柴油机机油耗的优化改进及试验研究

高永春，宋树峰，高尉尉，张廷玉，陈丽

(1.滨州渤海活塞有限公司，山东 滨州 256602；2.滨州市沾化区农业机械管理局,山东 滨州 256800)

缸内机油消耗超标对于内燃机CO2和颗粒物排放有直接的影响。随着对汽车的排放要求越来越高，减少机油排放也越来越受到关注[1]。根据机油在内燃机中排放的原理，造成缸内机油消耗的关键在于活塞组件[2]，因此优化活塞组件设计对降低机油耗、改善排放有重要的意义。

针对某柴油机在低功率工况试验过程中排气歧管出现漏机油现象，通过对活塞油环槽上下侧面直线度、油环槽油带以及油环槽下侧面中的回油孔、泄油槽等各部位进行优化设计，并进行试验验证，从而解决柴油机漏机油现象，对柴油机有效降低机油消耗从而降低CO2排放有指导意义。

1 柴油机漏油分析

出现机油泄漏的为某公司设计的100 mm缸径柴油机，其参数如表1所示。

表1 柴油机主要性能参数

柴油机在额定工况和负载试验时机油耗都正常，而在进行2 h低功率工况(4.7 kW)运行试验后，拆检发现排气管管口有明显的机油漏出，如图1所示，对柴油机进行拆机，发现活塞、活塞环、缸套等表面磨损正常，活塞头部、环岸没有明显的积碳，如图2 所示。

柴油机排气管出现漏机油现象主要原因有。

1)气缸缸孔网纹损坏，缸孔变形,活塞环磨损严重,使活塞在运行过程中机油上窜进入燃烧室，从排气门排出。

2)密封件损坏。

3)机油品质不高，活塞积碳严重。

4)油底壳机油油面过高、机油压力过大。

5)活塞设计参数不合理，活塞在运行过程中过多的机油留在活塞环槽部位，不能回流，导致机油上窜进入燃烧室，从排气门排出。

图1 拆检后排气歧管口图片 图2 试验后活塞外观图片

通过对排气管漏油现象及柴油机各零部件表面情进行分析，排除气缸缸孔网纹损坏、缸孔变形、密封件损坏和活塞积碳等因素，最终确认主要原因为低功率状态下燃烧室内形成部分时段的低压或负压，油底壳与燃烧室之间出现正压差导致机油上窜从排气门流出，出现漏油现象。本文中通过对活塞设计参数的调整，加大活塞的储油、卸油能力，并进行试验验证，活塞优化后降低了柴油机的机油耗，杜绝了低功率工况漏油现象。

2 改进方案确立

根据柴油机排气管漏油原因确立活塞优化方案，如图3所示。

a)蝶形油环槽 b)伞形油环槽 c)油带宽度 d)回油槽和泄油槽图3 方案示意图

1)调整活塞油环槽形状(油环槽上下侧面向活塞顶部方向倾斜为碟形，向活塞止口方向为伞形。

2)活塞油环槽上侧面油带宽度由2增加到3 mm。

3)活塞油环槽下侧面增加8个回油孔。

4)活塞油环槽下侧面增加4个泄油槽。

根据以上4种优化方案进行组合，最终确定试验方案如表2所示。

表2 试验方案

3 试验方法及评价标准

图4 试验台架

对5种优化设计方案在柴油机上进行4.7 kW低功率工况试验，每2 h停机拆卸柴油机排气弯管、排气总管及排气歧管，并统计漏油情况。每个方案进行25次共计50 h试验。建立的柴油机试验台架如图4所示。

试验结束后，根据管口圆柱面内漏油面积占整个圆柱面的比例对试验结果进行判定，当漏油面积比例达到50%，需要开机烘干30 min再按低功率工况运行，具体标准如表3所示。

表3 漏油判定标准

4 试验结果及讨论

根据试验标准完成所有5种优化设计方案的试验。每个方案有250组试验数据，根据上述判定标准对每组数据进行评价判定，整个试验判定结果统计如表4所示。

表4 试验判定结果

图5 不同方案的试验合格率

根据活塞漏油判定标准，漏油等级≥3级表示试验通过，分析各方案试验判定结果数据，最终得出各组方案的试验通过率，如图5所示。

从图5分析数据可以得出，方案1、2、3中活塞环槽形状的优化及活塞第三环槽上下环岸增加油带对柴油机漏油的改进效果不明显，方案4、5中活塞油环槽下侧面增加回油孔和增加泄油槽的设计对柴油机漏油有明显的改进，而方案4与5的合格率没有明显差异，泄油槽对控制机油消耗没有明显作用，由此可见，增加回油孔设计对柴油机漏油的改进效果最为显著。每组试验过程中排气管温度、燃油耗及机油消耗量结果如表5所示。

表5 试验结果

根据表5可以看出，5个方案中总管排气温度、燃油耗及额定功率下机油耗没有明显的差异，其中在低功率(4.7 kW)状态下方案1、2、3机油耗量有减小的趋势，但差异不大，方案4、5机油耗明显降低，结合加工成本综合考虑，方案4被确定为最优改进方案。

图6所示为改进前与方案4柴油机试验后排气管内宏观情况对比。显然，通过优化改进后排气管内较干燥、没有出现机油泄漏现象。

a)改进前 b)改进后图6 改进前后排气管漏油对比

5 结论

1)活塞第3环槽蝶形、伞形增加第3环岸油带宽度设计，对降低低功率状态下柴油机机油耗，减小漏油没有明显效果。

2)通过将活塞第3环槽增加回油孔、泄油槽的的优化设计，使柴油机低功率(4.7 kW)状态下漏油试验通过率分别达到了98.4%、98.8%，机油耗量为由原方案的19.4分别降低到7.5、7.3 g/h，对降低机油耗，减小漏油有明显效果。

3)通过优化活塞头部结构设计、可以有效降低柴油机低功率工况下机油消耗，从而进一步改善柴油机排放。