CA6DE3柴油机低机油耗开发

王启航，吴彩丽，张松涛，李来群，韩祖豪

（1.西安康明斯发动机有限公司，西安710200；2.道依茨一汽大连柴油机有限公司，大连116022）

CA6DE3柴油机低机油耗开发

王启航1，吴彩丽2，张松涛2，李来群2，韩祖豪2

（1.西安康明斯发动机有限公司，西安710200；2.道依茨一汽大连柴油机有限公司，大连116022）

CA6DE3国Ⅲ排放电控柴油机的低机油耗开发是通过对活塞环、活塞与缸套的间隙和活塞第一道环槽的优化来实现的。试验结果表明，样机优化后的标定功率机油燃油耗比为0.07%，满足低机油耗开发工程目标0.2%的要求。

柴油机国Ⅲ排放机油耗优化试验

1 前言

柴油机由机油产生的SOF占其SOF总质量的15%～80%，对排放颗粒有直接的影响。为了满足越来越严格的排放法规，低机油耗开发已成为整机开发的重要工作之一，越来越受到关注[1]。通常用标定功率下的机油燃油比、机油消耗率或机油消耗量来评价发动机的机油消耗指标[2]。

活塞环具有气密功能、控油功能、导热功能和对活塞的支撑功能。对活塞环设计要求可以概括为：（1）具有良好的抗拉缸性能；（2）具有良好的顺应性能；（3）具有高抗耐磨性、耐腐蚀性能；（4）配合活塞具有良好的密封性能和刮油性能，使机油耗、漏气量等指标满足项目开发的工程目标。

作用在活塞环的力有气体压力、环的自身弹力、环作往复运动的惯性力、环与缸孔及活塞环槽的摩擦力等。由于这些力的作用，活塞环将产生轴向运动、径向运动、回转运动等。这些不规则运动常常妨碍活塞环发挥作用。设计活塞环时，要充分发挥活塞环有利运动，抑制不利运动[3]。

通过对活塞头部间隙和活塞第一道环槽的优化，来改善活塞环的受力状况，充分发挥活塞环的刮油作用，来满足机油消耗的工程目标要求[1-4]。

2 低机油耗开发

2.1 发动机配置

CA6DE3型柴油机是道依茨一汽大连柴油机有限公司的成熟机型之一。它采用了直喷式、增压中冷、电控单体泵技术，满足国Ⅲ排放，外特性最低燃油消耗率200 g/(kW·h)。该机型的主要结构及技术参数如表1所示。低机油消耗开发的工程目标为标定功率机油燃油耗比0.2%。

2.2 试验方法

采用称重法测量机油消耗。该方法为：加入新机油至油尺的上限，柴油机起动后调整到试验规定的工况，机油温度稳定后，停机；均匀转动曲轴，在1 min以内顺时针转动曲轴一圈，再转至第一缸上止点位置，放油称重，放油时间为15 min；将油倒回柴油机，再称量未能倒净的机油和容器；两次重量之差，即为加入的机油量。

表1 CA6DE3柴油机技术参数

起动柴油机，迅速调整到规定的试验工况，开始试验。试验后，按试验前的方法放油称重，称得试验后的机油量。试验时间为24 h，运行工况为功率162 kW，转速2 300 r/min。

机油消耗量=试验前加入的机油量－试验后放出的机油量。

2.3 降机油耗措施及试验开发

针对降低CA6DE3柴油机机油耗的目标，进行了活塞环、活塞头部间隙和活塞环槽的3个方面的优化工作。

2.3.1 活塞环的优化

简单地说，对活塞环的优化可概括以下几个方面：（1）提高活塞环的接触应力；（2）提高活塞环的顺应性；（3）在活塞下行时，设计成尖锐的下侧刮油棱边；（4）在活塞上行时，设计成符合流体力学的工作面几何形状，避免顶部出现刮油棱边；（5）减小环槽内的泵油作用。

对柴油机的排放而言，有些要求是相互矛盾的。如一方面要优化活塞环的刮油性能，以减少机油排放；另一方面要减少活塞环的摩擦力，以获得更好的燃油经济性和较低的CO2排放量。

对CA6DE3柴油机活塞环的优化，主要集中在钢质油环的开发，特别是刮油刃的适当降低对改进机油耗是有效的。其试验结果如图1所示。通过活塞环的优化，标定功率机油燃油耗比从原机的0.25%降至0.22%，降幅达到了12%。

2.3.2 活塞头部间隙的优化

在CA6DE3柴油机完成了活塞环的优化基础上，通过对活塞头部间隙的优化，改善活塞环与活塞环槽配合以及活塞环与缸套的受力情况，来满足降低机油耗的工程目标。活塞和活塞环设计的关键是使第一道环停留在环槽底的时间尽可能长，使漏气量和机油耗降至最低。

活塞与活塞环间隙的典型结构如图2所示。适当增加活塞顶岸间隙δ1，增加第一道环岸上部的气压，促进第一道环落座。但同时必须考虑到，δ1的增加，导致活塞环岸和缸套的有害容积增加，在活塞燃烧室保持不变的情况下，压缩比会略有降低。燃烧室K系数定义为燃烧室容积与活塞上止点的容积之比，是衡量空气利用率的重要指标。δ1的增加会导致燃烧室K系数的略微下降，使柴油机的燃油消耗率和烟度指标趋于恶化。本轮试验采用的方案为活塞头部间隙δ1相对原机增大了35.7%。

减少第一道环岸间隙δ2，改善第一道环岸的支撑能力。第一道环槽的下边缘的倒角设计尽可能小，与第一道环形成密封带。

第二道环岸间隙δ3应适当增加，为第二道环刮下的机油提供存储空间，有利于降低机油消耗。油环岸也应保证有足够的间隙，为油环刮下的机油提供排泄通道。

对CA6DE3柴油机活塞头部间隙的优化试验结果如图3所示。活塞头部间隙的优化，标定功率机油燃油耗比从优化活塞环的0.22%降至0.07%，得到了68%的改善，超过了工程目标0.2%的要求。

2.3.3 活塞第一道环槽结构的优化

尽管活塞头部间隙的优化对改善机油耗的作用显著，但由于δ1间隙的增大，同时也导致了有害余隙容积的增加，燃烧室K系数的降低，使柴油机燃油消耗率和烟度指标有所恶化。

对CA6DE3柴油机，在δ1间隙不变的前提下，通过活塞环槽的优化来改善第一道环的受力情况。采用优化的活塞环，将第一道环与环槽的下表面配合角度增加1度，使第一道环与环槽的工作结合面外移，趋向于前端密封。活塞环和活塞环槽的密封和受力情况示意图如图4所示。

对CA6DE3柴油机活塞第一道环槽的优化试验结果如图5所示。活塞第一道环槽的优化方案使标定功率机油燃油耗比从0.22%降至0.14%，得到了36.4%的改善，满足工程目标0.2%的要求。

2.4 优化结果

本轮试验同时为活塞头部间隙优化和活塞第一道环槽的优化相结合，来进一步满足机油耗和性能要求，同时也为CA6DE3柴油机升级为国Ⅳ排放的机油耗开发提供了基础和借鉴。最终优化方案的试验结果如图6所示。

图3 活塞头部间隙优化的机油耗试验结果

图4 活塞环和活塞环槽的密封和受力情况

3 结论

CA6DE3柴油机采用了湿式气缸套，原机型通过缸套网纹的优化等措施，试验样机在标定工况下的机油燃油比为0.25%。

在原机的基础上，进一步通过优化活塞环，标定功率机油燃油耗比降低到0.22%。在采用优化活塞环的基础上，通过活塞头部间隙的优化，标定功率机油燃油比达到0.07%，机油耗达到了非常理想的水平，但同时也导致了燃油消耗率和烟度指标的略有恶化。在优化活塞环和保持原机活塞头部间隙不变的条件下，对活塞第一道活塞环槽进行了优化，标定功率机油燃油耗比达到0.14%，在满足了国Ⅲ排放要求下，CA6DE3柴油机标定工况的机油燃油耗比达到了0.2%的开发要求。

Development of Low Oil Consumption of the CA6DE3 Engine

Wang Qihang1,Wu Caili2,Zhang Songtao2,Li Laiqun2,Han Zhuhao2
（1.Xi'an Cummins Engine Company,Xi'an 710200,China; 2.DEUTZ FAW Dalian Diesel Engine Company,Dalian 116022,China）

To development low oil consumption of electronically controlled CA6DE3 engine of ChinaⅠⅠⅠ,optimizations were made on piston rings,clearance between piston and liner,first piston ring groove and then test verifications were carried out accordingly.The results showed that the optimizations make the oil/fuel ratio at rated power as low as 0.07%,meeting the project target of 0.2%.

diesel engine,ChinaⅠⅠemission,oil consumption,optimizing test

10.3969/j.issn.1671-0614.2014.02.006

来稿日期：2013-08-15

王启航（1971-），男，工学硕士，主要研究方向为轻型车用柴油机整机开发。