某柴油機(jī)在功率提升改進(jìn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題分析及解決途徑

童順波

摘 要：文章研究某柴油機(jī)在功率提升設(shè)計(jì)改進(jìn)中遇到的問(wèn)題，分析了柴油機(jī)功率提升后曲軸、氣缸套、活塞、活塞環(huán)等主要零部件機(jī)械和熱負(fù)荷狀況，并對(duì)這些零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)，改進(jìn)后的零部件通過(guò)了性能和耐久試驗(yàn)，滿足了柴油機(jī)功率提升的要求。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；功率提升；改進(jìn)途徑

1 問(wèn)題的提出

現(xiàn)代柴油機(jī)發(fā)展局勢(shì)是升功率越來(lái)越大，同時(shí)滿足不斷嚴(yán)格的排放法規(guī)要求。我司某型號(hào)柴油機(jī)增壓后功率強(qiáng)化目標(biāo)65KW/r/min，但改進(jìn)前實(shí)際最大功率為53kW/r/min，若功率大于53kW/r/min，柴油機(jī)曲軸箱通風(fēng)裝置排出的氣體會(huì)明顯增大，同時(shí)伴有明顯的機(jī)油耗增加現(xiàn)象（增加30%）。

2 為解決功率提升過(guò)程遇到的問(wèn)題，對(duì)柴油機(jī)關(guān)鍵零部件分析，以找出改進(jìn)方案

2.1 對(duì)柴油機(jī)原氣缸套工作時(shí)產(chǎn)生的相對(duì)變形量進(jìn)行校核

氣缸套的相對(duì)變形

δ=t/l=PNmax·l·l（3·l·E·J）

式中：t-由于氣缸側(cè)壓力產(chǎn)生的彎曲撓度；

E-材料的彈性模數(shù)；

PNmax-氣缸最大側(cè)壓力；

J=π/64（D-D4）-氣缸截面的慣性矩。

δ的許用值≤0.001；實(shí)際計(jì)算δ為0.0013，顯示氣缸套剛度不滿足功率提升后要求。

氣缸套受到柴油機(jī)燃燒的爆發(fā)壓力和活塞的側(cè)壓力。正常情況下，氣缸套與活塞環(huán)貼合良好。當(dāng)氣缸套剛度差，因變形量大產(chǎn)生失圓，缸套和活塞環(huán)之間產(chǎn)生縫隙，燃燒氣體從縫隙中流出，活塞環(huán)刮機(jī)油作用減弱，造成柴油機(jī)曲軸箱通風(fēng)裝置排氣量加大，并帶有排機(jī)油顆?，F(xiàn)象，機(jī)油耗增加。如果變形量過(guò)大超出設(shè)計(jì)值，缸套和活塞環(huán)之間接觸不均勻，造成局部接觸應(yīng)力高，潤(rùn)滑油膜遭到破壞，柴油機(jī)易出現(xiàn)拉缸。

2.2 對(duì)功率提升后曲軸強(qiáng)度分析

原柴油機(jī)曲軸材料為QT900-2，表面氮化處理。通過(guò)的曲軸的強(qiáng)度校核發(fā)現(xiàn)，曲軸的強(qiáng)度安全系數(shù)為1.74（要求安全系數(shù)n≥1.8），原曲軸強(qiáng)度設(shè)計(jì)不能滿足強(qiáng)化后柴油機(jī)要求。

球鐵曲軸滾壓圓角后，疲勞強(qiáng)度能提高30%以上，與曲軸相關(guān)裝配的零部件結(jié)構(gòu)無(wú)需改變。曲軸強(qiáng)度校核發(fā)現(xiàn)，將曲軸采用氮化加滾壓圓角的工藝方法滿足柴油機(jī)功率強(qiáng)化到65KW/2400r/min功率要求，準(zhǔn)備裝用氮化滾壓圓角曲軸進(jìn)行試驗(yàn)。

3 改進(jìn)方案實(shí)施

提高氣缸套的剛度方法：（1）增加氣缸套厚度可增加剛度，但柴油機(jī)機(jī)體缸套部分水腔體積相應(yīng)會(huì)減小，不利于缸套散熱，而柴油機(jī)功率提升后熱負(fù)荷卻增大，因此該方案不可取。（2）將缸套下支撐向上移動(dòng)15mm，增加缸套支撐剛度，從而減少缸套振動(dòng)。該方案柴油機(jī)機(jī)體和缸套改動(dòng)較小，效果明顯，方案可行。柴油機(jī)曲軸由氮化曲軸改為氮化滾壓圓角曲軸，曲軸材料不變。

4 改進(jìn)后性能試驗(yàn)

將裝氣缸套下支撐上移、滾壓圓角曲軸的柴油機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，柴油機(jī)性能達(dá)到改進(jìn)預(yù)期目的，改進(jìn)前后對(duì)比數(shù)據(jù)如表1。

5 可靠性試驗(yàn)情況

將裝氣缸套下支撐上移、滾壓圓角曲軸的柴油機(jī)進(jìn)行功率提升后可靠性試驗(yàn)，開(kāi)始柴油機(jī)工作時(shí)各項(xiàng)性能指標(biāo)表現(xiàn)正常，當(dāng)柴油機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)200小時(shí)后，柴油機(jī)曲軸箱通風(fēng)裝置排氣量開(kāi)始增大，并有輕微的排機(jī)油現(xiàn)象，同時(shí)排氣溫度也比可靠性試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)升高25℃，可靠性試驗(yàn)終止。拆開(kāi)柴油機(jī)進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，氣缸套有拉缸現(xiàn)象，活塞環(huán)磨損嚴(yán)重，磨損后的活塞環(huán)開(kāi)口間隙為1.1（耐久試驗(yàn)前開(kāi)口間隙為0.32）。柴油機(jī)的氣缸套、活塞、活塞環(huán)不滿足功率提升后的柴油機(jī)負(fù)荷要求，可靠性試驗(yàn)失敗。（如圖2所示）

6 可靠性試驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題原因分析

（1）柴油機(jī)功率提升后，活塞、活塞環(huán)所受的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷同時(shí)增加，活塞第一道環(huán)處的潤(rùn)滑油在高溫下易變質(zhì)，變質(zhì)后的潤(rùn)滑油在活塞環(huán)處形成積碳，活塞環(huán)處于半粘接狀態(tài)，活塞環(huán)失去彈性。在潤(rùn)滑失效的情況下，活塞、活塞環(huán)、氣缸套在工作過(guò)程磨損異常加大，很容易出現(xiàn)拉缸，伴隨機(jī)油耗增加，柴油機(jī)曲軸箱廢氣加大。（2）從拆下的活塞看，活塞內(nèi)腔有受高溫變色現(xiàn)象。柴油機(jī)功率提升后，活塞頭部熱負(fù)荷增加后，也會(huì)導(dǎo)致活塞頭部熱膨脹過(guò)大，容易使活塞頭部與氣缸套發(fā)生粘接，產(chǎn)生拉缸現(xiàn)象。因此，必須采取措施解決活塞頭部及活塞環(huán)處的溫度（特別是第一道活塞環(huán)）。

7 可靠性試驗(yàn)出現(xiàn)的問(wèn)題改進(jìn)方案

7.1 活塞改進(jìn)

（1）活塞頂部采用陽(yáng)極氧化處理，厚度0.04-0.08，氧化膜層隔熱性好，能使活塞頭部減少熱量吸收，降低活塞頭部溫度。（2）活塞裙部石墨化處理，石墨層厚度0.007-0.015。石墨涂層具有良好的自潤(rùn)滑性能，活塞裙部噴涂石墨后，即可改善活塞初期磨合性和啟動(dòng)時(shí)的防拉缸性能，又可起減磨作用，減少缸套和活塞摩擦。（3）在活塞頭部?jī)?nèi)第一道環(huán)槽附件增加環(huán)形冷卻油道，機(jī)體上的噴嘴將機(jī)油噴入活塞頭部?jī)?nèi)環(huán)形冷卻油道內(nèi)，進(jìn)一步降低活塞頭部熱負(fù)荷（原柴油機(jī)設(shè)計(jì)是在活塞頭部外壁噴油冷卻，冷卻效果差）。

7.2 活塞環(huán)改進(jìn)

（1）第一道活塞環(huán)由桶形環(huán)改為雙面梯形環(huán)。梯形環(huán)在徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)隙不斷變化，能把膠狀油焦從環(huán)槽中擠出，從而使環(huán)槽中的機(jī)油不斷更新，將活塞環(huán)處的積碳減少到最少程度。（2）考慮到排放法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，EGR技術(shù)應(yīng)用是我司降低柴油機(jī)NOX的技術(shù)路線。EGR工作時(shí)，廢氣進(jìn)入氣缸內(nèi)，廢氣中的微粒吸附在缸套或缸套內(nèi)的機(jī)油上，造成氣缸套、活塞環(huán)磨損增加，而廢氣中的硫化物，最終也可能生成H2SO4，也會(huì)對(duì)氣缸套、活塞環(huán)等件加速磨損。因此，活塞環(huán)采用鉻陶復(fù)合鍍（CKS），CKS活塞環(huán)具有良好的耐磨性和高溫承載性。

7.3 潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)

將活塞冷卻噴嘴的直徑有φ1.4改為φ1.5，以增加活塞噴嘴噴出機(jī)油量來(lái)降低活塞頭部溫度。機(jī)油的主要作用是減少零部件的磨損和摩擦功，對(duì)零件表面進(jìn)行冷卻和清洗。采用加大流量機(jī)油泵來(lái)滿足活塞冷卻噴嘴處的噴油量增加的需求，改進(jìn)后機(jī)油泵比原機(jī)油泵流量增加了20%，確保柴油機(jī)在高速全負(fù)荷時(shí)機(jī)油壓力仍然達(dá)到設(shè)計(jì)值，也降低了主軸承和連桿軸承的工作溫度，提高這些軸承的可靠性。柴油機(jī)強(qiáng)化程度提高后，傳遞到機(jī)油和冷卻水的熱量也會(huì)相應(yīng)增加，該問(wèn)題通過(guò)增加柴油機(jī)的機(jī)油散熱器和冷卻水散熱器散熱面積解決。

7.4 氣缸套的改進(jìn)

氣缸套長(zhǎng)期受到活塞環(huán)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，受到氣體大的壓力燃燒氣體的高溫沖擊力，工作條件非常惡劣。氣缸套上部承受的壓力特別大，溫度也高，潤(rùn)滑油膜建立和保持較困難。這要求氣缸套有較好的耐磨性、減磨性、抗咬合性和自潤(rùn)滑性。原柴油機(jī)裝用硼氣缸套，現(xiàn)采用硼鑄鐵等離子淬火氣缸套提高缸套的耐磨性和抗拉缸性。采用菱形交叉網(wǎng)紋等離子淬火缸套，氣缸套等離子淬火后的網(wǎng)紋硬化帶有極高的硬度，成為氣缸套表面堅(jiān)硬的骨架；而未淬火缸套表面質(zhì)地較軟，在活塞環(huán)與氣缸套運(yùn)動(dòng)摩擦過(guò)程中，形成相互封閉的微油池，大大改善了磨損環(huán)境。帶EGR柴油機(jī)吸氣過(guò)程中進(jìn)入的微顆粒，也能嵌入而未淬火質(zhì)地較軟缸套表面區(qū)，減少了表面劃傷。因此，等離子淬火氣缸套表面有軟硬相間的網(wǎng)絡(luò)組織，具有及好的耐磨性和抗拉缸性。改進(jìn)后的活塞、活塞環(huán)、氣缸套及潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)裝在帶有EGR的柴油機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求（功率由53KW/2400r/min提升到功率65KW/2400r/min）。同時(shí)柴油機(jī)也順利通過(guò)1000小時(shí)可靠性試驗(yàn)。（如表2所示）

耐久試驗(yàn)后氣缸套磨損量為0.003mm，活塞環(huán)開(kāi)口間隙增加0.035mm，零部件磨損均正常，如圖3所示。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該柴油機(jī)的機(jī)體（氣缸套下支撐上移）、曲軸、活塞、活塞環(huán)、氣缸套及潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)，使該增壓型柴油機(jī)的功率提升了22%，柴油機(jī)性能和可靠性都達(dá)到了設(shè)計(jì)改進(jìn)目標(biāo)。

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