蔡秋濤，馬洪亮

(中國(guó)石油大連潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，遼寧大連116032)

進(jìn)氣濕度對(duì)內(nèi)燃機(jī)油清凈性評(píng)定的影響

蔡秋濤，馬洪亮

(中國(guó)石油大連潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，遼寧大連116032)

為了研究發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度對(duì)清凈性評(píng)定的影響，模擬了不同進(jìn)氣濕度對(duì)試驗(yàn)工況產(chǎn)生的影響。試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)燃機(jī)油清凈性評(píng)定臺(tái)架上進(jìn)行，進(jìn)氣濕度由專門(mén)的濕度控制系統(tǒng)精確控制，選取不同的進(jìn)氣濕度點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:在其他參數(shù)恒定控制的條件下，隨著進(jìn)氣濕度的變化，油耗和排溫也隨著有明顯的變化，因此導(dǎo)致燃燒室內(nèi)工質(zhì)燃燒溫度和壓力的變化，這就必然影響到活塞表面沉積物的形成和沉積。通過(guò)這些有規(guī)律的變化可以得出這樣的結(jié)論，不同的進(jìn)氣濕度對(duì)活塞的清凈性會(huì)產(chǎn)生影響。

潤(rùn)滑油;清凈性臺(tái)架;柴油機(jī);進(jìn)氣濕度;控制系統(tǒng)

Abstract:In order to study the effect of engine intake air humidity on detergency evaluation，different intake air humidities were simulated to test its influence on working conditions.The test was performed on the standard detergency evaluation test bench of internal combustion engine oil.The intake air humidity was controlled precisely by special humidity control system and different intake air humidity spots were selected for this test.The test results showed that，when other parameters are constant，along with the change of intake air humidity，fuel consumption and exhaust temperature change apparently，so the temperature and pressure of burning propellant change in combustion chamber，which will inevitably affect the formation and deposition of sediment on piston surface.Through these regular changes，it can be concluded that different engine intake air humidities will have an impact on piston detergency.

Key words:lubricant;detergency evaluation test bench;diesel engine;intake air humidity;control system

0 引言

臺(tái)架試驗(yàn)是潤(rùn)滑油最重要的評(píng)定手段，進(jìn)氣濕度對(duì)內(nèi)燃機(jī)油清凈性評(píng)定的影響在國(guó)外已經(jīng)有人進(jìn)行了研究，由于我國(guó)內(nèi)燃機(jī)油規(guī)格直接采用API標(biāo)準(zhǔn)，所以國(guó)內(nèi)在這一方面的認(rèn)識(shí)還不多。在API標(biāo)準(zhǔn)中，凡是清凈性臺(tái)架都有嚴(yán)格的進(jìn)氣濕度要求，在建立我國(guó)自己的清凈性臺(tái)架標(biāo)準(zhǔn)或OEM臺(tái)架標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)注重進(jìn)氣濕度這一工況參數(shù)并加以精確控制。

試驗(yàn)證明，進(jìn)氣濕度變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況存在一定的影響，由于燃燒室溫度和壓力的變化，必然影響工質(zhì)在燃燒過(guò)程中生成物和沉積物的形成性質(zhì)和數(shù)量。如果燃油的含硫量較高，不同的進(jìn)氣濕度對(duì)燃燒室的腐蝕程度也不相同。如果不加以精確穩(wěn)定控制，就會(huì)對(duì)潤(rùn)滑油性能指標(biāo)的一致性評(píng)定造成影響，對(duì)內(nèi)燃機(jī)油研究設(shè)計(jì)，產(chǎn)品質(zhì)量控制等均帶來(lái)了一定困難。因此，在制訂我國(guó)自己的內(nèi)燃機(jī)油清凈性評(píng)定臺(tái)架標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)對(duì)進(jìn)氣濕度嚴(yán)格控制。為了研究不同進(jìn)氣濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響，在Caterpillar 1M－PC臺(tái)架上，分別設(shè)定不同的進(jìn)氣濕度工況，以研究不同的進(jìn)氣濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。

臺(tái)架使用獨(dú)立的濕度控制系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制。試驗(yàn)中選取不同的進(jìn)氣濕度點(diǎn)來(lái)考察對(duì)試驗(yàn)工況的影響和活塞頂部沉積物生成條件的改變。也為今后我國(guó)自行建立潤(rùn)滑油規(guī)格，建立自己的專用潤(rùn)滑油評(píng)定臺(tái)架和OEM臺(tái)架試驗(yàn)方法，提供和積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 清凈性臺(tái)架與進(jìn)氣濕度控制

1.1 試驗(yàn)臺(tái)架

由于我國(guó)內(nèi)燃機(jī)油等效采用美國(guó)API規(guī)格，針對(duì)不同規(guī)格的柴油機(jī)油也相應(yīng)地引進(jìn)API清凈性評(píng)定臺(tái)架，如:API Caterpillar 1M－PC、1K、1N、1P、1R等臺(tái)架。試驗(yàn)結(jié)果是對(duì)活塞環(huán)組沉積物數(shù)量和性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要是對(duì)活塞及活塞環(huán)槽沉積物，環(huán)黏結(jié)等進(jìn)行評(píng)價(jià)。不同臺(tái)架控制參數(shù)也各不相同。試驗(yàn)在特定的轉(zhuǎn)速、功率、油耗、溫度、壓力等條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。為保證試驗(yàn)精度，主要試驗(yàn)條件都有專門(mén)的輔助控制系統(tǒng)經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。

1.2 進(jìn)氣濕度控制

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)氣濕度準(zhǔn)確控制，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)臺(tái)架專門(mén)附加一套進(jìn)氣濕度控制系統(tǒng)。本文引用與API標(biāo)準(zhǔn)相同的含濕量概念來(lái)表達(dá)進(jìn)氣濕度，即:每公斤干空氣所含有水蒸汽量(g/kg)稱為含濕量。已知的API清凈性臺(tái)架進(jìn)氣濕度均控制在(17.8±1.7)g/kg范圍內(nèi)。

2 試驗(yàn)臺(tái)架及濕度控制系統(tǒng)

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架

1M－PC臺(tái)架是API評(píng)定柴油機(jī)油高溫清凈性的試驗(yàn)臺(tái)架。

臺(tái)架試驗(yàn)采用Caterpillar公司生產(chǎn)的1Y73非直噴兩氣門(mén)專用增壓?jiǎn)胃撞裼蜋C(jī)，排量為2.2 L，功率31 kW，缸徑為130 mm，活塞行程165 mm，壓縮比16.4∶1。

能夠自動(dòng)閉環(huán)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣壓力、進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣濕度、冷卻液溫度、主油道溫度等參數(shù)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，使參數(shù)恒定控制在規(guī)定范圍內(nèi)。

2.2 進(jìn)氣濕度控制系統(tǒng)及工作原理

使用經(jīng)穩(wěn)壓控制后壓縮空氣作為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣源，經(jīng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)將進(jìn)氣溫度和濕度控制在規(guī)定的試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，見(jiàn)圖1。

將管道蒸汽直接引入試驗(yàn)室作為進(jìn)氣加濕的蒸汽源，經(jīng)控制系統(tǒng)進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣加濕。系統(tǒng)中安裝加濕和恒溫裝置，即在加熱穩(wěn)壓罐上安裝濕度傳感器(維薩拉濕度傳感器)，傳感器將采集的濕度信號(hào)輸送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，再將信號(hào)輸送給電器執(zhí)行器，通過(guò)控制氣動(dòng)隔膜閥的開(kāi)度來(lái)控制蒸汽的加入量，試驗(yàn)時(shí)將進(jìn)氣濕度控制在(17.8±1.7)g/kg(水蒸汽質(zhì)量/干空氣質(zhì)量)范圍內(nèi)。

進(jìn)氣系統(tǒng)流程是:壓縮空氣→加濕裝置→穩(wěn)壓罐→控制閥→加溫穩(wěn)壓罐→進(jìn)氣管→發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣穩(wěn)壓、恒溫、濕度控制系統(tǒng)流程

3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中，控制系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)恒定控制，并嚴(yán)格控制在規(guī)定范圍內(nèi)(見(jiàn)表1)，進(jìn)氣濕度在0～20 g/kg范圍內(nèi)均勻選擇20個(gè)工況點(diǎn)從小到大遞增，每個(gè)工況點(diǎn)濕度的波動(dòng)范圍在±1.7 g/kg范圍內(nèi)，各工況點(diǎn)運(yùn)行時(shí)間直到各控制參數(shù)長(zhǎng)期穩(wěn)定在控制的規(guī)定范圍內(nèi)，試驗(yàn)多次反復(fù)進(jìn)行。在每個(gè)濕度點(diǎn)記錄并觀察其與油耗和排溫的變化規(guī)律。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況

4 試驗(yàn)結(jié)果

在0～20 g/kg范圍內(nèi)選擇20個(gè)濕度工況點(diǎn)從小到大依次增加，觀察進(jìn)氣濕度與油耗和排溫的函數(shù)關(guān)系，如圖2、圖3、圖4所示。

圖2 濕度與排溫關(guān)系曲線

圖3 濕度與油耗關(guān)系曲線

圖4 油耗與排溫關(guān)系曲線

從圖2中看出排溫隨進(jìn)氣濕度的變化曲線。隨著濕度增加，排溫有所下降，但濕度增加到5 g/kg時(shí)曲線就不再是下降的趨勢(shì)。從5 g/kg起始一直到18 g/kg時(shí)，曲線進(jìn)入一段平臺(tái)期，這時(shí)排溫保持在一定范圍內(nèi)基本不變，當(dāng)濕度達(dá)到18 g/kg繼續(xù)增加時(shí)，排溫開(kāi)始快速上升。

從圖3看出油耗隨進(jìn)氣濕度變化的關(guān)系曲線。隨著濕度增加，油耗開(kāi)始有所下降，但濕度增加到5 g/kg時(shí)曲線就不再是下降的趨勢(shì)。從5 g/kg起始一直到18 g/kg時(shí)，曲線進(jìn)入平臺(tái)期，油耗保持在一定范圍內(nèi)基本不變，當(dāng)濕度達(dá)到18 g/kg并繼續(xù)增加時(shí)，油耗開(kāi)始快速上升。

圖4是油耗和排溫的關(guān)系曲線，濕度的變化使得燃燒室的工質(zhì)產(chǎn)生變化，燃燒室溫度和壓力的變化導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率改變，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)要維持發(fā)動(dòng)機(jī)的恒定功率，就必須調(diào)整油門(mén)行程，改變供油量。因此濕度變化使得供油量改變，供油量(油耗)的改變直接導(dǎo)致排溫的改變。

5 分析

重復(fù)的大量對(duì)比試驗(yàn)表明，在不同的進(jìn)氣濕度條件下，濕度變化對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度有明顯影響。濕度較小時(shí)，改善了燃燒，增加了功率;濕度增加到中間段，發(fā)動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)定階段，沒(méi)有明顯變化;濕度繼續(xù)增加到后面階段，發(fā)動(dòng)機(jī)功率明顯下降。

由于燃燒室?guī)в蓄A(yù)燃室，燃燒的持續(xù)時(shí)間比直噴發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)，此時(shí)可燃混合氣燃燒完全，油耗和排溫穩(wěn)定在一定范圍值內(nèi)，在發(fā)動(dòng)機(jī)控制參數(shù)和機(jī)械裝配不改變的情況下，排氣溫度變化直接反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室工質(zhì)燃燒溫度的變化，而這個(gè)溫度決定活塞沉積物的生成和成長(zhǎng)。

5.1 第一階段:油耗、排溫下降

進(jìn)氣濕度從0逐漸增至5時(shí)，油耗和排氣溫度也隨之降低，達(dá)到5 g/kg時(shí)，排氣溫度平均下降32，油耗平均下降1 kg/h。

這是因?yàn)?柴油機(jī)的燃燒過(guò)程同時(shí)也包括混合氣的形成過(guò)程，在燃燒室內(nèi)混合氣的形成過(guò)程與燃燒過(guò)程是交織在一起的，噴嘴噴出的每個(gè)油粒都依次經(jīng)過(guò)霧化、受熱蒸發(fā)、與空氣混合、氧化燃燒等過(guò)程，加濕空氣進(jìn)入燃燒室與預(yù)燃室噴出的燃燒狀態(tài)的霧化柴油混合，受熱膨脹的濕空氣使柴油顆粒進(jìn)一步霧化和高度分散，混合更加均勻，燃燒更加充分。另外，燃燒室內(nèi)含水蒸氣的加濕空氣與油氣分布更均勻，溫度場(chǎng)更均勻，燃燒速度加快，混合氣后燃現(xiàn)象減少。因加濕而導(dǎo)致的燃油最大放熱率增加的同時(shí)，放熱率峰值發(fā)生期平緩?fù)七t，但燃燒終了時(shí)刻不變。也就是說(shuō)，燃燒維持期縮短。

另外，濕氣受熱膨脹，大量吸收燃燒室中熾熱零部件的熱量和工質(zhì)燃燒中不均衡的熱量，使自己成為過(guò)熱蒸汽而繼續(xù)膨脹，從而降低缸內(nèi)燃燒溫度。避免了燃燒區(qū)局部溫度過(guò)高，削弱了油的熱分解，使油燃燒更充分，此時(shí)燃燒狀況好轉(zhuǎn)，減少沉積物，使功率增加降低能耗。

國(guó)內(nèi)外在環(huán)保排放方面也做了很多進(jìn)氣加濕的試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，適當(dāng)給進(jìn)氣加濕，在改善燃燒增加功率的同時(shí)使煙度排放等明顯下降。

5.2 第二階段:平臺(tái)期

隨著進(jìn)氣濕度的繼續(xù)增加，濕度對(duì)燃燒的良性改善就逐漸消失。

進(jìn)氣濕度點(diǎn)在5～18 g/kg變化范圍時(shí)，曲線進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)期。油耗和排氣溫度沒(méi)有明顯變化，排溫的平均值在(580±20)范圍波動(dòng)。雖然進(jìn)氣加濕改變了燃燒室的燃燒工質(zhì)，但燃油消耗量基本沒(méi)什么變化，此時(shí)的最高燃燒壓力基本維持不變，或者說(shuō)，有利和不利的因素相互抵消。

5.3 第三階段:油耗、排溫上升

進(jìn)氣濕度點(diǎn)達(dá)到18 g/kg并繼續(xù)增加時(shí)，油耗和排溫開(kāi)始明顯上升，說(shuō)明進(jìn)氣濕度增加到此時(shí)已經(jīng)影響燃燒室工質(zhì)的燃燒。隨著濕度增加，著火延時(shí)增加的傾向就越明顯，隨著濕度繼續(xù)增加，著火延時(shí)明顯增大，這意味著大的濕度使做功行程中缸內(nèi)氣體的溫度和壓力降低。在燃油量沒(méi)有改變的前提下，進(jìn)氣濕度的持續(xù)增加，能夠引起最高燃燒壓力降低，這種功率下降的趨勢(shì)只有通過(guò)增加供油量才能恢復(fù)。

控制系統(tǒng)為了維持恒定的轉(zhuǎn)數(shù)和功率輸出，油門(mén)執(zhí)行器加大供油量，導(dǎo)致油耗增加。供油量的增加和濕度的增加延長(zhǎng)了燃料在燃燒室燃燒的時(shí)間，由于燃燒終了時(shí)間后滯，使排氣溫度明顯升高。

6 結(jié)論

(1)不同的進(jìn)氣濕度對(duì)燃燒室燃燒工質(zhì)做功的影響是不同的，進(jìn)氣加濕既可以改善燃燒，增加功率;也可以影響燃燒降低功率。

(2)進(jìn)氣濕度是發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)定臺(tái)架的主要控制參數(shù)，對(duì)進(jìn)氣不同的加濕度能夠改變?nèi)紵胰紵墓べ|(zhì)，進(jìn)而改變?nèi)紵夜べ|(zhì)燃燒的溫度和壓力，而這個(gè)溫度和壓力決定燃燒室沉積物的生成和成長(zhǎng)的反應(yīng)條件。最終影響活塞沉積物生成和沉積的性質(zhì)和數(shù)量。

(3)不久的將來(lái)我國(guó)必然自行建立內(nèi)燃機(jī)油油品規(guī)格，清凈性標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架和評(píng)價(jià)內(nèi)燃機(jī)油的OEM臺(tái)架應(yīng)有進(jìn)氣濕度控制系統(tǒng)，對(duì)濕度值加以精確控制，以保證潤(rùn)滑油清凈性評(píng)定數(shù)據(jù)的可靠準(zhǔn)確。

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Influence of Engine Intake Air Humidity on Detergency Evaluation of Internal Combustion Engine Oil

CAI Qiu－tao，MA Hong－liang
(PetroChina Dalian Lubricating Oil R＆D Institute，Dalian 116032，China)

TE626.32

A

2012－06－18。

蔡秋濤(1962－)，男，工程師，1986年畢業(yè)于沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院工程運(yùn)輸機(jī)械專業(yè)，現(xiàn)從事潤(rùn)滑油臺(tái)架試驗(yàn)的開(kāi)發(fā)、研究及評(píng)定工作，曾公開(kāi)發(fā)表論文數(shù)篇。

1002-3119(2012)05-0051-04