曲轴箱通风口海拔模拟条件对柴油机运行的影响

张兴刚，孔冰，冀树德，刘志刚，张探军，魏鹏程

(1.中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400；2.山西柴油机工业有限责任公司，山西 大同 037036)

柴油机作为重要的动力源，在我国高原地区各个领域应用非常广泛，其高原特性也是设计定型考核的一项非常重要的指标。通常，应用于高原地区的柴油机在研发设计过程中会开展一系列的高原适应性研究，以通过台架的方式解决柴油机应用到实际高原地区可能出现各种问题，也尽可能减少应用后大量问题暴露以致重新设计改进的环节[1]。

目前，柴油机高原环境模拟装置主要分为仅能模拟进排气环境的模拟系统和能够实现整机高原环境模拟的高原环境模拟舱。相比于高原环境模拟舱，仅模拟进排气环境的模拟系统结构更加简单，建设成本和运维成本，尤其是试验成本较低，更适用于大规模开展试验研究。然而，进排气环境模拟系统只对柴油机进气和排气进行高原环境模拟，其他部分仍处于试验室环境，不是整机处于高原模拟环境条件中，与实际高原环境条件相比存在一定的差距。

通过前期高原环境模拟试验对比，发现基于进排气模拟的高原环境模拟系统总体满足高原环境模拟的需要，但在环境模拟试验中出现了进气系统窜机油等具体问题。此外，采用进排气环境模拟系统时，曲轴箱未处于模拟状态，也需要进一步研究其对柴油机工作的影响。

针对上述问题，本研究主要就高原环境模拟系统与实际高原条件间存在的差异，开展海拔条件模拟差异对柴油机高原性能的影响研究，确定相关因素及影响程度，从而促进柴油机高原性能设计验证工作的有效开展。

1 高原模拟与实际差异特征分析

研究对象为四冲程V6增压中冷柴油机，V形夹角90°，发火顺序为1—4—5—2—3—6，直列泵喷射系统，干式油底壳。

柴油机高原环境模拟采用进排气高原环境模拟系统[2]，柴油机高原环境模拟连接结构见图1。高原环境模拟系统最大模拟海拔4 500 m，控制精度±50 Pa，可模拟最大进气量10 000 kg/h。以此为前提，进行柴油机高原环境模拟及实际高原环境差异分析。

图1 柴油机高原环境模拟连接结构

柴油机进气和排气管路连接高原环境模拟系统，已处于高原环境条件。柴油机曲轴箱通风系统与试验室环境连通，当海拔模拟条件与试验室环境条件不一致时，曲轴箱通风系统便与实际存在差异。另外，柴油机整机处于试验室模拟环境条件，与实际也存在差异，但对柴油机运行的影响主要集中于温度差异引起的换热差异，与海拔关系不大。

因此，对于柴油机试验来说，进排气高原环境模拟系统与真实高原环境间的差异，主要集中在曲轴箱通风系统是否高原环境模拟。

2 曲轴箱未高原模拟导致的窜油问题分析

采用进排气高原环境模拟系统进行海拔4 500 m模拟试验时，曲轴箱通风口处于试验室环境，即曲轴箱通风口与模拟环境间存在压力差。试验结束后，对增压器压气机连接的管路进行拆解，发现进气管路有窜机油问题(见图2)。

图2 压气机进气管路窜出的机油

根据增压器润滑油路可知，柴油机润滑油经机油泵加压后流至各润滑点，增压器轴系便是润滑点之一。机油由增压器轴系润滑管路入口进入，经内部分布管路对轴承进行润滑，然后经轴承与轴及轴承体配合间隙泄压流出，再经出口回到油底壳，然后经外循环机油泵回油箱，开始新一轮的循环(见图3)。由此可见，增压器轴系润滑油出口与曲轴箱直接连通。

图3 增压器润滑油路走向

增压器轴系采用环形密封结构，存在侧向间隙、径向间隙、开口间隙3种结构，因此采用此种密封结构理论上气体是可以流通的。

采用增压器实际使用时的安装方式，构建单压气机的试验台架，在压气机入口按照一定压力充入空气，在压气机背盘侧采用流量计测量气体量(见图4)。

图4 增压器轴系间隙介质流通量测量示意

调整3种结构的间隙量分析其影响程度，结果见图5。由图5知，侧向间隙对介质流通量的影响最大。

图5 增压器轴系间隙改变时介质流通量

然而，即便是影响最大的侧向间隙结构，在进行非高原环境运行试验时，其并未出现窜油的情况。为此，对高原环境模拟的情况进行进一步分析。

假设增压器轴承体下腔内气体压力为q2，压气机入口压力为q1。增压器轴承体下腔与曲轴箱连通，因而q2与曲轴箱内压力相同；压气机入口连接环境模拟系统，故q1与环境模拟压力相同。

在不同转速外特性工况时，q1和q2的变化情况见图6。随着转速增加，曲轴箱废气出口在3种海拔环境时的压力q2几乎相同，接近试验室环境压力，但增压器压气机进气口的压力q1降低，随着海拔增加亦降低。在海拔1 000 m，800 r/min外特性工况时，q1和q2的压差几乎为0，但标定工况时q1和q2的压差已增加至6.6 kPa；在海拔3 400 m，800 r/min外特性工况时q1和q2的压差为19.2 kPa，标定工况时q1和q2的压差达到28.2 kPa；在海拔4 500 m，800 r/min外特性工况时q1和q2的压差为27.4 kPa，标定工况时q1和q2的压差达到35.5 kPa。由此可见，采用进排气高原环境模拟时，随着模拟海拔的增加，增压器轴系密封环两侧的压差会增加，压气机背盘侧的压力高于压气机腔体，在压气机腔体侧呈现负压。

图6 不同海拔q1和q2的测量结果

在实际使用中，增压器轴系的侧向间隙是必然存在的，高原环境模拟时压气侧的负压也随海拔增加而增加，侧向间隙及压气侧负压的增加，共同导致了润滑介质窜入压气侧。

3 曲轴箱未高原模拟对柴油机其他性能的影响

3.1 数学模型设计

如图7所示，柴油机活塞往复运动进行缸内工质燃烧，活塞、气环、油环及气缸套所形成几何结构的密封性是关键。活塞环开口沿活塞轴向相互错开，构成迷宫式结构，从而实现密封。然而，由于活塞组与缸套间隙、活塞环开口间隙以及环内侧配合间隙的存在，缸内部分混合气体会经过这些间隙窜至曲轴箱。

图7 窜气几何通路示意

第1气环、第2气环、油环3组活塞环与活塞及缸套共形成2个气室，假设环间气室内气体均匀、可压缩、成分不可变，气室内各个位置的气体压力和温度相同，忽略泄漏气体与周围壁面间的换热，气室内气体流动可简化为一维气体流动[2-4,6]。

对于气室i内气体压力pi随时间的变化，可按照理想气体状态方程计算：

dpi=RgTi(G(i-1)i-Gi(i+1))/Vidt。

(1)

式中：pi为第i个气室内燃气的压力；Rg为燃气的气体常数；Ti为第i个气室内燃气的温度；G(i-1)i为第(i-1)个气室窜入第i个气室燃气的流量；Gi(i+1)为第i个气室窜入第(i+1)个气室燃气的流量；Vi为第i个气室的容积。

考虑第i气室前后气室压力的关系符合p(i-1)>pi>p(i+1)，G(i-1)i表示燃气从第(i-1)气室窜入第i气室的气体流量(如图8)，其计算公式为

(2)

图8 第i室气体状态关系

式中：φ为窜气流量系数，取0.86；A(i-1)i为气体经活塞组与缸套间隙窜气流通的面积；k为窜动气体的比热容。

3.2 模型计算实现

利用相关几何参数及相关分析计算工具[5]，各腔室的气体温度、第0位置气体压力可以确定，第3位置气体压力取环境模拟压力，于是构成了窜气量、气室压力等未知的一阶微分方程(0表示燃烧室部分空间，1表示第1气室，2表示第2气室，3表示曲轴箱空间，以下同)。同时，窜气量的计算转换为气体压力的计算。当pi/pi-1>0.528，p1和p2的二元一阶微分方程可表示为

由于p1和p2未知，由其构成的一阶微分方程只能通过迭代计算，采用四阶龙格-库塔法进行计算，计算流程如图9所示。各已知量赋值，包括窜气通道的截面积、气室容积腔的体积、燃烧室气压力、气室气体温度、曲轴箱气体压力、气体比热容等，对p1和p2赋初始值，配置时间计算长度范围和计算步长，迭代计算，计算每一角度时气室1和气室2的气体压力，直至最大范围长度，进行判断，满足要求，输出结果。

图9 气室气体压力计算流程

3.3 计算结果分析

在标定工况，曲轴箱通风分别处于试验室环境和海拔环境，分析二者间的差异。

3.3.1 曲轴箱通风处于试验室环境条件

柴油机进排气进行海拔4 500 m高原环境模拟，曲轴箱通风处于试验室环境压力。

如图10所示，燃烧室燃气压力在上止点后8°达到最大值10.4 MPa；第1气室压力滞后14°达到最大值6.3 MPa，压力衰减39.4%；第2气室压力相对于燃烧室燃气压力，滞后20°达到最大值5.7 MPa，相对于燃烧室压力衰减45.2%，相对于第1气室压力衰减9.5%；最后，经油环后气体压力接近大气环境压力。在燃烧室气体压力经峰值后开始下降时，第1气室和第2气室压力并未立即下降，而是在增长一段时间后才下降，出现此种情况是因为上一级气室的压力在下降过程中仍高于下一级气室的压力。经过这一系列过程，燃烧室燃气实现了经活塞组-缸套间隙的窜动。第1气室和第2气室气体压力在整个循环的变化类似于燃烧室燃气压力，在上止点前90°(即在压缩后半程)压力开始出现明显滞后。相比较而言，第1气室气体压力衰减更大；在上止点后30°，燃烧室、第1气室、第2气室间的气体压力又基本达到了平衡，下降趋势基本一致。

图10 曲轴箱处于试验室环境下气室内气体压力计算结果

各个气室缺口窜动气体的流量变化类似于气室气体压力的变化(见图11)，都是第1环大于第2环，第2环大于第3环，而且都是第2室滞后于第1室，滞后于燃烧室。在整个循环中，第1环窜气最大速度为1.22 mg/s，第2环窜气最大速度为0.78 mg/s，油环窜气最大速度为0.62 mg/s，在上止点后27°油环气体窜动量开始大于1环和2环，同时2环也总体高于1环。在上止点后260°，3个环窜气速度基本达到一致，即燃烧室窜动气体并未及时排出，而是在第1气室和第2气室积聚后，才慢慢排出。

图11 曲轴箱处于试验室环境下活塞窜气量计算结果

此外，尽管上止点后30° 3个容积腔的气体压力达到基本的平衡，但这是一个动态平衡的过程，此时第1气室的压力出现暂时大于燃烧室气体压力的现象，气流开始由第1气室反向流入燃烧室，这种情形一直持续到70°ATDC～90°ATDC。整个循环，燃烧室通过3个环窜入曲轴箱的气量依次为63.8，57.1，57 mg，即燃烧室燃气经活塞环窜出的气体并未全部进入大气，其中6.7 mg返回到了燃烧室，进入大气的占89.3%。最终决定该活塞组-缸套的窜气量应以油环为准，故可以计算柴油机在标定工况活塞窜气流量为65.3 L/min。

3.3.2 曲轴箱通风处于海拔环境条件

曲轴箱通风与柴油机进排气处于相同的海拔模拟环境，同为海拔4 500 m高原模拟环境。各气室气体压力和窜气量的变化趋势类似于曲轴箱通风试验室环境的情况(见图12和图13)，在整个工作循中，3个活塞环的窜气量依次为64.5 mg(回流7 mg)，57.5 mg，57.4 mg，计算活塞窜气流量为65.7 L/min，相比试验室环境增加0.4 L/min。

图12 曲轴箱处于海拔4 500 m环境下气室内气体压力计算结果

图13 曲轴箱处于海拔4 500 m环境下活塞窜气量计算结果

对比曲轴箱通风两种海拔时气室压力的差异，结果见图14。由图知，上止点前30°至下止点前10°，两种情况各气室气体压力差异几乎为0，在进气、压缩及排气冲程时差异变得明显。总的来看，试验室环境条件大气压力更高，对气体窜出有阻止作用，因而第1气室、第2气室压力更高，在曲轴转角-250°时第1气室气体压差最大，为5 kPa，在曲轴转角-253°时第2气室气体压差最大，为8 kPa。在整个循环，曲轴箱处于试验室环境时，第1气室气体压力累积比曲轴箱处于海拔4 500 m环境时高0.82 MPa。

图14 曲轴箱通风两种海拔气室压力对比

对比上述两种情况发现，曲轴箱未进行高原环境模拟(即处于高于模拟压力的试验室环境)时，缸内气体经活塞、缸套、活塞环配合间隙窜出量会减少，缸内燃烧压力会增加，柴油机性能因而得到改善。

4 试验验证

结合前面的分析，利用相同的试验样机，在实际高原环境进行相应的试验，即在海拔4 500 m实际高原地区，柴油机进气、排气、曲轴箱通风处于相同海拔环境中，开展外特性试验，与台架模拟系统4 500 m海拔模拟试验情况进行对比。

柴油机曲轴箱通风口流通气体受活塞往复运动的影响，气体压力存在的一定的波动，为此基于实际测量值拟合绘制趋势线(见图15和图16)。

图15 曲轴箱与进排气系统处于相同海拔环境下的曲轴箱通风口压力

图16 曲轴箱处于试验室环境下的曲轴箱通风口压力

海拔4 500 m时，曲轴箱和进排气系统处于相同海拔环境条件时，曲轴箱通风口废气压力随转速基本呈现增长趋势，最大压力为0.8 kPa(见图15)；曲轴箱处于试验室环境，进排气处于模拟海拔环境时，曲轴箱通风口废气压力随转速变化不大，或基本不变，压力维持在0.2 kPa附近(见图16)。在海拔4 500 m，曲轴箱和进排气系统处于相同海拔环境条件时，曲轴箱通风口废气压力最大值是曲轴箱和进排气系统处于不同海拔环境条件时的4倍，考虑试验室环境模拟时环境压力导致的气体压缩率(根据压力差异该值约为1.5)，曲轴箱和进排气系统处于相同海拔环境时曲轴箱通风口废气压力最大值仍比他们处于不同海拔环境条件时的最大压力值大62.5%，由此可见，上述通过模拟计算得到的结果是合理的。对比两种情况下柴油机标定功率，海拔4 500 m曲轴箱处于模拟环境时，柴油机功率测试结果总体下降1%。说明曲轴箱通风口是否为海拔环境模拟对柴油机窜气量是有影响的，高于海拔模拟压力时，阻滞气体窜出，加强了活塞环、缸套及活塞的密封，从而提升柴油机性能。

海拔1 000 m时，曲轴箱处于试验室环境，与进排气模拟海拔环境条件达到了一致。此时，曲轴箱通风口废气压力随转速基本呈现增长趋势(见图15和图16)，与实际高原地区环境时变化趋势是一致的，最大压力值为0.55 kPa。这也进一步验证曲轴箱通风口是否为海拔环境模拟对柴油机窜气量是有影响的。

此外，曲轴箱通风口海拔4 500 m环境试验后，对增压器压气机连接的管路进行拆解，发现实际高原地区时管路没有窜机油问题，这也验证了压气机进气管路压差是产生窜机油的主要原因。

5 结束语

采用进排气高原环境模拟系统进行柴油机台架高原性能试验时，曲轴箱通风口未进行海拔条件模拟，压气机进气管路会出现窜机油问题，曲轴箱内部空间压力环境与压气机背盘侧气体空间存在较大负压是产生该问题的主要原因。此外，曲轴箱未进行高原环境模拟时，曲轴箱通风口处于高于模拟压力的试验室环境条件，柴油机缸内工质工作经活塞环、缸套及活塞所形成间隙窜出的气体量会受到影响，会阻滞气体的窜出，起到密封加强的作用，从而改善运行性能。