如何解决天然气汽车机油消耗量大的问题

目前,商用车天然气发动机大多是以柴油机为基础机型研发而来的,为最大降低开发成本和保持与柴油机零部件的互换性,很多结构并没有根据天然气发动机燃烧特性做专门开发,这直接导致了天然气发动机在市场上出现了很多问题,机油消耗量高就是其中一项。

某天然气汽车在用户使用试验中发现机油消耗量很大。整车运行时的平均质量为40吨,路线固定:西宁至南通,往返里程约4450km,其中山区高速公路514 km,山区国道266 km,高速公路1445km,全程平原高速占40%。试验过程中,司机反映往返一趟需要加机油18L,换算出的机燃比约为0.897%,而同类型柴油车辆只需要加注1.5L左右。机油消耗量严重超标。

此款汽车用的天然气发动机为点燃式天然气发动机,排量11L,供给方式采用电控多点集中喷射。燃料与空气在进气总管前端的混合器内完成混合,然后进入气缸,燃烧过程为均质燃烧。为了调控发动机输出功率,发动机需要控制进入缸内的混合气量,因此在进气管上安装了节气门,实现量的调节。

天然气发动机低速、小负荷时,随着节气门开度减小,气缸内压力逐渐由正压变为负压。气缸内形成的负压会将机油吸入到气缸内烧掉,这种现象在怠速进气冲程时表现的尤为严重。图1是发动机在1900r/min、全负荷下柴油机和天然气发动机缸压曲线对比,这时的缸压都还是正压力。图2是1000r/min转速、25%负荷下的缸压曲线对比,从图中可以看出低速小负荷时,部分曲轴转角内出现了负压值。

如何解决天然气汽车机油消耗量大的问题

图1 额定转速缸压曲线

如何解决天然气汽车机油消耗量大的问题

图2 缸压曲线对比

另一个影响机油消耗量的工况是反拖工况,换句话说,重型车辆在下长坡时需要反拖发动机产生阻力,起到辅助制动的作用。由于天然气进气总管有节气门的节流作用,这种反拖工况会使进气管和缸内真空度陡然增加。下图是进气管真空度的对比图,由图可见,节气门节流作用对进气真空度压力的影响相差80~90kPa。在这个负压的影响下,机油经气阀杆与导管间隙进入气道,致使机油消耗量过高。

如何解决天然气汽车机油消耗量大的问题

进气管直空度对比

由于负压的存在,窜机油主要发生在缸内和进气管内。在对气门油封、油环、气环、油环槽改进后,重新对发动机机油消耗量进行了测试。

这里需要指出的是GB 18297-2001《汽车发动机性能试验方法》进行的机油消耗量试验并不适合此类发动机,全速全负荷工况并不是燃气机的最大消耗量工况点,其试验不能体现发动机低速小负荷和反拖工况时的机油消耗量。在自定义的试验方法中设计了怠速工况、低速小负荷工况、常用工况和反拖工况。同时考虑到发动机在怠速工况运行时间过长,会因缸内大量机油造成火花塞过渡积碳结焦,怠速工况时间较短。

测试结果显示优化后的设计使此款天然气发动机机油消耗量下降了86%。


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