某发电柴油机机油老化问题的研究

雷跃峰

（日照职业技术学院 现代汽车学院，山东 日照 276826）

某发电柴油机机油老化问题的研究

雷跃峰

（日照职业技术学院 现代汽车学院，山东 日照 276826）

在简单阐述柴油机机油老化问题的原因及危害的基础上，分析某发电柴油机、原机机油老化原因，利用三维CFD计算机仿真工具重新匹配喷油器，保证排放前提下使油束落点更合理，为解决机油老化问题提供参考。

机油老化；喷油器；柴油机

随着汽车工业的飞速发展，环保﹑节能问题成为当今发动机工业的热点问题，因此，延迟喷射﹑EGR等技术在柴油发动机技术中得到了推广与普及，这些技术在改善尾气排放的同时，对柴油发动机工作性能的可靠性也提出新挑战，影响发动机正常工作的机油老化问题就是其中一个［1］。

柴油机尾气中的PM，碳烟是主要排放物，石墨化炭黑又是构成碳烟的主要成分，附着在气缸壁上的炭黑会随着活塞环上下往复的刮油运动进入机油，炭黑在机油中以固体不溶物的形式存在［2］。对柴油发动机的危害主要有加剧发动机的磨损﹑增加润滑油的粘度，润滑性能受损﹑大颗粒物堵塞滤网，影响发动机正常工作。

1 机油老化的解决办法

目前，降低机油含碳量的方法主要有两种：1）在机油中添加添加剂以改进油品的抗爆性能，同时提高油品的炭黑分散性能；2）优化燃烧系统，组织更合理的缸内燃烧过程，降低缸内碳烟的生成量，从而降低机油中的含碳量［3-4］。

针对某发电柴油机开发过程中出现机油老化的问题，使用三维CFD计算软件AVL-Fire，在分析原机喷油落点基础上，重新匹配喷油器，在满足排放性能前提下改善油束落点位置，最终解决机油老化问题。

2 计算分析

2.1 原机问题分析

由于计算机型为机械泵发电柴油机，根据燃烧开发经验，最大功率工况点的燃油喷到活塞顶面可能性最大，机油老化的风险也最高，因此计算分析了原机标定工况的喷油落点情况，计算结果如图1中的a﹑b所示。

图1 原机标定工况的喷油落点

从图1的a﹑b曲轴转角分别为750CA﹑754CA时的原机标定工况喷油器落点可以看出，喷油结束时大量燃油喷到活塞顶面，并有部分燃油喷到气缸壁上，喷到活塞顶面的燃油会导致活塞顶面造成大量积碳，喷到气缸壁上的燃油也会进入油底壳造成机油稀释，从而导致机油含碳量升高，润滑性能下降，出现机油老化问题，原机经过耐久试验后，进行拆机检验，如图2所示。

图2 原机拆检情况

由图2可以看出，标记处显示活塞顶面处有积碳燃烧后的大块印迹，这与原机喷油落点计算分析的结果一致。

2.2 喷油器选型

为改善原机喷油落点，根据开发经验，进行喷油器选型计算分析，所选喷油器参数如表1所示。

表1 喷油器参数

喷油器选型计算结果如图3所示。

图3 原机喷油器选型计算结果

从图3的a﹑b喷油器选型的SOOT与ISFC计算结果可以看出，1 200流量149夹角喷油器的ISFC较原机下降约3 g/kWh，SOOT排放较原机下降约10%，更换1 200流量149夹角喷油器开发后的喷油落点计算结果如图4所示。

图4 更换喷油器后标定工况喷油落点

从图4a的曲轴转角位746CA和b曲轴转角750CA可以看出，更换喷油器后，喷油结束时喷到活塞顶面的燃油相比原机大幅减少，燃油也没有喷到气缸壁上，这样既减少活塞顶面的积炭量，减低机油含碳量，又避免机油稀释，综合这两大因素使机油老化风险大大降低，推荐更换该喷油器进行试验验证。

3 机油老化试验方法

3.1 试验步骤

第一步：将机油预热至85 ℃停车，关闭空调系统和冷却水开关，正盘车3圈至1﹑6缸上止点，30 min后标记当前液位，补加机油至游标尺上刻度线处，并对机油补加量进行称重。

第二步：按照试验大纲要求控制相关参数，柴油机在标定工况运行1 h，进行试验前取样，取样时柴油机保持怠速，取样位置尽量保持在油底壳中部，且取样要在5 min内完成，抽取50 mL机油（至取样瓶下刻度线），记下取样质量，间隔15 min记录数据一次。

第三步：试验前取样后进行机油含碳量试验循环，各用途柴油机根据排放循环选择机油含碳量试验循环，道路用柴油机根据排放标准选择ESC或WHSC循环试验，工程机械用柴油机按照C1循环进行试验，发电用柴油机按照D2循环试验，发电用柴油发动机采用试验循环如表2所示。

表2 发电用柴油机D2循环试验

每完成3个试验循环，按照步骤二进行取样，取样结束后按照步骤一观察液位变化情况，若液位没有显著的变化则添加机油量与取样量相同，若液面有显著的下降则添加机油至上刻度线。为了评估润滑系统，机油含碳量的试验还应进行舜态试验循环，循环工况应根据相应法规要求达到排放标准选择，循环所需要的时间应根据稳态循环结果再进行50～100 h，可以平均取5个样本，采集与分析方法和稳态循环过程相同。试验过程中，应定期检查发动机是否存在机油泄漏，如发生泄漏需重新进行试验。机油取样后，做好标记，即刻送至油品分析实验室，由摩擦磨损室和产品实验室负责样本的测量，并出具分析结果。试验结束后，按照GB/T 14363中的规定对柴油机进行放油，对放油量进行称重，并记录质量。

3.2 试验测量参数及试验记录

试验测量参数应符合Q/WCG 136-24中排放试验的规定，且必须包含机油压力﹑机油温度﹑漏气量﹑滤纸烟度﹑EGR率，测量与记录各项参数需在柴油机稳定运转5 min后进行，每次取样后，取样瓶上需记录台架号﹑试验机型﹑机油等级信息﹑取样日期及取样时刻，取样人员等信息。

3.3 试验结果分析

将试验取样时刻和测量值定义为零点，横坐标为记录的测试时间，纵坐标为取样前后机油中含碳量的差，在图上描点，把所描点绘成一条平滑的曲线。

4 试验验证

更换喷油器前后在标定工况下的性能对比结果﹑五工况参数的对比结果，分别如表3﹑表4所示。

表3 标定工况性能对比结果

表4 五工况参数对比结果

从表3中可以看出，更换喷油器后标定工况的油耗及烟度较原机均下降，这与计算结果趋势相同；从表4中可以看出，更换喷油器后PM排放较原机降低，NO排放虽有所上升，但仍在排放限值允许范围之内，更换喷油器后的排放结果满足排放开发要求。

机油的耐久性测试分两次进行，具体情况分别如下：

1）全速全负荷工况50 h。

试验机油规格为美孚CI-4，加注量为24.91 L；将试验得到的数据进行整理，拟合得出机油含碳量与时间关系式：Y=0.006 6X+0.497 4，斜率小于AVL给出的Acceptable值（0.009），接近Excellent值（0.006），推测200 h含碳量为1.82%，能够满足200 h换油期，全速全负荷工况50 h拟合线如图5所示。机油粘度限值在 11.64～17.46 mm2/s。

图5 全速全负荷工况50h拟合线

2）采用100%负荷20 min+75%负荷100 min循环交替50 h。

试验机油规格为美孚CI-4，加注量为26.42 L；将试验得到的数据进行整理，拟合得出机油含碳量与时间关系式：Y=0.005 9X+0.413 1，斜率略低于AVL给出的Excellent值（0.006），推测200 h含碳量为1.677 4%，能够满足200 h换油期。100%负荷20 min+75%负荷100 min循环交替50 h拟合线如图6所示，机油粘度限值在11.64～17.46 mm2/s。

从以上两次机油耐久试验结果可断定，更换喷油器后原机机油老化问题可以解决。

图6 100%负荷20 min+75%负荷100 min循环交替50 h拟合线

5 结论

使用三维CFD仿真软件对某发电柴油机进行了喷油落点分析及喷油器选型计算，研究了通过燃烧系统优化解决机油老化问题的方法，得到以下结论：

1）原机大量燃油喷到活塞顶面，并有部分燃油喷到气缸壁上，使用推荐的喷油器喷油落点更为合理，可显著降低机油老化风险。

2）根据计算结果，使用推荐的喷油器标定工况ISFC较原机下降约3 g/kWh，SOOT排放较原机下降约10%。

3）综合试验结果，油耗﹑排放的计算趋势与试验一致，通过优化燃烧系统，合理组织燃烧过程，可以有效的解决机油老化问题。

［1］ 黄志勇.柴油机尾气净化处理的研究进展［J］.广东化工，2011（8）：88.

［2］ 林秀转，赵艳丽，石顺友，等. 长城CH-4 15W-40柴油机油在广东粤运的行车试验研究［J］.2016，21（2）：28-33.

［3］ 李自强，王兆远，崔奎据.机油老化的路况差异性研究［J］.汽车实用技术，2015，12（6）：15-17.

［4］ 黄传刚，黄建忠，刘兴海，等.调整柴油机喷油提前角解决柴油机油异常变稠问题［J］.石油商技，2013，6（3）：30-33.

Research on Oil Aging Problems of Diesel Engine

LEI Yuefeng
（School of Hyundai Auto，Rizhao Polytechnic，Rizhao Shandong 276826，China）

Based on the analysis of the reasons and harms of oil aging of diesel engines，this paper，taking one kind of diesel engine as an example，analyzes the specific reasons of oil aging and matches a better oil injector by using threedimensional CFD simulation tool. In so doing，the falling point of fuel jet is improved on the premise that the emission is unaffected，which provides a reference in solving oil aging problem.

oil aging； oil injector； diesel engine

U262.11

A

1672-6138（2017）04-0018-04

10.3969/j.issn.1672-6138.2017.04.005

2017-06-16

雷跃峰（1980—），男，山东东阿人，讲师，研究方向：汽车检测诊断﹑发动机性能测试。

曹娜］