柴油機缸套氣蝕成因分析及預防措施

摘要： 高速柴油機在使用過程中，汽缸套外表面會出現密集的凹坑，形成典型的氣蝕現象，針對這一現象進行了深入的探討，并提出預防措施。

關鍵詞： 高速柴油機 汽缸套 氣蝕 氣蝕預防

隨著現代交通運輸業的迅猛發展，國內外市場對中小型柴油機的輕型、高速、重載和增壓需求越來越旺盛。因此，發動機對氣缸套的強度、耐熱、重量等方面要求越來越高；對缸套的設計，趨向于強度高、耐熱好、壁薄和重量輕等方面，于是缸套氣蝕現象成為越來越突出的問題。氣蝕現象會導致缸套的強度下降，嚴重時造成汽缸套穿孔或開裂，會使水滲漏到滑油里，妨礙了安全運轉，甚至會造成發動機的損壞和嚴重的安全事故。本文對氣蝕的成因進行了系統的分析，并提出了預防措施。

1.氣蝕現象

柴油機在經過安全運轉周期后，就要進行大修；大修過程中，要拔出缸套測量缸套內直徑的磨損情況和目測內外表面缸套的損傷與腐蝕情況，我們往往會發現：氣缸內表面光滑如鏡、形體規范，但缸套的外表面出現了密集的凹坑，這些蜂窩狀的凹坑處于活塞擺動往缸套的方向，沿氣缸的軸向分布，呈棗核形，周邊沒有銹跡，為敲擊狀，深度不一，這種現象在發動機中稱為“氣蝕”（如附圖）。一般反應在淡水冷卻閉式循環系統的內燃機上。

2.氣蝕主要成因及預防措施

氣蝕的成因是建立在液體與固體間振動壓力波理論基礎上，其原因大致可分為氣缸系統的機械振動和冷卻水影響兩大主要因素。

2.1.氣缸系統的機械振動的影響主要表現為：柴油機在運轉中，由于燃料燃燒爆發對活塞產生較高壓力，通過活塞往復運動變向時的沖擊，使氣缸收到活塞周期性交變側壓力，由于汽缸套與活塞存在間隙，再加上活塞的倒傾，則不可避免地隨著發動機的運轉產生交變沖擊，引起高頻振動及變形，從而使缸套外壁冷卻水附層產生局部瞬時高真空、高壓和高溫。在高真空情況下，冷卻水汽化成空泡；在高壓情況下，使空泡破裂。空泡爆破的強度，決定于汽缸套振動的頻率與振幅，其強度級數級大氣壓，溫度可達數幾百度，這樣高的局部壓力和溫度會造成材料的直接破壞或間接塑性變形和疲勞破壞。

從上述成因機理中可知，引起缸套高頻振動和變形的因素有以下幾個方面：

2.1.1.汽缸套與活塞的配合間隙。汽缸套的尺寸精度、形狀精度，以及網紋質量，直接影響著汽缸套與活塞環、活塞間始終保持穩定的油膜層。

2.1.2.缸套壁厚。氣缸套越薄，越會引起振動趨向。

2.1.3.活塞結構。活塞結構的合理性會直接影響活塞與汽缸套間的運轉，造成撞擊。其中主要影響有兩點：一是活塞的長徑比。若比值偏小，活塞產生易側傾，使活塞邊與汽缸套接觸，造成撞擊；另一因素是活塞裙部長度與型線。活塞裙部長度偏短、裙部型線不合理均會造成活塞搗缸，引起氣缸套強烈振動，產生顯著氣蝕。

2.1.4.汽缸套支撐肩端面跳動精度以及下腰帶尺寸精度、形位公差精度。氣缸套是靠上止口臺階與缸體配合支撐，下腰帶使用橡膠密封圈密封，與缸體間存在一定的間隙，此結構類似于懸臂支撐，若相關裝配精度差，會由活塞的往復運動形成的交變壓力對氣缸套造成撞擊，引起汽缸套較大振幅的振動。

2.1.5.柴油機工作過程最高燃燒壓力和壓力升高比均很大，容易造成缸壁振動。應盡量避免發動機的粗暴工作。

在缸套氣蝕的成因中，除了機械振動的因素外，冷卻水的影響也不容忽視。

2.2.冷卻系統主要包括冷卻水的空間及其空間變化、冷卻水溫以及冷卻水水質。

2.2.1.當水套處于的氣缸間空間較小時，則會造成冷卻水可壓縮性變小，則氣泡破裂容易產生，并且產生的沖擊波不易被吸收，當達到一定規模和強度時，則表面出現氣蝕；其次，空間較窄時，會使汽缸套冷卻不夠充分，產生過熱，當溫度超過90度時，氣蝕現象加劇，同時使鑄鐵材質的汽缸套在高溫下氧化形成結構松散、強度較低的鐵銹，形成惡性循環，呈坑狀或蜂窩狀出現。

2.2.2.當水套處的變化較大時，在突然變窄區會出現渦流區和死水區，渦流的存在會使冷水沖擊缸套，死水的存在會形成高溫和產生氣泡，加速氣蝕。同時在此處水壓變化最大，也容易誘發汽化。由于冷卻水流速在此地區增加而壓力降低到蒸汽壓力以下時，也將出現空泡，這些空泡被水流推至高壓區時即爆破，對附近的材料易造成氣蝕傾向。

2.2.3.冷卻水溫度在冷卻水汽化過程中，起著較為重要的作用。一般柴油機最易產生氣泡溫度為溫熱區和高熱區；冷卻水要避免長期處于這兩個溫度區。

2.2.4.冷卻水水質的影響有兩項。其一是水內雜質會引起水套壁、缸體水垢沉積，使水腔變窄，影響冷卻水的可壓性、適應性，激化汽化現象；其二，水中含有酸、堿、鹽溶液的硬水會對機體造成腐蝕，此類腐蝕的破壞性遠遠高于普遍潔凈的軟水質。

3.總結：

通過上述對缸套氣蝕的分析，我們發現機械振動和冷卻的水影響是主要缸套氣蝕的成因，因此，我歸納了如下預防措施：

3.1.提高活塞連桿組的裝配質量。

3.2.盡量避免發動機工作粗暴。

3.3.在維修中，要更換超出極限的缸套連桿組。

3.4.保證冷卻水的溫度處在正常的范圍之內。

3.5.及時清除水套內的水垢，避免水套變窄。

3.6.保持冷卻水的清潔。