新聞主題	影響柴油發(fā)電機竄氣量大的因素和預(yù)防措施

 

摘要：竄氣量是評價柴油機性能的關(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(dǎo)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)濟成本的制約，無法用臺架試驗對每一個優(yōu)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(chǔ)上，對優(yōu)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(jīng)濟可靠性。

1、活塞竄氣量動力學模型

      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(huán)組、連桿。柴油機實際運轉(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(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)組動力學模型建立

      該柴油機的活塞環(huán)組動力學模型如圖1所示，建立活塞環(huán)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(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。

 

圖1  活塞環(huán)組動力學模型示意圖

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)電機組運行過程中的關(guān)鍵參數(shù)。竄氣量大不僅可以導(dǎo)致發(fā)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(zhì)、破壞油膜，嚴重時會導(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)電機結(jié)構(gòu)及參數(shù)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(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)成了防止燃氣通過環(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。

 

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(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(huán)過多地暴露在高溫、高壓的燃氣中，從而加大頂環(huán)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(huán)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(jié)果。

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氣的小間隙，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。在進行發(fā)電機組竄氣試驗時，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1的相對值。

表1   四種活塞環(huán)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(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。但這有時會帶來嚴重的竄氣量波動問題，批量生產(chǎn)中可以看到發(fā)電機組的竄氣量十分不規(guī)則，即在配相同的發(fā)電機組時，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(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標準，活塞環(huán)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(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。

      如果將柴油機第一和第二道環(huán)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(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竄氣量和機油耗的作用。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)岸的燃氣流量，同時加大通過第道環(huán)開口間隙流入第三環(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(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)電機組燃燒室來說，三道活塞環(huán)完全可以滿足密封要求。氣環(huán)數(shù)量過多，以試圖增加所謂的迷宮效應(yīng)來降低竄氣量，實際證明是得不償失的，較少的活塞環(huán)數(shù)量能夠更好地發(fā)揮C平衡效果，維持密封系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。出于這種考慮，近來甚至出現(xiàn)了只有頂環(huán)和油環(huán)的雙環(huán)結(jié)構(gòu)。

8、機油的影響

      機油含水量超標會嚴重影響發(fā)電機組竄氣的控制，在批量生產(chǎn)實際中，由于機油的反復(fù)使用，常常出現(xiàn)大批發(fā)電機組竄氣量突然增大的奇怪現(xiàn)象。這往往是由于重復(fù)使用的機油中水分沒有及時清除干凈，造成機油品質(zhì)大幅下降，因此，必須及時對重復(fù)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(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(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、正確使用和維護柴油機

（1）切實做好新機及大修后柴油機磨合運轉(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)境和柴油機的性能等因素，正確選用燃油：認真調(diào)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(yǎng)工作.及時更換濾芯。

（5）柴油發(fā)電機冬季運轉(zhuǎn)時，機油應(yīng)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、柴油機的工作可靠性和經(jīng)濟性高。所以必須根據(jù)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、柴油機起動頻繁的機械和車輛等、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，從柴油機活塞及活塞環(huán)組件漏出的氣體數(shù)應(yīng)為進氣量的1%以下，當柴油機竄氣量超過規(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行預(yù)防，以杜絕此類故障的發(fā)生。

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