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影響柴油發(fā)電機竄氣量大的因素和預防措施 |
摘要：竄氣量是評價(jià)柴油機性能的關(guān)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(fā)動(dòng)機公司的重要課題之一，本文對影響柴油發(fā)電機竄氣影響因素進(jìn)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(huán)和缸孔三者之間的相互配合來(lái)實(shí)現，降低活塞竄氣可以從活塞型線(xiàn)、活塞環(huán)型線(xiàn)、環(huán)的開(kāi)口間隙等諸多角度入手。但是，在正向設計過(guò)程中，由于時(shí)間和經(jīng)濟成本的制約，無(wú)法用臺架試驗對每一個(gè)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)行試驗標定，在可靠的仿真模型基礎上，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)濟可靠性。
1、活塞竄氣量動(dòng)力學(xué)模型
活塞環(huán)伴隨著(zhù)活塞上下往復運動(dòng)時(shí)，其運動(dòng)形式表現為沿氣缸軸向運動(dòng)和活塞環(huán)徑向運動(dòng)，運動(dòng)過(guò)程中所受載荷見(jiàn)圖1,氣缸軸向方向載荷包括往復慣性力、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為分析模型，在ExcitePR中建立活塞竄氣量計算動(dòng)力學(xué)分析模型：缸體、活塞、活塞銷(xiāo)、活塞環(huán)組、連桿。柴油機實(shí)際運轉中，缸體、活塞和環(huán)組的熱態(tài)型線(xiàn)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(xiàn)成為計算的關(guān)鍵輸入。由于實(shí)際無(wú)法測量熱態(tài)型線(xiàn)，因此，本文中型線(xiàn)定義采用在冷態(tài)型線(xiàn)上加溫度場(chǎng)引起的熱變形來(lái)獲得熱態(tài)型線(xiàn)。
3、原因分析
為查找竄氣量增大的原因，首先查看試驗過(guò)程記錄，試驗記錄中缸內壓強數據始終處于設計范圍內，無(wú)異常燃燒情況。對被測柴油機進(jìn)行拆解后檢查活塞安裝正確、無(wú)并口的問(wèn)題，且無(wú)異常磨損痕跡。為進(jìn)一步排除其它部件問(wèn)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存在問(wèn)題。根據以上排查，樣件質(zhì)量、裝配和環(huán)境均無(wú)異常，重點(diǎn)懷疑為活塞環(huán)及其配合參數不合理，導致活塞竄氣量大。
4、活塞環(huán)組動(dòng)力學(xué)模型建立
該柴油機的活塞環(huán)組動(dòng)力學(xué)模型如圖1所示，建立活塞環(huán)組動(dòng)力學(xué)模型，模型中包括活塞、活塞銷(xiāo)、連桿、氣缸襯套、活塞環(huán)組(包括一環(huán)、二環(huán)以及彈簧內撐式油環(huán))。并對該模型進(jìn)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(dòng)；
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(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(xiāo)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(chǎng)作為熱載荷，并根據材料熱膨脹系數，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(dòng)力學(xué)模型示意圖 |
圖2 柴油機活塞熱態(tài)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(fā)電機組運行過(guò)程中的關(guān)鍵參數。竄氣量大不僅可以導致發(fā)動(dòng)機功率降低、曲軸箱壓力過(guò)高、機油消耗增加、加速機油變質(zhì)、破壞油膜，嚴重時(shí)會(huì )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(lái)看，竄氣量大的故障，大多數為活塞環(huán)、活塞及缸套之間的封氣通道失效，如圖3所示。針對柴油機竄氣量大問(wèn)題，在失效模式分析的基礎上，對柴油發(fā)電機結構及參數對漏氣量的影響開(kāi)展了深入分析。
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圖3 柴油機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)槽下側面倒角的影響
活塞環(huán)槽下側面與活塞環(huán)下側面直接配合，構成了防止燃氣通過(guò)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，不允許出現任何微小、局部的凸起或貫穿密封面的劃痕，否則會(huì )造成竄氣量的異常增大。
通常情況下，為保護環(huán)槽兩側外邊緣免于損壞，還要在環(huán)槽外邊緣略微進(jìn)行倒角。但由于第一道環(huán)槽下側面的倒角正好位于第一道活塞環(huán)的下面，會(huì )加劇第一道環(huán)的不穩定運動(dòng)，因而對竄氣和機油耗起著(zhù)十分不利的影響。圖5和圖6的變化曲線(xiàn)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。在設計和加工此處倒角時(shí)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(guò)程中，對第一道環(huán)槽的倒角一定要特別的小心，不允許出現倒角尺寸過(guò)大以及磕碰、加工毛刺等微小凸起。
根據經(jīng)驗，其余幾道環(huán)岸邊緣倒角對竄氣沒(méi)有重大的影響，但必須防止出現毛刺。
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圖5 環(huán)槽深度對竄氣量的影響曲線(xiàn)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)密封系統能否穩定工作十分重要，過(guò)小的頂岸間隙不利于燃燒室內燃氣壓力向活塞環(huán)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(huán)密封系統所在的頂環(huán)環(huán)槽處。
設計頂岸間隙的大小還必須同時(shí)考慮高負荷工況下缸套嚴重磨損問(wèn)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(shí)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(huì )共同形成一個(gè)容納燃氣的小間隙，且分布在整個(gè)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(zhù)第一道活塞環(huán)邊緣倒角或圓角半徑的增加，竄氣量會(huì )大大增加。因此，第一道環(huán)下棱邊應盡量采用小倒角過(guò)渡，推薦的倒角大小為0.1、0.2mm。在進(jìn)行發(fā)電機組竄氣試驗時(shí)，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(huì )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?xún)r(jià)比，對此，采用表1所示的四種倒角型式進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)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(huán)倒角的竄氣量試驗值
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實(shí)測值
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倒角形式
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竄氣量
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常規倒角：實(shí)測值0.28m
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規格0.15、0.40mm
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1.00
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磨削倒角：實(shí)測值0.10m
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規格最大0.10m × 45°
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0.87
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磨削倒角：實(shí)測值 0.20m
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規格最大0.20m× 45°
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0.86
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磨削圓角：實(shí)測值0.14m
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規格最大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(jīng)試圖改變活塞環(huán)的切口形狀來(lái)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(shí)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(lái)，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(shí)會(huì )帶來(lái)嚴重的竄氣量波動(dòng)問(wèn)題，批量生產(chǎn)中可以看到發(fā)電機組的竄氣量十分不規則，即在配相同的發(fā)電機組時(shí)，有的竄氣量很低，有的則大大超過(guò)規定值。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(dòng)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(huán)取得了補償效果，批量生產(chǎn)中所有發(fā)電機組的竄氣量基本達到了一致。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償變形，例如采用內倒角或錐面氣環(huán)等技術(shù)措施。
6、開(kāi)口間隙的影響
單獨減少第一道活塞環(huán)的開(kāi)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DIN標準，活塞環(huán)開(kāi)口間隙的減少有一個(gè)極限范圍，因為在高負荷（即高溫）條件下，環(huán)的開(kāi)口間隙可能會(huì )消失，有可能引起活塞環(huán)卡死。一般竄氣量會(huì )隨開(kāi)口間隙的增大而增加。開(kāi)口間隙增加0.5mm，約相當于活塞環(huán)徑向磨損了0.08mm，即接近于活塞環(huán)鍍鉻層厚度。開(kāi)口間隙增加到上述數量級時(shí)，所引起的竄氣量的增加仍然在允許的范圍內。但如果開(kāi)口間隙增加超過(guò)0.5mm，則竄氣量會(huì )急劇升高。
如果將柴油機第一和第二道環(huán)的開(kāi)口間隙同時(shí)進(jìn)行考慮，清況又會(huì )有所不同。開(kāi)口間隙C設計成C第一道< C第一道，稱(chēng)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竄氣量和機油耗的作用。這種設計可盡量減少通過(guò)第一道環(huán)開(kāi)口間隙流入第二道環(huán)岸的燃氣流量，同時(shí)加大通過(guò)第
道環(huán)開(kāi)口間隙流入第三環(huán)岸的燃氣流量，從而降低第二環(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)維持穩定的密封壓力，弱化了頂環(huán)的不穩定運動(dòng)，即保持了活塞環(huán)密封系統的動(dòng)態(tài)平衡。
7、活塞環(huán)數量的影響
試驗反復表明，只要活塞環(huán)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(fā)電機組燃燒室來(lái)說(shuō)，三道活塞環(huán)完全可以滿(mǎn)足密封要求。
8、機油的影響
機油含水量超標會(huì )嚴重影響發(fā)電機組竄氣的控制，在批量生產(chǎn)實(shí)際中，由于機油的反復使用，常常出現大批發(fā)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(méi)有及時(shí)清除干凈，造成機油品質(zhì)大幅下降，因此，必須及時(shí)對重復使用的機油進(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(xiàn)圖 |
圖8 柴油機活塞環(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(shí)的刮傷和擦傷，有效降低竄氣量其性能指標如下：
① 交叉線(xiàn)痕跡角度β=22～32°，兩個(gè)方向均勻加工；且要求磨削清晰、無(wú)金屬撕裂和皺褶現象。
② 凸臺網(wǎng)紋微觀(guān)不平度平均值20～30μm（范圍15～35μm）；交叉線(xiàn)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(wú)壓光、擠光和顆粒嵌入現象。
另外，在缸套選配和安裝時(shí)，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(huán)
選用的活塞環(huán)應無(wú)銹蝕、扭曲和變形.且“三隙”必須符合規定要求，活塞環(huán)槽上、下端面應光潔.無(wú)銹蝕、劃痕和污物 組裝活塞環(huán)時(shí)、活塞環(huán)口應禁止隨意擴張和壓縮，以防產(chǎn)生軸向扭曲；活寒環(huán)裝入環(huán)槽時(shí).必須用專(zhuān)用工具、防止因裝配方法不當而使活塞環(huán)在環(huán)槽內出現上下扭曲，產(chǎn)生永久變形；活塞連桿組裝入氣缸時(shí).禁止猛打猛敲，以防止活塞環(huán)與氣缸發(fā)生磕碰而導致?lián)p傷、裂紋和應力集中等。
2、正確使用和維護柴油機
（1）切實(shí)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(wú)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，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(huán)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(diǎn)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(shí)更換濾芯。
（5）柴油發(fā)電機冬季運轉時(shí)，機油應保持正常工作溫度，防止在低溫狀態(tài)下，負荷猛增猛減及長(cháng)時(shí)間的怠速工作，并盡量減少冷起動(dòng)次數及在高溫狀態(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(mǎn)足柴油機在各種工況.環(huán)境溫度下啟動(dòng)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(jīng)濟性高。所以必須根據環(huán)境溫度、柴油機工況、技術(shù)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(shù)狀況優(yōu)良、磨損小的柴油機，經(jīng)常停歇、短途行駛、柴油機起動(dòng)頻繁的機械和車(chē)輛等、在保證潤滑的前提下、應優(yōu)先選用粘度較低的潤滑油。技術(shù)狀況差，磨損嚴重以及經(jīng)常在氣溫較高的環(huán)境下作業(yè)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(huán)組件漏出的氣體數應為進(jìn)氣量的1%以下，當柴油機竄氣量超過(guò)規定值時(shí)，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(chǎn)生的原因，然后對癥下藥，予以排除，同時(shí)采取有效措施進(jìn)行預防，以杜絕此類(lèi)故障的發(fā)生。
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