內燃機車用柴油機排氣岐管漏油分析與改進

劉旭東，盧丹，程豆豆，張旭

1.烏魯木齊城市軌道集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆工程學院，新疆 烏魯木齊 830000

0 引言

烏魯木齊地鐵1號線現有內燃機車4臺，2臺JMY600FX6(B)G5型機車重聯后主要用于隧道內作業，2臺JMY580FXH(B)型機車主要用于段內調車。4臺內燃機車在使用過程中出現不同程度的柴油機排氣歧管滲漏黑油現象，其中JMY600FX6(B)G5型機車的滲漏較為嚴重。

許多學者對發動機岐管滲漏問題進行了研究。郭旺喜等[1]針對柴油機渦輪增壓器壓端漏油故障，提出了增壓器軸封改進方案；高永春等[2]、馬呈新等[3]針對柴油機排氣歧管漏機油現象，對活塞油環槽上下側面直線度、油環槽油帶以及油環槽下側面中的回油孔、泄油槽等參數進行了優化；危艷云[4]、趙敏敏等[5]對柴油機增壓器漏油原因進行了深入分析，并提出了壓氣機殼密封圈優化方案；佐藤操等[6]針對DMF11HZ型柴油機排氣管接合部漏油引起冒煙、滲油等問題，研制了帶內套的波紋管式接頭和改進型墊片；陳曦等[7]針對發動機在長時間怠速工況下運行時排氣管中機油泄露程度和來源情況，設計了一種排氣歧管淌油試驗方法；袁泉等[8]通過仿真分析認為，排氣歧管在熱機工況下發生塑性變形，冷機工況時變形不能自由恢復至原狀態，反復拉壓力作用容易使之產生疲勞失效；佟占杰[9]從結構、裝配、配件等方面分析了柴油機用VTC254-13型增壓器漏油的原因，對油封結構進行了改進，并提出了其他工藝措施；郭志強等[10]基于流動仿真模型，對比分析了不同結構甩油環下的增壓器漏油情況，得出高速條件下，離心泵甩油環可以有效改善造成漏油的壓力分布；黃海等[11]研究了柴油機活塞環與氣缸壁、氣門桿和增壓器軸承間竄油氣現象，提出了一種油氣分離器優化方案；唐克遠等[12]、趙新武等[13]分析了某天燃氣發動機排氣歧管漏氣、漏油故障，認為在高溫條件下長期運轉造成排氣歧管彎曲變形，從而使排氣歧管法蘭無法有效密封，并設計了新的分段式排氣管方案；王博等[14]對渦輪增壓器漏油失效的機理及原因進行了分析，介紹了增壓器內部壓力測試方法以及數據分析情況；黃澤好等[15]針對某發動機排氣歧管局部出現開裂問題開展了仿真研究，根據仿真結果對排氣歧管在結構上進行了改進，減小了熱應力和塑性變形。上述發動機排氣歧管滲漏的改進方法都需要對排氣管或增壓器等硬件進行改造，對專業技術要求高、成本大。本文中提出一種在機車怠速工況下提高柴油機負載的方法，使柴油機迅速達到正常工作溫度，柴油機的密封件發揮作用，有效解決排氣岐管黑油滲漏問題。

1 故障現象及原因分析

某內燃機車用廢氣渦輪增壓電噴柴油機為水冷、四沖程、直列六缸主要技術參數如表1所示。

表1 內燃機車用柴油機主要技術參數

1.1 故障現象

JMY600FX6(B)G5型內燃機車在段內調車作業、怠速熱備工況和正線低負載作業時，排氣歧管各連接處存在較嚴重的黑油滲漏現象。滲漏的黑油一部分直接滴在排氣歧管下方部件上，另一部分被高溫的排氣歧管蒸發形成煙霧，正線作業時觸發2次煙霧報警。黑油滲漏故障現象如圖1所示。

圖1 柴油機滲漏黑油故障現象

1.2 原因分析

發動機長時間在低轉速、低負荷工況下運行時，其實際溫度低于額定負載工況時的工作溫度，此時活塞環沒有充分膨脹，活塞與氣缸間隙較大，與發動機運行在額定負載工況時相比，較多機油進入氣缸[11]。低負載時，排氣溫度較低，排氣歧管沒有充分膨脹，排氣歧管連接處的密封效果無法達到最佳工作狀態，沒有完全燃燒掉的機油、煙塵以及部分燃油形成的混合物(黑油)從排氣歧管部位滲漏。

2 解決措施

為使機車在起動后迅速達到額定負載工況，使活塞環和排氣歧管能夠充分膨脹，修改柴油機加載控制程序，控制流程圖如圖2所示。

圖2 控制流程圖

2.1 自動加載

機車加裝制動缸壓力繼電器，在司機臺左側板鉆3個直徑為7 mm的孔，使繼電器中心距離司機臺側邊和地板鋼架分別為460、730 mm，安裝示意如圖3所示(圖中單位為mm)。機車每次起動時，在制動狀態，即制動缸壓力p>0.35 MPa，當機車速度低于0.2 km/h時，司控器油門手柄置0位，方向手柄在非0位，傳動箱擋位為0，發動機轉速為850 r/min的低怠速工況下工作2 min，自動將機車擋位升至前進2擋，柴油機轉速升高至1000 r/min，運行10 min，然后解除自動加載。當柴油機怠速工作超過2 h，自動加載條件均滿足時，柴油發動機重新自動加載10 min，如此反復。

圖3 壓力繼電器安裝示意圖

2.2 自動加載解除

當機車速度不低于0.2 km/h時或制動狀態、司控器油門手柄設置在0位以及傳動箱擋位為0位等4個條件中任何一個不能滿足時，解除自動加載。

2.3 結構改進

新增制動缸壓力開關4KP，常開觸點信號接入可編程控制器(programmable logic controller,PLC)備用輸入端子。制動缸壓力開關用于判斷制動閥是否在常用全制動位，作為確定自動加載的條件之一。當制動缸壓力大于0.35 MPa時，壓力開關4KP常開觸點閉合。更新后的控制原理如圖4所示。修改PLC程序，加入機車靜止時自動加載程序，指令輸出時人機界面(human machine Interface，HMI)主頁右下角滾動條提醒司機機車加載狀態，如圖5所示。在輔助顯示界面加入強制加載功能，增加自動加載進入、退出和計時程序，如圖6所示。

圖4 修改后的控制原理圖

圖5 機車顯示屏主界面 圖6 輔助顯示界面

3 改進后操作方法及驗證

3.1 操作方法

怠速運行2 h后，重新起動時為了確保PLC程序能夠自動監控是否滿足增加負載條件，對機車駕駛提出要求。

3.1.1 自動制動閥

機車起動后，自動制動閥應保持在常用全制動位，且機車速度低于0.2 km/h，如果機車牽引有平板類工程車、電客車等其他車輛，應確保列車風管連接良好，且所有連掛車輛制動系統均投入工作，確保PLC可以接收到制動缸壓力開關的動作信號。

3.1.2 司控器方向手柄

保持機車司控器方向手柄在溜逸方向的反方向。機車自動加載過程中，會對機車產生一定的負載，因此需要司機將司控器方向開關放置在機車溜逸的反方向，即上坡線司控器方向開關放前進位，下坡線司控器方向放后退位。司控器擋位手柄在0位，傳動箱擋位開關在0位，怠速運行2 min后，PLC啟動自動加載程序；PLC自動控制機車接通傳動箱2擋，同時發柴油機升速信號提升柴油機轉速至1000 r/min，顯示屏顯示“自動加載運行中，請勿操作機車”。自動加載運行10 min后，自動加載完畢，PLC內部對機車擋位和柴油機轉速復位，同時開始下次自動加載計時，機車具備出車條件。

3.1.3 緊急制動

若機車自動加載過程中，機車自動加載條件(制動缸壓力開關、司控器擋位開關、司控器方向開關、傳動箱擋位、機車速度)變化或按下操縱臺上的復位按鈕，自動加載程序自動退出，并復位進入下一個2 h的計時周期。若需要繼續進行自動加載，則需使用手動觸發自動加載程序進行強制加載。在任何功能狀態下，按下操縱臺上的緊急制動按鈕，機車均會自動卸載并緊急制動。

機車重聯后，從車接收本車的控制信號，PLC按程序獨立自動加載保護。若機車狀態變化打破自動加載條件，則機車自動退出自動加載程序，不影響機車正常使用。

3.2 現場驗證

將技術改造后的內燃機車置于試車線上，按照上述程序邏輯進行手動模擬試驗驗證。柴油機起動2 min后，將大閘制動手柄置于緊急制動位置，制動缸壓力為0.42 MPa，司控器擋位開關置0位，司控器方向開關置非0位，機車掛前進或后退2擋，將柴油機轉速升至1000～1300 r/min、30%負荷時，運行10 min，柴油機水溫升至70～80 ℃，柴油機排氣歧管充分膨脹，排氣歧管的密封件有效發揮作用。經查驗，排氣歧管連接部位沒有出現黑油滲漏現象。柴油機加載運行10 min后，回到怠速狀態(850 r/min)，運行2 h，未發現漏油。兩車連掛后安排隧道沖洗作業，未出現漏油現象。

現場測試表明，通過上述措施可以有效地解決排氣歧管連接部位出現的滲漏現象。

4 結語

為解決烏魯木齊地鐵1號線JMY600FX6(B)G5型內燃機車排氣歧管滲漏黑油問題，提出了一種在機車啟機后怠速工況下提高柴油機負載的方法，優化設計PLC控制程序，使活塞環和排氣歧管充分膨脹，在機車上加裝制動缸壓力繼電器，規范機車操作，有效地解決排氣歧管連接部位黑油滲漏問題。