新聞主題	影響柴油發電機竄氣量大的因素和預防措施

 

摘要：竄氣量是評價柴油機性能的關鍵指標之一，竄氣量大對柴油機的不利影響主要有加速機油老化，降低機油粘度，不利于潤滑；增加曲軸箱壓力，導致密封件漏油；阻礙活塞下行，影響柴油機功率。其中，活塞竄氣量占柴油機總竄氣量的比值高達70%。因此，降低活塞竄氣一直是康明斯發動機公司的重要課題之一，本文對影響柴油發電機竄氣影響因素進行了分析，并論述了降低和預防氣缸竄氣的措施和方法。

 

一、活塞竄氣量模型建立

 

      柴油機燃燒室的密封依靠活塞、活塞環和缸孔三者之間的相互配合來實現，降低活塞竄氣可以從活塞型線、活塞環型線、環的開口間隙等諸多角度入手。但是，在正向設計過程中，由于時間和經濟成本的制約，無法用臺架試驗對每一個優化方案進行試驗驗證。因此，我們利用軟件仿真平臺，對基本型方案進行試驗標定，在可靠的仿真模型基礎上，對優化方案進行仿真計算和對比，選擇出最佳方案，大大提高了多方案比選的經濟可靠性。

1、活塞竄氣量動力學模型

      活塞環伴隨著活塞上下往復運動時，其運動形式表現為沿氣缸軸向運動和活塞環徑向運動，運動過程中所受載荷見圖1,氣缸軸向方向載荷包括往復慣性力、活塞環與缸套之間的摩擦力氣體壓力、活塞環與潤滑油產生的阻尼力和使活塞環產生彎曲變形的環彎力F,活塞環在環徑向所受載荷包括活塞環張力氣體壓力、活塞環與環槽之間的摩擦力和油膜壓力。

2、活塞竄氣量分析輸入邊界

      以某款直列四缸柴油機為分析模型，在ExcitePR中建立活塞竄氣量計算動力學分析模型：缸體、活塞、活塞銷、活塞環組、連桿。柴油機實際運轉中，缸體、活塞和環組的熱態型線是影響竄氣量大小的重要因素，因此，獲得缸體等部件的熱態型線成為計算的關鍵輸入。由于實際無法測量熱態型線，因此，本文中型線定義采用在冷態型線上加溫度場引起的熱變形來獲得熱態型線。

3、原因分析

      為查找竄氣量增大的原因，首先查看試驗過程記錄，試驗記錄中缸內壓強數據始終處于設計范圍內，無異常燃燒情況。對被測柴油機進行拆解后檢查活塞安裝正確、無并口的問題，且無異常磨損痕跡。為進一步排除其它部件問題，進一步進行了零部件匹配互換，缸蓋、缸體、活塞互換等排查，最終故障零件鎖定為活塞環組件，初步分析是由于主要漏氣通道的尺寸參數存在問題。根據以上排查，樣件質量、裝配和環境均無異常，重點懷疑為活塞環及其配合參數不合理，導致活塞竄氣量大。

4、活塞環組動力學模型建立

      該柴油機的活塞環組動力學模型如圖1所示，建立活塞環組動力學模型，模型中包括活塞、活塞銷、連桿、氣缸襯套、活塞環組(包括一環、二環以及彈簧內撐式油環)。并對該模型進行如下假設：

① 僅考慮在主推力面和次推力面所構成的平面內的活塞運動；

② 僅考慮柴油機額定轉速工況，即忽略轉速不均勻對活塞環組的影響；

③ 采用有限元縮減模型法建立活塞、襯套的彈性體模型，而連桿、曲軸、活塞銷和軸承均采用剛性體單元環，并忽略各鉸連接的間隙。

      為充分考慮活塞、活塞環及襯套的熱態，首先以測量得到的活塞溫度場作為熱載荷，并根據材料熱膨脹系數，計算活塞的熱態輪廓，如圖2所示。

 

圖1  活塞環組動力學模型示意圖

圖2  柴油機活塞熱態輪廓示意圖

 

二、竄氣量大的影響因素

 

      柴油機活塞竄氣量（Blow by）是柴油發電機組運行過程中的關鍵參數。竄氣量大不僅可以導致發動機功率降低、曲軸箱壓力過高、機油消耗增加、加速機油變質、破壞油膜，嚴重時會導致拉缸、抱軸等故障。造成竄氣量大的原因有很多，如圖3所示。根據康明斯公司的故障信息統計情況來看，竄氣量大的故障，大多數為活塞環、活塞及缸套之間的封氣通道失效，如圖3所示。針對柴油機竄氣量大問題，在失效模式分析的基礎上，對柴油發電機結構及參數對漏氣量的影響開展了深入分析。 

 

圖3  柴油機竄氣量大故障分析圖

圖4  活塞環密封度對竄氣影響

 

1、活塞環槽下側面倒角的影響

      活塞環槽下側面與活塞環下側面直接配合，構成了防止燃氣通過環槽間隙的主要密封表面，所以對環槽的加工質量要求較高。為保證貼合面的接觸質量，不允許出現任何微小、局部的凸起或貫穿密封面的劃痕，否則會造成竄氣量的異常增大。

      通常情況下，為保護環槽兩側外邊緣免于損壞，還要在環槽外邊緣略微進行倒角。但由于第一道環槽下側面的倒角正好位于第一道活塞環的下面，會加劇第一道環的不穩定運動，因而對竄氣和機油耗起著十分不利的影響。圖5和圖6的變化曲線揭示了該處倒角大小與竄氣量的變化關系與尖角環岸邊緣（倒角為0）相對照，若加工0.5mm的倒角，竄氣量約從40L/min猛烈增加到80L/min。在設計和加工此處倒角時比較合理的倒角大小選擇是 0.1、0.2mm。因此，在對活塞環槽進行加工和裝配過程中，對第一道環槽的倒角一定要特別的小心，不允許出現倒角尺寸過大以及磕碰、加工毛刺等微小凸起。

      根據經驗，其余幾道環岸邊緣倒角對竄氣沒有重大的影響，但必須防止出現毛刺。

 

圖5  環槽深度對竄氣量的影響曲線圖

圖6  環槽深度對竄氣量的影響局部放大圖

 

2、頂岸間隙的影響

      頂岸間隙對活塞環密封系統能否穩定工作十分重要，過小的頂岸間隙不利于燃燒室內燃氣壓力向活塞環部位的迅速傳遞，因此，頂岸間隙必須大到可以保證燃氣能夠順暢地到達活塞環密封系統所在的頂環環槽處。

      設計頂岸間隙的大小還必須同時考慮高負荷工況下缸套嚴重磨損問題，這種磨損是由覆蓋在活塞頂岸上積炭磨光引起的。為防止積炭磨光，也需要加大活塞頂岸與缸壁的間隙，使積炭層增厚至不再能得到足夠的粘接力而自行剝落。但是，過大的頂岸間隙會把頂環過多地暴露在高溫、高壓的燃氣中，從而加大頂環的熱負荷。因此，有必要考察加大頂岸間隙對燃油耗、煙度、排氣成分是否有影響，頂環的溫度是否顯著上升等，影響曲線如圖7所示。一般來說，采用錐形頂岸間隙可以得到比較理想的結果。

3、活塞環邊緣形狀的影響

      為防止裝配活塞環時在棱邊處產生的毛刺或尖銳凸起劃傷缸套表面，活塞環外棱邊必須進行倒角或修圓處理。但由于頂環下棱邊倒角和頂環下方活塞環槽的倒角會共同形成一個容納燃氣的小間隙，且分布在整個圓周方向上，致使活塞環的密封壓力減少，竄氣量增大。

      倒角大小或修圓后的圓角大小對竄氣量的影響與前述第一道環槽下側面倒角對竄氣量的影響基本相同。在其他條件不變的情況下，隨著第一道活塞環邊緣倒角或圓角半徑的增加，竄氣量會大大增加。因此，第一道環下棱邊應盡量采用小倒角過渡，推薦的倒角大小為0.1、0.2mm。在進行發電機組竄氣試驗時，工作面為桶面的活塞環下棱邊雖然加工成尖角，可是在磨合初期竄氣量仍有些偏離，只有在桶面環磨合到下端面尖角處之后，竄氣量才會減少。

      究竟采用多大的倒角，才能既有效控制竄氣量，又能控制加工成本，保持合理的性價比，對此，采用表1所示的四種倒角型式進行了專門的試驗研究。試驗結果采用常規倒角結果為基準1的相對值。

表1   四種活塞環倒角的竄氣量試驗值

      從表中可以看出，磨削倒角和磨削圓角得到比常規倒角好得多的結果。然而，最大0．10mm的磨削倒角在其制造工藝中存在某些困難，加工成本較高，最大0.20mm磨削圓角是比較合適的工藝方案。

4、切口形狀的影響

      很多柴油機制造商曾經試圖改變活塞環的切口形狀來減少竄氣量，比如采用斜切口、搭接切口等形式，但試驗效果并不理想。實踐證明活塞環切口形狀對竄氣量的影響不大。

5、活塞環外圓面的影響

      近年來，活塞環有減少軸向高度的發展趨勢，以免活塞環振顫并減少摩擦。但這有時會帶來嚴重的竄氣量波動問題，批量生產中可以看到發電機組的竄氣量十分不規則，即在配相同的發電機組時，有的竄氣量很低，有的則大大超過規定值。這是由第一道活塞環受到氣體壓力而變形，活塞環頂部外邊緣與缸壁接觸而造成的。

      因此，為了提高初期磨合性和抗擦傷性，第一道環滑動面通常設計成桶形。桶面度愈小，竄氣量愈少。由于采用桶面環取得了補償效果，批量生產中所有發電機組的竄氣量基本達到了一致。然而如前所述，為充分發揮活塞環工作面下棱緣的尖角效果，要求活塞環既不能太凸出，也不能在氣體壓力下變形而使環工作面下邊緣不再與缸壁相接觸。為此， ·還有必要采用其他方法補償變形，例如采用內倒角或錐面氣環等技術措施。

6、開口間隙的影響

      單獨減少第一道活塞環的開口間隙對減少竄氣量的作用不大，活塞環安裝要求如圖8所示。根據DIN標準，活塞環開口間隙的減少有一個極限范圍，因為在高負荷（即高溫）條件下，環的開口間隙可能會消失，有可能引起活塞環卡死。一般竄氣量會隨開口間隙的增大而增加。開口間隙增加0.5mm，約相當于活塞環徑向磨損了0.08mm，即接近于活塞環鍍鉻層厚度。開口間隙增加到上述數量級時，所引起的竄氣量的增加仍然在允許的范圍內。但如果開口間隙增加超過0.5mm，則竄氣量會急劇升高。

      如果將柴油機第一和第二道環的開口間隙同時進行考慮，清況又會有所不同。開口間隙C設計成C第一道< C第一道，稱之為C平衡，由于環組壓力的合理分配，能夠起到降低柴油機竄氣量和機油耗的作用。這種設計可盡量減少通過第一道環開口間隙流入第二道環岸的燃氣流量，同時加大通過第道環開口間隙流入第三環岸的燃氣流量，從而降低第二環岸處的氣體壓力，減少了第二環岸對第一道環向上的推力，頂環維持穩定的密封壓力，弱化了頂環的不穩定運動，即保持了活塞環密封系統的動態平衡。

7、活塞環數量的影響

       試驗反復表明，只要活塞環不是因不利的間隙或設計而削弱自身的功能，對于非增壓和增壓發電機組燃燒室來說，三道活塞環完全可以滿足密封要求。氣環數量過多，以試圖增加所謂的迷宮效應來降低竄氣量，實際證明是得不償失的，較少的活塞環數量能夠更好地發揮C平衡效果，維持密封系統的動態穩定性。出于這種考慮，近來甚至出現了只有頂環和油環的雙環結構。

8、機油的影響

      機油含水量超標會嚴重影響發電機組竄氣的控制，在批量生產實際中，由于機油的反復使用，常常出現大批發電機組竄氣量突然增大的奇怪現象。這往往是由于重復使用的機油中水分沒有及時清除干凈，造成機油品質大幅下降，因此，必須及時對重復使用的機油進行脫水處理。

 

圖7  頂岸間隙對竄氣量的影響曲線圖

圖8  柴油機活塞環裝配要求

 

三、降低竄氣量的措施和方法

 

1、提高柴油機的修配質量

（1）提高氣缸套的鏜磨和裝配質量

      研究表明，采用光潔的凸臺網紋表面鏜磨技術:如圖b），可改善缸套的貯油性和磨合性，減少活塞、活塞環和氣缸磨合時的刮傷和擦傷，有效降低竄氣量其性能指標如下：

① 交叉線痕跡角度β=22～32°，兩個方向均勻加工；且要求磨削清晰、無金屬撕裂和皺褶現象。

② 凸臺網紋微觀不平度平均值20～30μm（范圍15～35μm）；交叉線痕深度平均值4~6.5μm（范圍2.5～8μm）；寬度平均值10～15μm（范圍5～23 μ m）。

③ 凸臺占表面積的1/2～2/3、且無壓光、擠光和顆粒嵌入現象。

      另外，在缸套選配和安裝時，防止因安裝方法不當造成局部變形、傾斜和應力集中，特別是濕式缸套，應選用合格的缸套水封膠圈，對一些采用不同顏色和特硃形式的水封圈（如“矩形“、“d”等），應注意不要裝錯、裝反，氣缸套安裝后，上平面凸出量應嚴格控制在規定的范圍（一般為0.06～0.13mm）之內；氣缸蓋螺栓的扭矩應均勻且附合規定。

（2）正確選用和裝配活塞環

      選用的活塞環應無銹蝕、扭曲和變形.且“三隙”必須符合規定要求，活塞環槽上、下端面應光潔.無銹蝕、劃痕和污物 組裝活塞環時、活塞環口應禁止隨意擴張和壓縮，以防產生軸向扭曲；活寒環裝入環槽時.必須用專用工具、防止因裝配方法不當而使活塞環在環槽內出現上下扭曲，產生永久變形；活塞連桿組裝入氣缸時.禁止猛打猛敲，以防止活塞環與氣缸發生磕碰而導致損傷、裂紋和應力集中等。

2、正確使用和維護柴油機

（1）切實做好新機及大修后柴油機磨合運轉，保養和清洗工作。

（2）加注的冷卻水應是無污染的軟水，對一些裝有防腐蝕化學劑（DCA）水濾器的冷卻系統，應禁止頻繁更換冷卻水，以免影響DCA含量，加速缸套的穴蝕破壞及外表面結垢。

（3）應根據氣候、環境和柴油機的性能等因素，正確選用燃油：認真調整和校正噴油（點火）提前角和噴油壓力，確保柴油機正常工作。

（4）注重空氣、機油及燃油濾清器的清潔和保養工作.及時更換濾芯。

（5）柴油發電機冬季運轉時，機油應保持正常工作溫度，防止在低溫狀態下，負荷猛增猛減及長時間的怠速工作，并盡量減少冷起動次數及在高溫狀態下頻繁熄火等。

3、合理選用潤滑油的粘度等級

      粘度等級選用的原則必須滿足柴油機在各種工況.環境溫度下啟動快、具有高效的清洗、密封作用、磨擦損失小、柴油機的工作可靠性和經濟性高。所以必須根據環境溫度、柴油機工況、技術性能等因素合理選用。一般新機或剛大修后柴油機在走合期，技術狀況優良、磨損小的柴油機，經常停歇、短途行駛、柴油機起動頻繁的機械和車輛等、在保證潤滑的前提下、應優先選用粘度較低的潤滑油。技術狀況差，磨損嚴重以及經常在氣溫較高的環境下作業則應選用粘度較大的潤滑油，以保證良好的密封性。

 

總結：

      正常情況下，從柴油機活塞及活塞環組件漏出的氣體數應為進氣量的1%以下，當柴油機竄氣量超過規定值時，將引起功率損失增大、燃油消耗率上升、潤滑油被惡化。在這些現象的基礎上，分析產生的原因，然后對癥下藥，予以排除，同時采取有效措施進行預防，以杜絕此類故障的發生。

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