重型甲醇發(fā)動機(jī)排氣門燒蝕分析及改進(jìn)

盧瑞軍 夏麗娟 蘇茂輝 康世邦 陳海蘭

（1-浙江吉利新能源商用車集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 311000 2-七一一研究所）

引言

甲醇是一種可再生、可持續(xù)發(fā)展的發(fā)動機(jī)替代燃料，具有原料來源豐富、生產(chǎn)工藝成熟、儲運安全等優(yōu)點，有良好的應(yīng)用前景[1]。重型甲醇發(fā)動機(jī)近幾年得到了快速發(fā)展，但是由于甲醇發(fā)動機(jī)具有燃燒速度快，而且甲醇燃料容易腐蝕和不易蒸發(fā)等特點，給發(fā)動機(jī)帶來新的考驗，特別是排氣門燒蝕問題。氣門與氣門座圈是發(fā)動機(jī)中工作條件十分惡劣的摩擦副之一，在工作中承受極高的機(jī)械負(fù)荷、熱負(fù)荷，還受到腐蝕性氣體的侵蝕，潤滑狀態(tài)極為不良[2]。排氣門非常容易出現(xiàn)磨損和燒蝕等故障，影響發(fā)動機(jī)的可靠性。

本研究針對某重型M100 甲醇發(fā)動機(jī)整機(jī)可靠性臺架試驗過程中多次出現(xiàn)排氣門燒蝕的故障，應(yīng)用溫度場試驗、材料檢測等技術(shù)手段，對出現(xiàn)排氣門燒蝕的工況、排氣門溫度、磨損量、氣門錐角、雜質(zhì)分布、甲醇燃燒速率等因素進(jìn)行分析，提出新方案，并通過1 500 h 可靠性驗證。

1 排氣門結(jié)構(gòu)及失效故障

某重型M100 甲醇發(fā)動機(jī)采用整體缸蓋、4 氣門結(jié)構(gòu)，每個缸蓋有2 個進(jìn)氣門和2 個排氣門，進(jìn)排氣道均為串聯(lián)扭曲氣道，單頂置凸輪軸結(jié)構(gòu)，甲醇采用進(jìn)氣道噴射型式。在整機(jī)可靠性臺架試驗中多次出現(xiàn)排氣門燒蝕失效故障，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)工作缸內(nèi)無壓力，可靠性試驗無法進(jìn)行。排氣門出現(xiàn)燒蝕的時間大約在可靠性試驗進(jìn)行到300～600 h 之間，燒蝕的排氣門見圖1。

圖1 排氣門燒蝕照片

2 排氣門燒蝕原因分析

2.1 排氣門本身的項目檢測

2.1.1 排氣門盤部的材料成份

排氣門盤部材料為LF2，具有較好的耐磨和耐高溫性能。對排氣門盤部的材料進(jìn)行化學(xué)成份檢測（見表1），排氣門的材料成分符合技術(shù)要求。

表1 排氣門材料化學(xué)成份分析

2.1.2 排氣門微觀檢測

同時對排氣門錐面的表面處理進(jìn)行檢測，盤錐面非燒蝕區(qū)磨損輕微，表面氮化層0.024 mm（技術(shù)要求≥0.01 mm），顯微組織為奧氏體+析出相，未見異常（見圖2），盤錐面硬度HRC：42（技術(shù)要求≥35 HRC）。

圖2 排氣門非燒蝕區(qū)（浸蝕態(tài)，400X）

2.1.3 排氣門宏觀檢測

排氣門燒蝕缺口兩側(cè)90°范圍內(nèi)盤錐面內(nèi)，存在多個燒蝕的小缺口；同時排氣門非燒蝕盤錐面整體輕微磨損，存在較多的機(jī)械凹坑，如圖3、4 所示。

圖3 排氣門燒蝕區(qū)域附近形貌

圖4 排氣門錐面非燒蝕區(qū)域形貌

2.2 排氣門與座圈匹配磨合情況分析

可靠性試驗后取第1、2 缸的4 個排氣門、4 個排氣門座圈進(jìn)行磨損和配合情況檢測，如圖5～8 所示。

圖5 排氣門錐面接觸形貌及接觸寬帶

圖6 排氣門座圈形貌及接觸寬帶

圖7 排氣門磨損量

圖8 排氣門和座圈接觸寬帶

從測量結(jié)果來看，排氣門和排氣門座圈的密封帶寬度在3.7～4.1 mm 之間，在設(shè)計要求范圍內(nèi)，排氣門的磨損量在0.004～0.017 mm 之間，磨損比較小。

2.3 發(fā)動機(jī)排氣門溫度場試驗

為了驗證排氣門是否超出設(shè)計溫度，造成排氣門燒蝕，對發(fā)動機(jī)6 個缸12 個排氣門進(jìn)行了溫度場試驗，發(fā)動機(jī)的負(fù)荷按照原機(jī)的105%進(jìn)行。排氣門測試溫度場結(jié)果，見圖9。

圖9 排氣門溫度場試驗結(jié)果

從圖9 的試驗結(jié)果來看，排氣門底部的溫度在505 ℃～628 ℃之間，排氣門背部和桿部的溫度在500℃～720℃之間，都低于設(shè)計溫度820 ℃，在安全范圍內(nèi)。

2.4 發(fā)動機(jī)試驗過程分析

可靠性試驗過程中出現(xiàn)排氣門燒蝕主要在1 000 r/min，100%負(fù)荷工況，并且排氣門燒蝕位置在缸套邊緣處，見圖10。基于上述分析，本文從發(fā)動機(jī)這個工況的性能和排氣門燒蝕的位置展開分析。

圖10 排氣門燒蝕的位置

發(fā)動機(jī)EGR 方案采用HPEGR（高壓廢氣再循環(huán)）系統(tǒng)，在發(fā)動機(jī)的中低速工況，隨著渦前壓力和中冷后壓差的減小，EGR 率很難提升。特別是在1 000 r/min，100%負(fù)荷工況下，發(fā)動機(jī)的EGR 率最低，排溫最高，見圖11，并且EGR 率不穩(wěn)定，容易造成燃燒不穩(wěn)定和爆燃。在可靠性試驗過程中，INCA 監(jiān)測排氣門燒蝕時，對應(yīng)的缸內(nèi)伴有劇烈爆燃，爆燃退角8 ℃A。說明爆燃與排氣門燒蝕有著密切的關(guān)系。

圖11 外特性排溫曲線和EGR 率曲線

經(jīng)過拆解分析，發(fā)現(xiàn)排氣門燒蝕的位置對應(yīng)缸蓋底平面和缸套上止點附近相應(yīng)位置的硬質(zhì)顆粒相對其他位置較多，同時對應(yīng)的缸套的部位出現(xiàn)了局部拋光，如圖12 所示。

圖12 缸蓋底平面和缸套對應(yīng)燒蝕排氣門位置和拋光位置

經(jīng)分析，硬質(zhì)顆粒主要成分是發(fā)動機(jī)潤滑油添加劑中的Zn、Mg、P、Ca 和S 等元素。主要是由于甲醇的蒸發(fā)潛熱大，氣化不利而竄入氣缸壁間隙，造成潤滑油的稀釋和乳化導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的摩擦磨損[3]。同時由于進(jìn)氣氣流的導(dǎo)向，在缸套主推上止點附近不但拋光磨損，而且燃料稀釋的潤滑油，高溫燃燒形成硬質(zhì)顆粒，不斷累積。由于活塞不斷的往復(fù)運動，硬質(zhì)顆粒不斷從缸套擴(kuò)展到缸蓋底平面靠近排氣門的工作錐面，導(dǎo)致排氣門和排氣門座圈密封不嚴(yán)而導(dǎo)致排氣門燒蝕。

3 改進(jìn)方案

結(jié)合前面的原因分析，排氣門本身的材料符合要求，發(fā)動機(jī)排氣門磨損比較小，改進(jìn)措施主要從優(yōu)化排氣門結(jié)構(gòu)、排氣門座圈的匹配尺寸、整機(jī)的1 000 r/min 工況的EGR 率控制和甲醇蒸發(fā)四個方面進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 排氣門和座圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化

從前面的分析可知，發(fā)動機(jī)排氣門盤部錐面周圍積碳嚴(yán)重和有麻點，同時排氣門磨損比較小的情況，適當(dāng)減小排氣門錐角，排氣門錐角由130°減小到120°（見圖13）。提高排氣門錐面和座圈匹配工作面的接觸應(yīng)力，提高清理積碳雜質(zhì)的能力，同時排氣門錐角的減小，改善排氣門的自對中和自旋轉(zhuǎn)，雜質(zhì)不容易聚集在排氣門錐面。

圖13 排氣門盤部錐角優(yōu)化方案

3.2 排氣門座圈的匹配尺寸

目前排氣門 座圈錐面的密封帶寬度在4 mm左右，根據(jù)磨損的情況，適當(dāng)減小密封帶寬度，控制在3.2 mm 左右，提高接觸面的應(yīng)力，減小雜質(zhì)堆積錐面的風(fēng)險。

3.3 發(fā)動機(jī)EGR 率的提升

在原機(jī)基礎(chǔ)上重新進(jìn)行增壓器的匹配，提高發(fā)動機(jī)中低速工況的增壓器渦前壓力和進(jìn)氣歧管壓力的差值（即EGR 混合器前后的壓差），提高EGR 率，控制發(fā)動機(jī)的爆燃和熱負(fù)荷，如圖14 所示）。

圖14 外特性EGR 壓差曲線

3.4 改善甲醇蒸發(fā)，減少雜質(zhì)生成和控制雜質(zhì)的聚集

在發(fā)動機(jī)輸出同樣的功率時，根據(jù)等熱值要求，燃燒甲醇量是汽油的2.2 倍，而甲醇汽化潛熱是汽油的3.6 倍，因此燃燒甲醇使混合氣中的燃料全部汽化所需的熱量是汽柴油的約8 倍[4]。大量的甲醇蒸發(fā)使得發(fā)動機(jī)缸內(nèi)和進(jìn)氣道的溫度比較低，甲醇的飽和蒸氣壓較低，飽和蒸氣壓的下降抑制了甲醇的蒸發(fā)，使得進(jìn)入缸內(nèi)的混合氣中甲醇蒸氣量減少[1]。為了提高甲醇的蒸發(fā)，提高中冷器的中冷溫度是最簡單直接有效的措施。

在臺架上進(jìn)行了45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃、65 ℃的對比試驗，發(fā)動機(jī)的中冷溫度從45 ℃提升到55 ℃，發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性影響比較小，而在中冷溫度提升到60 ℃以上，發(fā)動機(jī)的爆燃傾向比較大，點火提前角推后比較大，對發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性和排溫影響非常大。根據(jù)試驗結(jié)果，發(fā)動機(jī)的中冷溫度由45 ℃提升到55 ℃，可促進(jìn)甲醇的蒸發(fā)。

同時根據(jù)排氣門靠近缸套周邊容易聚集雜質(zhì)的特點，在缸套上止點周圍增加刮碳環(huán)結(jié)構(gòu)，縮小缸套和活塞火力岸的間隙，減少活塞火力岸的雜質(zhì)。減少雜質(zhì)上竄到缸蓋底平面靠近排氣門和座圈的密封帶位置，以免造成排氣門與座圈密封不嚴(yán)，導(dǎo)致排氣門燒蝕的問題。

4 試驗驗證

經(jīng)過上述改進(jìn)后，在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行了1 500 h可靠性試驗，發(fā)動機(jī)未出現(xiàn)排氣門燒蝕的故障，排氣門磨損都在正常范圍內(nèi)，見圖15。同時對發(fā)動機(jī)活塞的火力岸部位、缸蓋底平面進(jìn)行拆解，燃燒雜質(zhì)都有了很大的減少，缸套上止點周圍的雜質(zhì)比改進(jìn)前有了很大改善，沒有局部雜質(zhì)的堆積。特別在缸蓋座圈和排氣門密封錐面附近雜質(zhì)明顯減少，如圖16 所示。

圖15 1 500 h 可靠性試驗排氣門拆解情況

圖16 1 500 h 可靠性試驗主要零部件拆解情況

5 結(jié)論

重型甲醇發(fā)動機(jī)的排氣門燒蝕，不僅要從排氣門本身的相關(guān)因素分析，同時要結(jié)合整機(jī)可靠性試驗出現(xiàn)試驗工況、整機(jī)拆解過程中相關(guān)聯(lián)零件的表現(xiàn)情況等多方面分析。

通過對排氣門材料、微觀檢測、宏觀檢測以及與座圈匹配情況的分析，提出了排氣門座圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，包括氣門錐角的調(diào)整和密封帶的調(diào)整措施。同時根據(jù)整機(jī)出現(xiàn)故障的工況和整機(jī)拆解情況分析，提出了提升EGR 率控制燃燒穩(wěn)定性、促進(jìn)甲醇蒸發(fā)減少雜質(zhì)生成、增加刮碳環(huán)缸套的設(shè)計改善雜質(zhì)分布等措施。臺架可靠性試驗結(jié)果表明，排氣門燒蝕故障得到了解決，同時通過整機(jī)拆解分析，證明相關(guān)聯(lián)零部件表現(xiàn)良好。