某12缸机车柴油机自动变缸技术探索

摘 要 当前，随着“工业4.0”战略和“中国制造2025”的推进实施，中国制造业向智能制造的转型升级已经全面展开。柴油机在怠速运行时由于空气增压效率很低，各缸燃油喷射控制精度和雾化效果差，缸内燃烧不充分，不但导致燃油消耗率、有害排放较高，而且柴油机在这种状态下长期运行，还会对燃烧做功的关键部件造成严重影响，具体表现为气缸盖火力面、活塞顶、气阀严重积油积碳，喷油器严重积碳，针阀卡滞，进一步造成喷油雾化不良;增压器内部积碳严重，油封和气封失效，导致增压器漏油、加剧转子磨损等现象发生。近年来，随着智能化控制技术的发展，内燃机车柴油机的电气化自动控制水平越来越强，使得采用自动变缸技术智能变缸技术成为可能。对于装用电子燃油喷射系统或高压共轨系统的柴油机，每缸燃油喷射都由独立的电子电路组成，由电子燃油喷射控制器控制，因此各缸点火顺序、是否点火都可以由控制器动态调节，这就为变缸技术提供了基础，在不需要安装额外装备的前提下，可以通过增加电子燃油控制的程序策略，实现变缸功能，柴油机可靠性得到保证。

关键词 柴油机;自动变缸;积油积碳

1变缸技术发展现状

（1）汽车行业发展现状。汽车行业巨大的应用市场和变缸技术对燃油经济性的改善，自动变缸技术在汽车发动机领域率先实现了研发和应用，汽车发动机变缸技术原理是指发动机在部分负荷下运行时，通过相关机构切断部分气缸的燃油供给、点火和进排气，停止其工作，使剩余工作气缸负荷率增大，以提高效率，降低燃油消耗。

（2）内燃机车行业发展现状。目前在一些大功率内燃机车柴油机上也装用了自动变缸技术，例如德国MTU公司的16V4000R43型柴油机、20V4000R63型柴油机，CAT公司的3512型柴油机、3516型柴油机进行了自动变缸技术改造，仅进行断油停缸，根据机车工况负载的大小按照一定次序循环切断一部分气缸，能够有效减少未完全燃烧燃油通过排气管泄露的情况。美国EMD公司在双列式柴油机上，为减少柴油机怠速时的有害排放，同样采用了自动切换燃油的变缸方式[1]。

2内燃机车柴油机变缸技术试验分析

本章以某12缸型机车柴油机为研究对象，通过试验对比评定的方法来分析内燃机车柴油机变缸技术对柴油机各指标参数的影响，以及对影响柴油机积油积碳的效果，最终确定出最佳的变缸方案。

（1）变缸试验工况和模式。根据变缸试验工况，变缸试验工况选择该机车柴油机怠速挡位的100%、200%、300%、400%功率，以研究适合该机车柴油机变缸的最佳工况。根据变缸模式及发火顺序，不同变缸模式尽可能选取较为均匀的发火角度，以最大限度的控制变缸后的柴油机振动、噪音及转速稳定性。

（2）试验仪器。试验用测量仪器主要包括排放测量仪、角标仪、振动测量仪、噪音测量仪、燃油消耗仪、传感器等。通过排放测量仪测量排气中的NOx、THC、CO浓度，通过角标仪测量曲轴扭振角位移，通过振动测量仪测量柴油机整机振动情况，通过传感器测量柴油机转速、增压器转速、各缸排气温度、油水温度、增压空气压力。其他测量参数包括柴油机功率、柴油机噪音、燃油消耗率等。

（3）试验方式及过程。试验过程中，在原电喷控制软件程序界面内，按照变缸模式，通过手动的方式切断部分气缸的燃油供给，来实现部分气缸运行的控制。在电喷控制断油软件示例中，12个气缸中分别各切断两侧的3个气缸，进行6缸发火的运行模式。

试验分为两个阶段，第一阶段为柴油机性能参数对比试验：分别按照表6对各低负荷工况进行12缸（不变缸）、8缸、6缸、4缸运行试验，对柴油机过量空气系数、燃油油耗量、增压器转速、气缸排气温度、转速稳定性、振动、噪音、排放等参数进行对比分析。

第二阶段为积油积碳对比试验：经过第一阶段试验，选择出最优变缸模式，分别在不变缸模式和最佳变缸模式下长期运行，时间各100小时。试验后对燃烧系统部件进行拆检，检查对比变缸对积油积碳的影响。

（4）试验结果分析。变缸对过量空气系数的影响。在各变缸试验的过量空气系数测量值，随着变缸数量的增加，运行气缸的过量空气系数变小，由于功率较低，变缸后过量空气系数仍高于中速柴油机的经验过量空气系数范围。导致過量空气系数减小的原因是运行气缸燃油喷射量的增大。①变缸对柴油机振动的影响。在各变缸试验的柴油机振动测量值，变缸后柴油机振动呈增大趋势。在6缸单侧变缸时，柴油机振动上升较明显。振动增大的主要来源于Y方向位移的增大，尤其是在左侧变缸时，曲轴旋转方向与气缸做功方向相同，柴油机振动最大。由于转速和功率较低，变缸后柴油机振动烈度等级仍处于正常工作状态。在观察各变缸试验的曲轴扭振测量值，变缸后曲轴及减震器的扭转振幅呈增大趋势，但均未超过于该柴油机0.5°deg的许用要求。②变缸对柴油机排放的影响。观察可以看出，随着变缸数量的增加，各工况的CO、HC有害排放物明显改善，未工作气缸的新鲜空气和工作气缸的燃烧改善是排放改善的主要原因。分析原因，变缸后将各缸的燃烧做功时间缩短一半，减少了燃油喷射时间;变缸后改善了喷油效率和燃烧状态，减少了未燃烧的燃油;变缸后燃烧做功的气缸温度大大提高，高温有利于清除燃烧系统中积油。

3结束语

（1）变缸可行性：内燃机车柴油机在电子控制燃油喷射技术基础上，增加变缸软件控制程序，能够实现断油智能变缸。从理论分析和试验方面来看，采用断油智能变缸技术能够改善气缸燃烧状态，有效降低积碳。

（2）变缸方式：不同于汽车发动机部分负荷工况下的节油目的，调车机车柴油机主要目的是为了降低低负荷下的积油积碳。由于调车机车柴油机低负荷油耗很小，节油空间十分有限，加之低负荷断气效果有限，难度和风险较高，因此建议只进行断油变缸，不进行断气设计。

（3）变缸效果：变缸对燃油消耗率、柴油机振动、曲轴扭转、噪音的影响不大，对柴油机CO、HC排放改善明显，能够明显的提高排温，能够改善柴油机低工况下积油和积碳问题。

参考文献

[1] 武涛，李元平，孔毅，等.汽油机停缸节油技术应用与展望[J].上海汽车，2010（11）：38-41.

作者简介

李鹏飞（1990-），吉林双辽人;学历：本科，职称：工程师，现就职单位：大连机车车辆有限公司，研究方向：机械制造。