某柴油機在功率提升改進過程中遇到的問題分析及解決途徑

童順波

摘 要：文章研究某柴油機在功率提升設計改進中遇到的問題，分析了柴油機功率提升后曲軸、氣缸套、活塞、活塞環等主要零部件機械和熱負荷狀況，并對這些零部件進行了設計改進，改進后的零部件通過了性能和耐久試驗，滿足了柴油機功率提升的要求。

關鍵詞：柴油機；功率提升；改進途徑

1 問題的提出

現代柴油機發展局勢是升功率越來越大，同時滿足不斷嚴格的排放法規要求。我司某型號柴油機增壓后功率強化目標65KW/r/min，但改進前實際最大功率為53kW/r/min，若功率大于53kW/r/min，柴油機曲軸箱通風裝置排出的氣體會明顯增大，同時伴有明顯的機油耗增加現象（增加30%）。

2 為解決功率提升過程遇到的問題，對柴油機關鍵零部件分析，以找出改進方案

2.1 對柴油機原氣缸套工作時產生的相對變形量進行校核

氣缸套的相對變形

δ=t/l=PNmax·l·l（3·l·E·J）

式中：t-由于氣缸側壓力產生的彎曲撓度；

E-材料的彈性模數；

PNmax-氣缸最大側壓力；

J=π/64（D-D4）-氣缸截面的慣性矩。

δ的許用值≤0.001；實際計算δ為0.0013，顯示氣缸套剛度不滿足功率提升后要求。

氣缸套受到柴油機燃燒的爆發壓力和活塞的側壓力。正常情況下，氣缸套與活塞環貼合良好。當氣缸套剛度差，因變形量大產生失圓，缸套和活塞環之間產生縫隙，燃燒氣體從縫隙中流出，活塞環刮機油作用減弱，造成柴油機曲軸箱通風裝置排氣量加大，并帶有排機油顆?，F象，機油耗增加。如果變形量過大超出設計值，缸套和活塞環之間接觸不均勻，造成局部接觸應力高，潤滑油膜遭到破壞，柴油機易出現拉缸。

2.2 對功率提升后曲軸強度分析

原柴油機曲軸材料為QT900-2，表面氮化處理。通過的曲軸的強度校核發現，曲軸的強度安全系數為1.74（要求安全系數n≥1.8），原曲軸強度設計不能滿足強化后柴油機要求。

球鐵曲軸滾壓圓角后，疲勞強度能提高30%以上，與曲軸相關裝配的零部件結構無需改變。曲軸強度校核發現，將曲軸采用氮化加滾壓圓角的工藝方法滿足柴油機功率強化到65KW/2400r/min功率要求，準備裝用氮化滾壓圓角曲軸進行試驗。

3 改進方案實施

提高氣缸套的剛度方法：（1）增加氣缸套厚度可增加剛度，但柴油機機體缸套部分水腔體積相應會減小，不利于缸套散熱，而柴油機功率提升后熱負荷卻增大，因此該方案不可取。（2）將缸套下支撐向上移動15mm，增加缸套支撐剛度，從而減少缸套振動。該方案柴油機機體和缸套改動較小，效果明顯，方案可行。柴油機曲軸由氮化曲軸改為氮化滾壓圓角曲軸，曲軸材料不變。

4 改進后性能試驗

將裝氣缸套下支撐上移、滾壓圓角曲軸的柴油機進行性能試驗，柴油機性能達到改進預期目的，改進前后對比數據如表1。

5 可靠性試驗情況

將裝氣缸套下支撐上移、滾壓圓角曲軸的柴油機進行功率提升后可靠性試驗，開始柴油機工作時各項性能指標表現正常，當柴油機連續運轉200小時后，柴油機曲軸箱通風裝置排氣量開始增大，并有輕微的排機油現象，同時排氣溫度也比可靠性試驗開始時升高25℃，可靠性試驗終止。拆開柴油機進行檢測發現，氣缸套有拉缸現象，活塞環磨損嚴重，磨損后的活塞環開口間隙為1.1（耐久試驗前開口間隙為0.32）。柴油機的氣缸套、活塞、活塞環不滿足功率提升后的柴油機負荷要求，可靠性試驗失敗。（如圖2所示）

6 可靠性試驗出現的問題原因分析

（1）柴油機功率提升后，活塞、活塞環所受的機械負荷和熱負荷同時增加，活塞第一道環處的潤滑油在高溫下易變質，變質后的潤滑油在活塞環處形成積碳，活塞環處于半粘接狀態，活塞環失去彈性。在潤滑失效的情況下，活塞、活塞環、氣缸套在工作過程磨損異常加大，很容易出現拉缸，伴隨機油耗增加，柴油機曲軸箱廢氣加大。（2）從拆下的活塞看，活塞內腔有受高溫變色現象。柴油機功率提升后，活塞頭部熱負荷增加后，也會導致活塞頭部熱膨脹過大，容易使活塞頭部與氣缸套發生粘接，產生拉缸現象。因此，必須采取措施解決活塞頭部及活塞環處的溫度（特別是第一道活塞環）。

7 可靠性試驗出現的問題改進方案

7.1 活塞改進

（1）活塞頂部采用陽極氧化處理，厚度0.04-0.08，氧化膜層隔熱性好，能使活塞頭部減少熱量吸收，降低活塞頭部溫度。（2）活塞裙部石墨化處理，石墨層厚度0.007-0.015。石墨涂層具有良好的自潤滑性能，活塞裙部噴涂石墨后，即可改善活塞初期磨合性和啟動時的防拉缸性能，又可起減磨作用，減少缸套和活塞摩擦。（3）在活塞頭部內第一道環槽附件增加環形冷卻油道，機體上的噴嘴將機油噴入活塞頭部內環形冷卻油道內，進一步降低活塞頭部熱負荷（原柴油機設計是在活塞頭部外壁噴油冷卻，冷卻效果差）。

7.2 活塞環改進

（1）第一道活塞環由桶形環改為雙面梯形環。梯形環在徑向運動時，測隙不斷變化，能把膠狀油焦從環槽中擠出，從而使環槽中的機油不斷更新，將活塞環處的積碳減少到最少程度。（2）考慮到排放法規越來越嚴格，EGR技術應用是我司降低柴油機NOX的技術路線。EGR工作時，廢氣進入氣缸內，廢氣中的微粒吸附在缸套或缸套內的機油上，造成氣缸套、活塞環磨損增加，而廢氣中的硫化物，最終也可能生成H2SO4，也會對氣缸套、活塞環等件加速磨損。因此，活塞環采用鉻陶復合鍍（CKS），CKS活塞環具有良好的耐磨性和高溫承載性。

7.3 潤滑冷卻系統的改進

將活塞冷卻噴嘴的直徑有φ1.4改為φ1.5，以增加活塞噴嘴噴出機油量來降低活塞頭部溫度。機油的主要作用是減少零部件的磨損和摩擦功，對零件表面進行冷卻和清洗。采用加大流量機油泵來滿足活塞冷卻噴嘴處的噴油量增加的需求，改進后機油泵比原機油泵流量增加了20%，確保柴油機在高速全負荷時機油壓力仍然達到設計值，也降低了主軸承和連桿軸承的工作溫度，提高這些軸承的可靠性。柴油機強化程度提高后，傳遞到機油和冷卻水的熱量也會相應增加，該問題通過增加柴油機的機油散熱器和冷卻水散熱器散熱面積解決。

7.4 氣缸套的改進

氣缸套長期受到活塞環的往復運動，受到氣體大的壓力燃燒氣體的高溫沖擊力，工作條件非常惡劣。氣缸套上部承受的壓力特別大，溫度也高，潤滑油膜建立和保持較困難。這要求氣缸套有較好的耐磨性、減磨性、抗咬合性和自潤滑性。原柴油機裝用硼氣缸套，現采用硼鑄鐵等離子淬火氣缸套提高缸套的耐磨性和抗拉缸性。采用菱形交叉網紋等離子淬火缸套，氣缸套等離子淬火后的網紋硬化帶有極高的硬度，成為氣缸套表面堅硬的骨架；而未淬火缸套表面質地較軟，在活塞環與氣缸套運動摩擦過程中，形成相互封閉的微油池，大大改善了磨損環境。帶EGR柴油機吸氣過程中進入的微顆粒，也能嵌入而未淬火質地較軟缸套表面區，減少了表面劃傷。因此，等離子淬火氣缸套表面有軟硬相間的網絡組織，具有及好的耐磨性和抗拉缸性。改進后的活塞、活塞環、氣缸套及潤滑冷卻系統裝在帶有EGR的柴油機進行性能試驗，性能達到設計要求（功率由53KW/2400r/min提升到功率65KW/2400r/min）。同時柴油機也順利通過1000小時可靠性試驗。（如表2所示）

耐久試驗后氣缸套磨損量為0.003mm，活塞環開口間隙增加0.035mm，零部件磨損均正常，如圖3所示。

結束語

通過對該柴油機的機體（氣缸套下支撐上移）、曲軸、活塞、活塞環、氣缸套及潤滑冷卻系統的設計改進，使該增壓型柴油機的功率提升了22%，柴油機性能和可靠性都達到了設計改進目標。

參考文獻

[1]楊連生.內燃機設計[M].中國農業機械出版社.

[2]史紹熙，等.柴油機設計手冊[M].中國農業機械出版社.

[3]楊國成，等.激光淬火提高氣缸套的耐磨性[J].江蘇理工大學學報，2000.