78-99(VW)试验方法的要求,在国内开发满足试验要求和控制精度的发动机控制仪表。安装配电箱。在评定台架相应部位安装测温仪表、热电偶、测压仪表、传感器。建立仪表控制台,使得发动机的转数、扭矩、系统各部位的温度、压力等试验参数得到准确有效的控制。建立超温、超压、超转数、超扭矩报警系统和超压、低油压、超温、超转数自动保护停车系统,安装了评定台架探头监控系统。

1.15 燃料油

我们将含硫柴油(硫含量0.4%左右)与-10号军用柴油按照一定比例进行调制,调制后的燃料油标准满足CEC RF-90-A-92(S含量:0.25%～0.30%)的要求,其质量指标见表2。

1.16 完整的发动机评定台架

按照CEC L-78-99试验方法的要求,建立VW TDI轻负荷直喷柴油发动机油环粘结及活塞清净性评定台架。安装好的发动机评定台架见图4。

2 开机调试、试运转

所建台架及仪表操作系统组装完毕后,进行了细致的检查,在确保无误后开始送电、送油,开机试运转。试运转是按照CEC L-78-99试验方法要求的磨合试验条件及正式试验条件在所建台架上进行发动机试验。其目的就是考察发动机运行的可靠性及仪表控制系统对发动机各个参数控制的准确性。

在按照正式试验条件考察发动机的过程中,反复观察和检测所建评定台架系统中的每个部件的实际使用性能,及时解决和处理评定台架在试验过程中暴露的设计缺陷和个别部件出现的问题,调整好报警以及自保停车系统。按照CEC L-78-99试验方法要求的试验条件,在累计100多个小时考察发动机的过程中,台架运行良好。

3 试验方法研究

3.1 试验步骤

试验步骤包括发动机的磨合程序和正式试验程序。

3.1.1 磨合试验程序

发动机的磨合试验程序见表3。

根据重量法记录耗油量(当油箱中油的温度大约在100 ℃、保持1缸活塞在上止点位置时开始排放机油,排放机油15 min)。

3.1.2 正式试验程序

在发动机磨合试验程序结束以后,安装一个新的机油过滤器。按照方法要求在15 ℃时,向发动机内加入大约4.5 L试验机油,同时还要额外保存0.2 L新机油。发动机正式试验条件见表4。

(1)第一个阶段开始冷却液出口温度从(90±3) ℃降到(30±2) ℃需要在(7±1) min时间内,第二个阶段开始从(30±2) ℃升到(90±3) ℃需要在(3±1) min时间内。

(2)第一阶段开始油箱温度从(145±3) ℃降到(40±3) ℃需要在(15±1) min时间内,第二阶段开始油箱温度从(40±3) ℃升到(145±3) ℃需要在(6±1) min时间内。

(3)第一阶段开始转速和扭矩值要在1 min内达到,第二阶段开始转速和扭矩值要在2 min内达到。

(4)所有其他条件参见表4,从每一阶段开始要在15 min内达到。

3.2 评价方法

3.2.1 环粘结评分

本方法环粘结评分,依据SH/T 0264附录E1和E5进行评价。

3.2.2 活塞清净性评分

本方法活塞清净性评分,采用DIN 51 361,尤其要参照DIN 51 361第二部分。

3.3 参比油标定范围

参比油标定范围见表5。

3.4 参比油试验

按照CEC L-78-99(VW DI)试验方法的要求,购买参比油 RL206进行标定试验,共进行两次参考油试验,其试验结果见表6。参比油RL206试验前油样理化分析、第一次试验后油样理化分析、第二次试验后油样理化分析结果见表7。

试验结果表明,参比油清净性标定结果均在方法要求范围内,同时也说明台架试验有较好的重复性。

3.5 通过标准

ACEA A3/B4轻负荷轻负荷直喷柴油发动机油通过/失败的标准见表8。

3.6 发动机试验

选用大连润滑油研究开发中心研制的轻负荷直喷柴油发动机油编号为0601-D进行台架试验。试验结果见表9,0601-D试验油理化分析见表10。

试验结果表明,研制油满足ACEAA3/B4轻负荷直喷柴油机油环粘结及活塞清净性台架指标要求。

4 结论

(1)建立的VW DI轻负荷直喷柴油发动机油环粘结及活塞清净性台架的整套硬件设备在运行中平稳可靠,建立的计算机控制试验程序能够实现安全、可靠的控制。

(2)通过标准油的标定试验,结果表明新建台架校机运行平稳、可靠,且具有很好的重复性。评价结果满足标准油标定指标要求。

(3)通过参比油的评定,表明建立的台架及试验方法在油品清净性评价方面具有较好的区分能力。

(4)通过试验表明,该试验台架的建立满足CEC L-78-99(VW DI)标准要求。

(5)VW DI轻负荷直喷柴油发动机油环粘结及活塞清净性台架的建立及试验方法的研究,必将对我国自主研发高档轻负荷直喷柴油发动机油以及柴油发动机油规格标准的建立和发展起到一定的推动作用。

(6)直喷柴油发动机环粘结及活塞清净性评定法行业标准征求意见稿已经完成,送审稿待批。

参考文献:

[1] Passenger Car Direct Injection Diesel Engine Ring Sticking and Piston Cleanliness Test(VW 1.9 Liter Turbocharged Intercooled DI Diesel Engine.CEC L-78-99)[S].

收稿日期:2009-02-19。

作者简介:蒋朝贵(1962-),男,工程师,1987年毕业于辽宁省石油化工学校化工机械专业,现从事润滑油评定工作。