康明斯动力（深圳）有限公司

 

新闻主题	柴油发电机部件系统的改进和提升技术

 

摘要：在人们的印象中，柴油发电机都是傻大黑粗，技术落后，除了动力强劲之外一无是处。其实现代的柴油发电机随着现代科技的发展，也搭载了越来越多的先进技术，让柴油发电机的动力性、经济性越来越突出，而且噪音和排放控制得越来越好。当今先进的柴油发电机，是一种集冶金、材料、加工、自动控制、传感器、化工为一体的高科技产品。本文以康明斯发动机KTA38系列为例，论述了通过缸体选择合理的炉料配比、化学成分、增C剂，并控制Si/C、Mn/S,提高大马力缸体铸件力学性能的工艺改进。

 

一、康明斯各部件常见提升技术

 

1、冷却系统

      柴油发电机的散热与热管理是非常重要的，也是发动机设计中的一个难题。现代柴油发电机一般使用强制循环水冷却系统，合理设计发动机气缸体水道，可以让冷却液均匀地流过发动机每一个角落，让散热更均衡，避免了老式柴油发电机部分气缸冷却不足的缺陷。现代柴油发电机大多使用免维护水泵，树脂叶轮，碳化硅密封圈，叶轮重量更轻、更耐腐蚀，防渗漏能力更强，使用寿命大大延长。为了避免冷却液腐蚀发动机，一般都使用专用防冻液，不允许用普通防冻液替代。同时采用电控硅油风扇离合器，可以更精准地控制风扇的转速，让发动机尽快升温，并保证高负荷时的冷却强度。

2、盘车装置

      原发电机组的盘车采用的盘车杆手动盘车，飞轮外圆上有盘车孔，需要盘车时将盘车杆插人盘车孔，通过人力搬动盘车杆进行盘车。这样轮机人员不但劳动强度大，而且盘车不准确，需要多次搬动盘车杆才能达到盘车要求，同时无法进行盘车连锁，盘车时很容易造成人身伤亡事故。为此我们设计了电动盘车装置，见图1，另外在柴油发电机飞轮上设计安装了一个盘车齿圈。需要盘车时，只需按动按钮，电动盘车装置的小齿轮与飞轮的盘车齿圈相啮合，就可以顺利带动柴油发电机按照要求进行盘车。重要的是该盘车装置可以安装一个手柄开关进行起动盘车连锁。盘车时，柴油发电机起动空气管路被自动切断，避免了盘车时人身伤亡事故的发生。

3、增压器

      康明斯柴油发电机组原来采用TPS61-F33增压器，虽然也能满足发电机组使用要求，但是存在大马拉小车的现象，该增压器裕度太大，存在浪费现象。为了在不影响柴油发电机性能的前提下节约成本，特地重新进行了增压器选型。经过配机试验，选用了霍尔塞特增压器正式作为该型发电机组的增压器（外观如图2所示），仅此1项每台可节约成本5万余元。48台柴油发电机组，可节约成本240万元，效益相当可观。

 

图1  柴油机电动盘车装置

图2  霍尔塞特增压器内部透视图

 

4、启动技术

      现代柴油机不论是冷启动能力还是热启动能力都非常强，几乎都可以做到“点火就着”。这是因为现代柴油机有一套先进的启动技术。首先是有一个大功率的起动机，保证柴油机有足够的启动转速；其次是有先进的启动控制逻辑，在启动阶段的喷油正时、喷油量等控制更精准；最后就是有火焰预热启动系统，可以在气温较低时加热进入燃烧室的空气，让冷启动更容易。

5、缸套、活塞

      为了提高缸套内表面耐磨性，防止拉缸现象发生，因此在缸套内表面增加了软氮化要求，缸套内表面粗糙度由Rz 5-10改为Rz 3-7。

      活塞由分体式改为整体铸铁活塞，为了防止燃油喷到气缸壁上和活塞顶过热，对w型线进行了优化，w型深由26mm增加到33·5mm，同时加大了活塞滑油冷却腔面积。为了防止柴油发电机运动过程中活塞顶与进、排气阀干涉（即顶缸），特意在活塞顶布置了4个0.5mm深的避阀坑。

6、曲轴

       现代柴油发电机一般使用整体式铸造曲轴，材质为球墨铸铁或者铸钢。随着现代机械加工技术的进步，曲轴的加工精度越来越高，甚至可以控制到微米级。曲轴的轴颈表面通常使用氮化技术，以增强表面硬度，提高耐磨性能，提高曲轴的抗疲劳强度。

7、进气与燃烧技术

      现代的柴油发电机为了让更多的空气进入燃烧室，通常都使用涡轮增压、进气中冷、多气门（四气门）技术，可以把柴油发电机的功率和扭矩提升30%以上。部分乘用车柴油发电机还采用可变进气正时、可变气门升程、可变截面涡轮增压器、双增压器等技术，有效提升充气系数。现代柴油发电机大多采用ω型燃烧室，较小的面容比，中置喷油器，进气可以形成更强劲的进气涡流，燃烧更加稳定、柔和、充分，有利于提升柴油发电机的动力性能和排放水平。

8、密封技术

      老式柴油发电机漏油是非常普遍的现象，现代的柴油发电机漏油现象大大减少，主要归功于先进的密封技术以及更精密的加工技术。曲轴的前、后油封，越来越多地使用 PTFE（含聚四氟乙烯高分子化学材料），密封性、抗高低温性能、耐腐蚀、耐老化性能更强，使用寿命更长。在各密封面，由于精密的机加工技术，平面度非常高，一般使用普通的厌氧密封胶就可以实现良好的密封，不再采用密封垫结构。

 

二、康明斯缸体性能提高技术

 

      以康明斯柴油发电机组的动力KTA38系列为例，K38缸体是康明斯大马力发动机（600～1400KW）的关键件，为V型12个缸结构（如图3所示）；外形尺寸1563×866×701mm，缸体净重1360kg，壁厚变化大（最薄处8mm，最厚部位100mm），生产难度大。按康明斯技术标准，该型号发动机功率大于800 KW时缸体力学性能必须满足，试棒抗拉强度≥310MPa（铸件本体按图纸指定的部位取样≥241MPa）、本体硬度≥HB187。缸体加工后做气密性检查，不允许有渗漏。对于这样一个重量大冷却速度慢，又要求周身致密的油道、水腔众多的缸体，要提高其机械性能，如果采用简单的降低碳当量或提高合金是行不通的，我们从选择合理的炉料配比、化学成分、改进增碳工艺，并控制Si/C、Mn/S等措施着手，较好地达到了提高K38缸体力学性能的目的。

1、化学成分的确定

      灰铸铁的抗拉强度随着碳当量的提高而降低。为保证缸体的铸造性能和凝固时的自补缩能力，我们选取3.95%≤CE≤4.05%进行工艺试验，试验证明缸体铸件单铸试棒的抗拉强度接近310MPa，但不稳定，如图4所示。

       为了提高提高缸体的本体硬度和热疲劳性能，通过加入Cu、Mo和Cr合金，进行合金化，确定合金元素的最佳匹配，如表1。

表1    康明斯柴油机缸体材料合成

      试验证明Cu对缸体本体硬度的贡献比Cr大。由于缸体有热稳定性要求，Mo能提高铸件的热疲劳性能，即使价格比Cr昂贵，加入Mo还是十分必要的。Mn、Cu与Mo对提高性能有贡献，但R-Sq值与R-Sq（adj）值不高，合金化不是解决提高力学性能问题的唯一途径，还要靠其它工艺措施保证。

      因此，康明斯K38缸体铸件的化学成分为o（C）3.2~3.35%，CE控制在3.95~4.05%，o（Cu）0.65～0.70%和o（Mo）0.25～0.35%。

 

图3  KTA38系列康明斯发动机缸体结构

图4  试棒抗拉强度

 

2、提高康明斯K38缸体力学性能的工艺措施

（1）金属炉料配比

      生产实践证明，相同的化学成分，由于熔炼工艺不同、配料不同，铁液的冶金质量完全不同。生铁由于存在具有遗传性的粗大的过共晶石墨，在熔化过程中难以完全消除，使凝固过程中产生的石墨化膨胀作用削弱，铸件的致密性降低，铁液收缩倾向增大，同时粗大的石墨还加大对基体的割裂作用，降低材料的性能。增加炉料中废钢比例，铸件的抗拉强度明显上升。因此，我们在生产中工艺规定废钢加入量必须大于30%、生铁加入量小于20%，其余为回炉料。

（2）选用经过高温石墨化处理增碳剂

       废钢比例的增加，铁液的o（C）量必须靠增碳技术来保证。以前我公司采用碳化硅或优质无烟煤球作为增碳剂，增碳效果不明显，操作者抱怨较多，工艺规定的炉料配比难以严格执行。选用经过高温石墨化处理的增碳剂后，与第一批炉料一起加在炉底，增碳效果大为改善。经过高温石墨化处理的增碳剂，碳原子从无序排列过渡到片状石墨的有序排列，片状石墨能成为石墨形核的最好核心，促进石墨化，减少了铁液收缩。我公司采用经过高温石墨化处理的增碳剂后，缸体致密性改善，机械性能提升，渗漏比例明显下降。

（3）控制Si/C比

      提高Si/C比，铁液o（C）量相对较低，对基体的割裂作用减弱。o（Si）量相对较高，固溶强化增强，有利于铸铁强度的提高。高Si/C比的铁液有利于消除铸件边角处的白口。在CE相同条件下，高Si/C比的铸件，残留应力低，缸体铸件在机械加工时也不易变形。

      康明斯K38缸体本体硬度检测点有8个，每处的HB硬度差值不能超过30。因此，标准要求缸体薄壁处硬度不要太高，壁厚处硬度也不要太低。我们将原始Si选择在1.85-1.90%之间，Si/C比控制在0.6～0.7之间，解决了缸体各检测点硬度均匀性问题。

（4）控制Mn/S比

      Mn、S和P都是阻止石墨化的元素。只有少量溶入渗碳体的Mn可增强Fe、C原子间的结合力，促进形成珠光体，同时Mn与S可形成石墨非自发形核的核心MnS，减弱S阻碍石墨化作用，间接地有利于石墨化。S可以改善铁液的孕育效果，提高铸件的加工断屑性能。但石墨非自发形核的核心MnS必须维持在一个特定的范围，MnS增加过多，石墨会变粗，多余的MnS形成密集的夹渣，割裂基体降低铸铁的强度，影响铸件的致密性，增加缩漏倾向。

      由于锰和硫在铸铁中有相互制约的作用，所以在选择Mn含量与硫含量时必需考虑Mn/S值。生产实践证明，康明斯K38缸体Mn/S选择6-8较为合适，缸体单铸试棒机械性能、本体硬度均达到康明斯技术标准要求，缸体渗漏率低于3%。 

3、结论

（1）为保证康明斯K38发动机缸体铸铁具有良好铸造性能与力学性能，CE控制在3.95-4.05之间，加入Cu与Mo进行合金化。

（2）控制炉料配比中生铁加入量不应高于20%，废钢不应低于30%。选取经过高温石墨化的增碳剂增碳，增碳效果明显，铁液收缩性小，缸体致密性增加。

（3）在提高力学性能的同时，控制Si/C比在0.6-0.7之间，Mn/S比在6-8之间，铸件缩松和缩漏缺陷降低。

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