高速大功率柴油机燃油适应性改进设计

丁技峰，王增全，于宝金，张国征，高鑫花

(1.中国北方发动机研究所，天津 300400； 2.中北大学，山西 太原 030051)

0 引言

世界各地所产石油的化学组成都有不同程度的差别。同一种石油，采用不同炼制工艺得到的燃油其化学组成不同[1]。柴油品质显著影响着柴油机的性能和可靠性[2-4]。不同结构的柴油机，对柴油品质的要求及其苛刻程度也是不同的[5]。为解决某型柴油机燃烧室烧蚀、拉缸问题，对其燃用的当地柴油进行了试验研究，并对柴油机进行了燃油适应性改进设计。首先进行了燃油影响发动机台架试验研究，摸清了所用燃油对该型柴油机可靠性的影响；然后开展了燃油理化特性测试与柴油机缸内燃烧过程测试，分析了燃油的品质对柴油机燃烧室烧蚀和拉缸问题的影响机理；最后对柴油机活塞、喷油器、增压器和供油提前角进行了适应性改进设计。在改进后的柴油机上进行了燃油适应性台架考核试验，试验结果表明柴油机燃油适应性得到了提高，再未出现类似故障，达到了预期的改进目标。

1 燃油影响试验研究

1.1 实车故障情况

某部配备了36台某型车辆，在使用过程中，先后有19台出现柴油机冒白烟、喷铝沫故障。故障主要特点均为柴油机气缸盖的喷油器安装孔周边烧蚀，且在较短时间内出现故障。故障发生的时间范围大都集中在20 h～28 h，平均为24.7 h。典型故障图片如图1所示。

1.2 故障复现台架试验与分析

通过现场排查分析，初步怀疑故障原因与燃用当地燃油的油品有关。按设计要求，该型柴油机需使用GJB 3075—1997《军用柴油规范》规定的燃油。为了得到确认，采用当地燃油在发动机台架上进行了柴油机可靠性考核试验。试验使用量产的一台交验合格的新柴油机，按照该型柴油机常规考核试验规范执行。当考核到21.7 h时，出现柴油机曲轴箱废气压力突然升高，呼吸器冒白烟并喷出大量机油的现象。拆检发现气缸盖喷油器安装孔周围与活塞头部外沿均出现烧蚀现象，且活塞头部均有不同程度的拉伤。气缸盖、活塞损伤情况如图2所示。考核试验结果说明:柴油机燃用当地燃油后，短时间内复现柴油机气缸盖烧蚀、活塞拉缸等实车损坏故障。该型柴油机在台架保险期考核中，使用GJB 3075—1997规定的燃油，按照相同的考核规范通过了400 h考核，从未出现过类似故障。因此，燃用当地燃油对该型柴油机短时间内燃烧室零部件烧蚀有直接影响。

图1 某型车辆柴油机典型故障图

1.3 燃油理化特性测试与分析

取该部使用的当地燃油和GJB 3075—1997规定的相同标号的军用柴油，按照石油和石油产品试验方法国家标准，分别进行十六烷值、馏程等物化性质检测。图3为两种燃油蒸馏曲线测试结果。从图3可见，当地燃油馏程较宽(馏程是指油品在规定条件下蒸馏所得到的从初馏点到终馏点、表示其蒸发特性的温度范围)，为150.7 ℃。当地燃油在159 ℃～250 ℃的溜出量占馏出总量的71.7%，在250 ℃～310 ℃的馏出量仅占馏出总量的28.3%，因此轻馏分含量高。而GJB 3075—1997规定的相同标号的军用柴油馏程宽度为118.3 ℃，在180 ℃～250 ℃的馏出量仅占馏出总量的40%，而在250 ℃～310 ℃的馏出量占馏出总量的60%以上，因此，重馏分含量高。检测结果还显示：当地燃油的十六烷值较低，为49 ℃；而GJB 3075—1997规定的相同标号的军用柴油的十六烷值为55.2 ℃。

图2 气缸盖、活塞典型损伤图

图3 两种燃油馏出曲线对比图

十六烷值是评价柴油着火性能和燃烧特性的指标。柴油中的十六烷值高，自燃性好，柴油机着火延迟时间短，工作平稳[6]。而馏程决定柴油的蒸发性能，蒸发性能影响着火延迟期的燃油蒸发量，一般品质好的柴油，其馏程较窄，且在250 ℃～310 ℃之间蒸发的馏分最多[7]。轻馏分燃油比重馏分燃油蒸发性能好，燃烧速度快。但是馏分过轻，在着火延迟期蒸发的馏分过多，将导致柴油机工作粗暴[8]。燃油理化特性测试对比分析结果表明：该部使用的当地燃油油品低于GJB 3075—1997规定的军用柴油。

1.4 柴油机燃烧过程测试与分析

示功图是研究和判断内燃机工作状态、基本性能、参数计算及放热规律分析的重要依据，从中可以获取40多种信息[9]。采用AVL DEWETRON燃烧分析仪，测取了该型柴油机在分别燃用当地燃油和GJB 3075—1997规定的军用柴油时的外特性工况示功图。图4是使用两种燃油柴油机最大扭矩点示功图对比情况，相应的燃烧过程主要特征参数如表1所示。表1中，℃A表示曲柄转角。从表1中可以看出：与军用柴油相比，燃用当地燃油时，燃烧始点晚，滞燃期长(由于供油时刻一致，则喷油始点一致，滞燃期取决于燃烧始点)，预混燃烧期长，扩散燃烧期短，压力升高率大。

1.5 故障机理分析

如图5所示(BTDC为上止点前，TDC为上止点，ATDC为上止点后)，燃烧过程分为4个阶段，即滞燃期、预混燃烧期、扩散燃烧期和后燃期[10]。由于滞燃期还没有着火，而后燃期压力温度开始降低，压力振荡也大幅衰减，因此在这两个阶段对燃烧系统硬件不可能造成失效，而造成气缸盖、活塞失效的阶段主要是预混燃烧期和扩散燃烧期。

图4 使用两种燃油柴油机最大扭矩点示功图对比

表1 使用两种燃油柴油机在燃烧过程的主要特征参数

图5 柴油机典型燃烧过程示意图

在预混燃烧中后期和扩散燃烧初期，预混燃烧已扩展到整个燃烧室，缸内温度已达1 300 K以上，低的十六烷值引起的着火困难已不存在，而此时喷油尚未结束，仍有30%以上的燃油未喷入气缸，由于当地燃油轻馏分含量高，尤其在大负荷工况下，燃油喷射压力高，雾化良好，轻馏分柴油在喷孔出口处快速蒸发具备着火条件，在气缸中央位置产生剧烈燃烧，致使温度梯度和压力梯度迅速增加，产生强烈热冲击和机械冲击。

由于该型柴油机没有供油提前装置，为保证整机性能，往往选择较大的固定供油提前角。这样在常用工作转速以上时供油提前角相对合理，但随着转速的下降，供油提前角会逐步偏大，带来滞燃期加长、预混燃烧加剧和压升率升高。再由于当地燃油十六烷值低、250 ℃以下馏分占总量的71.7%，使得滞燃期内有更多的燃油蒸发，蒸发吸热进一步降低了压缩终了温度，进而造成不易着火和着火点推迟。因此在供油提前角和燃油两方面原因的共同作用下，预混燃烧剧烈，压升率显著增加，并伴有压力振荡。燃用当地燃油柴油机最大扭矩工况压升率达2.23 MPa/℃A，比燃用军用柴油高72.2%，剧烈升高的压升率带来的压力振荡、冲击脉冲和温度梯度，共同作用在气缸盖喷油器安装孔周围、活塞中央和燃烧室顶部位，造成铝硅合金气缸盖和活塞中的金属铝首先脱落，仅留下耐冲击的其他材料，出现局部斑点和凹坑，发生烧蚀现象；同时造成活塞热膨胀加大、火力岸配合间隙消失、头部变形而导致拉缸。

2 燃油适应性改进

2.1 改进内容

根据以上故障机理分析，为提高压缩终点温度，缩短燃烧滞燃期，控制压升率，从柴油机燃烧参数优化方面开展该型柴油机轻馏分燃油适应性改进研究。主要技术措施为：①适当增大活塞压缩比；②提高喷油器开启压力；③适当下移增压匹配点；④减小柴油机供油提前角。通过系统匹配计算与台架调试，确定的燃油适应性主要改进内容见表2。

表2 柴油机燃油适应性主要改进内容

2.2 试验验证

根据上述改进内容完成该型柴油机样机改造后，进行了发动机台架性能试验，并采用当地燃油按照柴油机常规考核试验规范进行了可靠性考核。试验结果表明：经改进后柴油机对轻馏分燃油适应性提高，性能指标基本不变，且未出现短时间(24 h)内燃烧室部件烧蚀故障。考核后气缸盖燃烧室部位使用状况如图6所示。

3 结论

(1) 高速大功率柴油机由于强化程度高和采用铝合金结构等，其压缩比为13左右，供油提前角30 ℃A

左右，因此压缩温度低、滞燃期长，对轻馏分柴油不易着火、蒸发汽化快、吸热等影响较为敏感，从而对轻馏分柴油适应性较差，易发生烧蚀与拉缸故障。

(2) 适当增大活塞压缩比、提高喷油器开启压力，下移增压匹配点、减小柴油机供油的提前角、可以提高柴油机轻馏分燃油适应性，其本质是优化燃烧，控制压力升高率。

图6 改进柴油机气缸盖燃烧室部位考核后状况