主機排氣閥桿異常磨損原因及密封空氣系統改造

劉天水，張志兵，蘭秀凱，陳 華

(中國衛星海上測控部，江蘇江陰 214431)

1 排氣閥工作原理和工作現狀

1.1 排氣閥工作原理

8LM42型柴油機的排氣閥總成［1］，其排氣閥結構采用液壓頂開氣動關閉裝置，在排氣閥桿頂部閥殼中設有啟閥液壓缸，在閥桿上部閥殼中設有關閉空汽缸和空汽缸活塞，空汽缸活塞通過兩半圓錐型卡塊，壓板和閥桿上環形槽鎖緊在閥桿上。當按定時要求開啟排氣閥時，高壓工作油進入啟閥液壓缸，作用在液壓缸活塞下，克服閉閥空汽缸中工作空氣和缸內廢氣的作用力，將氣閥頂開。但當卡塊下部錐形部位落在彈簧板上時，氣閥不再下移，避免氣閥撞擊。與此同時，閉閥空汽缸中的工作空氣受到壓縮，當要求關閉排氣閥時，啟閥液壓缸中的工作油回油，空汽缸活塞就在彈簧空氣壓力的作用下上升，并帶動排氣閥逐漸關閉。

在排氣閥桿的下部裝有一個葉輪，其作用是在排氣動能的作用下使閥桿轉動，從而改善閥面接觸，使閥面磨損均勻，以及閥面四周的溫度分布均勻，免遭氣閥頭部過熱。排氣閥的彈簧板下部有一密封空氣腔，排氣閥開啟時預防燃氣上竄對閥桿腐蝕及磨損。

1.2 排氣閥桿的工作現狀

在中修期間對排氣閥進行檢修時，發現排氣閥閥桿都存在著不同程度的磨損，其中左機4#缸、5#缸、右機8#缸排氣閥桿的中上部磨損嚴重，均已超出極限值。排氣閥桿的嚴重磨損將影響強度配合間隙，如果排氣閥的應力過大會造成排氣閥桿斷裂的嚴重后果，如表1所示。

2 排氣閥桿磨損原因分析

8LM42型柴油機為2沖程柴油機，根據缸內氣體壓力變化的特點 (見圖1)，可把換氣過程分成3個主要階段:一是自由排氣階段;二是強制排氣和掃氣階段;三是過后排氣階段。只有在自由排氣階段初期時排氣壓力最高，因此我們著重對自由排氣階段進行分析。

柴油機在噴油器噴油發火后，缸內燃氣推動活塞下行做功，在活塞下行到B點時，排氣凸輪驅動液壓油將排氣閥打開，此時，汽缸內的壓力P1遠遠高于排氣總管的壓力P2，P2/P1之比值小于臨界值，廢氣以臨界速度流出排氣閥進入排氣管，超臨界流動持續到P2/P1之等于臨界值的 D點［2］。此后廢氣以亞臨界速度自由排出汽缸。當汽缸內壓力約等于掃氣箱空氣壓力時，自由排氣階段結束。在此階段排出的廢氣有很少一部分克服密封空氣壓力上竄到密封空氣腔內，在檢修排氣閥時檢查到密封空氣腔內有殘留物也證明了這一點。

圖1 換氣過程示意圖

在主機排煙中有很多有害物質，其中有燃油燃燒產物SO2和SO3，SO2與氧氣在高溫下也有生成SO3，SO3和密封空氣中的水分結合在一定的溫度下生成硫酸。為了增強排氣閥閥桿的耐磨性，人們在排氣閥閥桿的表面鍍一層鉻，而鉻無法以單獨的形式存在于排氣閥桿上，所以它以Cr2O3的形式鍍在排氣閥桿上。當燃氣上竄到密封空氣腔時，排煙溫度下降，其中SO3與密封空氣中的水分反應生成硫酸在排氣閥閥桿上結露，硫酸與排氣閥閥桿表面的Cr2O3反應生成硫酸鉻和水，排氣閥表面被腐蝕。排氣閥在主機運行中不但要上下運動，而且在排氣閥下部裝有一轉翼，在廢氣排出時作用在轉翼上使排氣閥在閥桿徑向上產生轉動，使腐蝕后的硫酸鉻在排氣閥桿上脫落。脫落的金屬顆粒與廢氣中的碳粒子，在排氣閥桿與彈簧空氣下密封裝置的間隙中，加速了排氣閥的磨損。以下是排氣閥腐蝕的化學反應過程:

2SO2+O2=2SO3

SO3+H2O=H2SO4

3H2SO4+Gr2O3=Gr2(SO4)3+3H2O

歸根到底，使柴油機排氣閥閥桿磨損的主要原因是廢氣上竄到密封空氣腔，也就是密封空氣壓力過低，不能阻止廢氣的上竄。

3 密封空氣系統的改造方案

圖2為密封空氣系統改造后的系統圖，彈簧空氣由控制空氣瓶隨控制空氣一塊送入彈簧空氣總管;控制二位三通閥2的控制空氣是由柴油機操縱系統停車信號空氣供給，當停車信號作用在二位三通閥2時使其關閉，停車信號釋放后二位三通閥2在自身彈簧的作用下打開，使彈簧空氣進入密封空氣腔。當柴油機備車時彈簧空氣從彈簧空氣總管經單向閥1，進入彈簧空氣室同時也到達二位三通閥2的前端;柴油機運行時由于停車信號的釋放二位三通閥2打開，彈簧空氣同時也進入密封空氣腔，柴油機運行到排氣行程時，排氣閥驅動機構驅使排氣閥打開，排氣閥桿下行，彈簧空氣在氣動活塞作用下壓力升高，而在彈簧空氣的進口有單向閥1作用，彈簧空氣無法倒流，只有經二位三通閥進入密封空氣腔，使密封空氣腔內的空氣壓力升高，從而阻止了廢氣排放時的上竄。

圖2 密封空氣系統改造后系統示意圖

優點:一是提高了密封空氣的壓力，防止了廢氣上竄，減輕了排氣閥桿腐蝕和磨損;二是節約了用氣。舊系統為常供氣系統，在柴油機備車時密封空氣一直處在供氣狀態，造成了壓縮空氣的流失;新系統只有在柴油機非停車時二位三通閥才打開，節約了壓縮空氣的使用量，減少了空氣壓縮機的啟動時間，節約了能源的消耗。

總之，只有阻止廢氣的上竄才能減少排氣閥閥桿的腐蝕和磨損，密封空氣系統的改造可以減少排氣閥桿的磨損，提高排氣閥的工作可靠性，減少維修與備件經費開支。

［1］孫培廷.船舶柴油機 ［M］.大連:大連海事大學出版社，2002.

［2］朱建元.船舶柴油機 ［M］.北京:人民交通出版社，2004.