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影響柴油發(fā)電機(jī)竄氣量大的因素和預(yù)防措施 |
摘要：竄氣量是評價柴油機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，竄氣量大對柴油機(jī)的不利影響主要有加速機(jī)油老化，降低機(jī)油粘度，不利于潤滑；增加曲軸箱壓力，導(dǎo)致密封件漏油；阻礙活塞下行，影響柴油機(jī)功率。其中，活塞竄氣量占柴油機(jī)總竄氣量的比值高達(dá)70%。因此，降低活塞竄氣一直是康明斯發(fā)動機(jī)公司的重要課題之一，本文對影響柴油發(fā)電機(jī)竄氣影響因素進(jìn)行了分析，并論述了降低和預(yù)防氣缸竄氣的措施和方法。
一、活塞竄氣量模型建立
柴油機(jī)燃燒室的密封依靠活塞、活塞環(huán)和缸孔三者之間的相互配合來實現(xiàn)，降低活塞竄氣可以從活塞型線、活塞環(huán)型線、環(huán)的開口間隙等諸多角度入手。但是，在正向設(shè)計過程中，由于時間和經(jīng)濟(jì)成本的制約，無法用臺架試驗對每一個優(yōu)化方案進(jìn)行試驗驗證。因此，我們利用軟件仿真平臺，對基本型方案進(jìn)行試驗標(biāo)定，在可靠的仿真模型基礎(chǔ)上，對優(yōu)化方案進(jìn)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(jīng)濟(jì)可靠性。
1、活塞竄氣量動力學(xué)模型
活塞環(huán)伴隨著活塞上下往復(fù)運動時，其運動形式表現(xiàn)為沿氣缸軸向運動和活塞環(huán)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(fù)慣性力、活塞環(huán)與缸套之間的摩擦力氣體壓力、活塞環(huán)與潤滑油產(chǎn)生的阻尼力和使活塞環(huán)產(chǎn)生彎曲變形的環(huán)彎力F,活塞環(huán)在環(huán)徑向所受載荷包括活塞環(huán)張力氣體壓力、活塞環(huán)與環(huán)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(jī)為分析模型，在ExcitePR中建立活塞竄氣量計算動力學(xué)分析模型：缸體、活塞、活塞銷、活塞環(huán)組、連桿。柴油機(jī)實際運轉(zhuǎn)中，缸體、活塞和環(huán)組的熱態(tài)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(tài)型線成為計算的關(guān)鍵輸入。由于實際無法測量熱態(tài)型線，因此，本文中型線定義采用在冷態(tài)型線上加溫度場引起的熱變形來獲得熱態(tài)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(nèi)壓強(qiáng)數(shù)據(jù)始終處于設(shè)計范圍內(nèi)，無異常燃燒情況。對被測柴油機(jī)進(jìn)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(jìn)一步排除其它部件問題，進(jìn)一步進(jìn)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(huán)組件，初步分析是由于主要漏氣通道的尺寸參數(shù)存在問題。根據(jù)以上排查，樣件質(zhì)量、裝配和環(huán)境均無異常，重點懷疑為活塞環(huán)及其配合參數(shù)不合理，導(dǎo)致活塞竄氣量大。
4、活塞環(huán)組動力學(xué)模型建立
該柴油機(jī)的活塞環(huán)組動力學(xué)模型如圖1所示，建立活塞環(huán)組動力學(xué)模型，模型中包括活塞、活塞銷、連桿、氣缸襯套、活塞環(huán)組(包括一環(huán)、二環(huán)以及彈簧內(nèi)撐式油環(huán))。并對該模型進(jìn)行如下假設(shè)：
① 僅考慮在主推力面和次推力面所構(gòu)成的平面內(nèi)的活塞運動；
② 僅考慮柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速工況，即忽略轉(zhuǎn)速不均勻?qū)钊h(huán)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(huán)，并忽略各鉸連接的間隙。
為充分考慮活塞、活塞環(huán)及襯套的熱態(tài)，首先以測量得到的活塞溫度場作為熱載荷，并根據(jù)材料熱膨脹系數(shù)，計算活塞的熱態(tài)輪廓，如圖2所示。
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圖1 活塞環(huán)組動力學(xué)模型示意圖 |
圖2 柴油機(jī)活塞熱態(tài)輪廓示意圖 |
二、竄氣量大的影響因素
柴油機(jī)活塞竄氣量（Blow by）是柴油發(fā)電機(jī)組運行過程中的關(guān)鍵參數(shù)。竄氣量大不僅可以導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率降低、曲軸箱壓力過高、機(jī)油消耗增加、加速機(jī)油變質(zhì)、破壞油膜，嚴(yán)重時會導(dǎo)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(jù)康明斯公司的故障信息統(tǒng)計情況來看，竄氣量大的故障，大多數(shù)為活塞環(huán)、活塞及缸套之間的封氣通道失效，如圖3所示。針對柴油機(jī)竄氣量大問題，在失效模式分析的基礎(chǔ)上，對柴油發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及參數(shù)對漏氣量的影響開展了深入分析。
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圖3 柴油機(jī)竄氣量大故障分析圖 |
圖4 活塞環(huán)密封度對竄氣影響 |
1、活塞環(huán)槽下側(cè)面倒角的影響
活塞環(huán)槽下側(cè)面與活塞環(huán)下側(cè)面直接配合，構(gòu)成了防止燃?xì)馔ㄟ^環(huán)槽間隙的主要密封表面，所以對環(huán)槽的加工質(zhì)量要求較高。為保證貼合面的接觸質(zhì)量，不允許出現(xiàn)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(hù)環(huán)槽兩側(cè)外邊緣免于損壞，還要在環(huán)槽外邊緣略微進(jìn)行倒角。但由于第一道環(huán)槽下側(cè)面的倒角正好位于第一道活塞環(huán)的下面，會加劇第一道環(huán)的不穩(wěn)定運動，因而對竄氣和機(jī)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(guān)系與尖角環(huán)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(shè)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(huán)槽進(jìn)行加工和裝配過程中，對第一道環(huán)槽的倒角一定要特別的小心，不允許出現(xiàn)倒角尺寸過大以及磕碰、加工毛刺等微小凸起。
根據(jù)經(jīng)驗，其余幾道環(huán)岸邊緣倒角對竄氣沒有重大的影響，但必須防止出現(xiàn)毛刺。
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圖5 環(huán)槽深度對竄氣量的影響曲線圖 |
圖6 環(huán)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(huán)密封系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作十分重要，過小的頂岸間隙不利于燃燒室內(nèi)燃?xì)鈮毫ο蚧钊h(huán)部位的迅速傳遞，因此，頂岸間隙必須大到可以保證燃?xì)饽軌蝽槙车氐竭_(dá)活塞環(huán)密封系統(tǒng)所在的頂環(huán)環(huán)槽處。
設(shè)計頂岸間隙的大小還必須同時考慮高負(fù)荷工況下缸套嚴(yán)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。
3、活塞環(huán)邊緣形狀的影響
為防止裝配活塞環(huán)時在棱邊處產(chǎn)生的毛刺或尖銳凸起劃傷缸套表面，活塞環(huán)外棱邊必須進(jìn)行倒角或修圓處理。但由于頂環(huán)下棱邊倒角和頂環(huán)下方活塞環(huán)槽的倒角會共同形成一個容納燃?xì)獾男￠g隙，且分布在整個圓周方向上，致使活塞環(huán)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(huán)槽下側(cè)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(huán)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(huán)下棱邊應(yīng)盡量采用小倒角過渡，推薦的倒角大小為0.1、0.2mm。在進(jìn)行發(fā)電機(jī)組竄氣試驗時，工作面為桶面的活塞環(huán)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(huán)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(jìn)行了專門的試驗研究。試驗結(jié)果采用常規(guī)倒角結(jié)果為基準(zhǔn)1的相對值。
表1 四種活塞環(huán)倒角的竄氣量試驗值
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實測值
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倒角形式
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竄氣量
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常規(guī)倒角：實測值0.28m
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規(guī)格0.15、0.40mm
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1.00
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磨削倒角：實測值0.10m
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規(guī)格最大0.10m × 45°
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0.87
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磨削倒角：實測值 0.20m
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規(guī)格最大0.20m× 45°
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0.86
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磨削圓角：實測值0.14m
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規(guī)格最大0.20m
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0.66
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從表中可以看出，磨削倒角和磨削圓角得到比常規(guī)倒角好得多的結(jié)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(jī)制造商曾經(jīng)試圖改變活塞環(huán)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(huán)切口形狀對竄氣量的影響不大。
5、活塞環(huán)外圓面的影響
近年來，活塞環(huán)有減少軸向高度的發(fā)展趨勢，以免活塞環(huán)振顫并減少摩擦。但這有時會帶來嚴(yán)重的竄氣量波動問題，批量生產(chǎn)中可以看到發(fā)電機(jī)組的竄氣量十分不規(guī)則，即在配相同的發(fā)電機(jī)組時，有的竄氣量很低，有的則大大超過規(guī)定值。這是由第一道活塞環(huán)受到氣體壓力而變形，活塞環(huán)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(huán)滑動面通常設(shè)計成桶形。桶面度愈小，竄氣量愈少。由于采用桶面環(huán)取得了補(bǔ)償效果，批量生產(chǎn)中所有發(fā)電機(jī)組的竄氣量基本達(dá)到了一致。然而如前所述，為充分發(fā)揮活塞環(huán)工作面下棱緣的尖角效果，要求活塞環(huán)既不能太凸出，也不能在氣體壓力下變形而使環(huán)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(bǔ)償變形，例如采用內(nèi)倒角或錐面氣環(huán)等技術(shù)措施。
6、開口間隙的影響
單獨減少第一道活塞環(huán)的開口間隙對減少竄氣量的作用不大，活塞環(huán)安裝要求如圖8所示。根據(jù)DIN標(biāo)準(zhǔn)，活塞環(huán)開口間隙的減少有一個極限范圍，因為在高負(fù)荷（即高溫）條件下，環(huán)的開口間隙可能會消失，有可能引起活塞環(huán)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(dāng)于活塞環(huán)徑向磨損了0.08mm，即接近于活塞環(huán)鍍鉻層厚度。開口間隙增加到上述數(shù)量級時，所引起的竄氣量的增加仍然在允許的范圍內(nèi)。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(jī)第一和第二道環(huán)的開口間隙同時進(jìn)行考慮，清況又會有所不同。開口間隙C設(shè)計成C第一道< C第一道，稱之為C平衡，由于環(huán)組壓力的合理分配，能夠起到降低柴油機(jī)竄氣量和機(jī)油耗的作用。這種設(shè)計可盡量減少通過第一道環(huán)開口間隙流入第二道環(huán)岸的燃?xì)饬髁浚瑫r加大通過第
道環(huán)開口間隙流入第三環(huán)岸的燃?xì)饬髁浚瑥亩档偷诙h(huán)岸處的氣體壓力，減少了第二環(huán)岸對第一道環(huán)向上的推力，頂環(huán)維持穩(wěn)定的密封壓力，弱化了頂環(huán)的不穩(wěn)定運動，即保持了活塞環(huán)密封系統(tǒng)的動態(tài)平衡。
7、活塞環(huán)數(shù)量的影響
試驗反復(fù)表明，只要活塞環(huán)不是因不利的間隙或設(shè)計而削弱自身的功能，對于非增壓和增壓發(fā)電機(jī)組燃燒室來說，三道活塞環(huán)完全可以滿足密封要求。
8、機(jī)油的影響
機(jī)油含水量超標(biāo)會嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)組竄氣的控制，在批量生產(chǎn)實際中，由于機(jī)油的反復(fù)使用，常常出現(xiàn)大批發(fā)電機(jī)組竄氣量突然增大的奇怪現(xiàn)象。這往往是由于重復(fù)使用的機(jī)油中水分沒有及時清除干凈，造成機(jī)油品質(zhì)大幅下降，因此，必須及時對重復(fù)使用的機(jī)油進(jìn)行脫水處理。
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圖7 頂岸間隙對竄氣量的影響曲線圖 |
圖8 柴油機(jī)活塞環(huán)裝配要求 |
三、降低竄氣量的措施和方法
1、提高柴油機(jī)的修配質(zhì)量
（1）提高氣缸套的鏜磨和裝配質(zhì)量
研究表明，采用光潔的凸臺網(wǎng)紋表面鏜磨技術(shù):如圖b），可改善缸套的貯油性和磨合性，減少活塞、活塞環(huán)和氣缸磨合時的刮傷和擦傷，有效降低竄氣量其性能指標(biāo)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(xiàn)象。
② 凸臺網(wǎng)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(xiàn)象。
另外，在缸套選配和安裝時，防止因安裝方法不當(dāng)造成局部變形、傾斜和應(yīng)力集中，特別是濕式缸套，應(yīng)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(yīng)注意不要裝錯、裝反，氣缸套安裝后，上平面凸出量應(yīng)嚴(yán)格控制在規(guī)定的范圍（一般為0.06～0.13mm）之內(nèi)；氣缸蓋螺栓的扭矩應(yīng)均勻且附合規(guī)定。
（2）正確選用和裝配活塞環(huán)
選用的活塞環(huán)應(yīng)無銹蝕、扭曲和變形.且“三隙”必須符合規(guī)定要求，活塞環(huán)槽上、下端面應(yīng)光潔.無銹蝕、劃痕和污物 組裝活塞環(huán)時、活塞環(huán)口應(yīng)禁止隨意擴(kuò)張和壓縮，以防產(chǎn)生軸向扭曲；活寒環(huán)裝入環(huán)槽時.必須用專用工具、防止因裝配方法不當(dāng)而使活塞環(huán)在環(huán)槽內(nèi)出現(xiàn)上下扭曲，產(chǎn)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(huán)與氣缸發(fā)生磕碰而導(dǎo)致?lián)p傷、裂紋和應(yīng)力集中等。
2、正確使用和維護(hù)柴油機(jī)
（1）切實做好新機(jī)及大修后柴油機(jī)磨合運轉(zhuǎn)，保養(yǎng)和清洗工作。
（2）加注的冷卻水應(yīng)是無污染的軟水，對一些裝有防腐蝕化學(xué)劑（DCA）水濾器的冷卻系統(tǒng)，應(yīng)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(jié)垢。
（3）應(yīng)根據(jù)氣候、環(huán)境和柴油機(jī)的性能等因素，正確選用燃油：認(rèn)真調(diào)整和校正噴油（點火）提前角和噴油壓力，確保柴油機(jī)正常工作。
（4）注重空氣、機(jī)油及燃油濾清器的清潔和保養(yǎng)工作.及時更換濾芯。
（5）柴油發(fā)電機(jī)冬季運轉(zhuǎn)時，機(jī)油應(yīng)保持正常工作溫度，防止在低溫狀態(tài)下，負(fù)荷猛增猛減及長時間的怠速工作，并盡量減少冷起動次數(shù)及在高溫狀態(tài)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(jī)在各種工況.環(huán)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(jī)的工作可靠性和經(jīng)濟(jì)性高。所以必須根據(jù)環(huán)境溫度、柴油機(jī)工況、技術(shù)性能等因素合理選用。一般新機(jī)或剛大修后柴油機(jī)在走合期，技術(shù)狀況優(yōu)良、磨損小的柴油機(jī)，經(jīng)常停歇、短途行駛、柴油機(jī)起動頻繁的機(jī)械和車輛等、在保證潤滑的前提下、應(yīng)優(yōu)先選用粘度較低的潤滑油。技術(shù)狀況差，磨損嚴(yán)重以及經(jīng)常在氣溫較高的環(huán)境下作業(yè)則應(yīng)選用粘度較大的潤滑油，以保證良好的密封性。
總結(jié)：
正常情況下，從柴油機(jī)活塞及活塞環(huán)組件漏出的氣體數(shù)應(yīng)為進(jìn)氣量的1%以下，當(dāng)柴油機(jī)竄氣量超過規(guī)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(xiàn)象的基礎(chǔ)上，分析產(chǎn)生的原因，然后對癥下藥，予以排除，同時采取有效措施進(jìn)行預(yù)防，以杜絕此類故障的發(fā)生。
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