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影响柴油发电机窜气量大的因素和预防措施 |
摘要：窜气量是评价柴油机性能的关键指标之一，窜气量大对柴油机的不利影响主要有加速机油老化，降低机油粘度，不利于润滑；增加曲轴箱压力，导致密封件漏油；阻碍活塞下行，影响柴油机功率。其中，活塞窜气量占柴油机总窜气量的比值高达70%。因此，降低活塞窜气一直是康明斯发动机公司的重要课题之一，本文对影响柴油发电机窜气影响因素进行了分析，并论述了降低和预防气缸窜气的措施和方法。
一、活塞窜气量模型建立
柴油机燃烧室的密封依靠活塞、活塞环和缸孔三者之间的相互配合来实现，降低活塞窜气可以从活塞型线、活塞环型线、环的开口间隙等诸多角度入手。但是，在正向设计过程中，由于时间和经济成本的制约，无法用台架试验对每一个优化方案进行试验验证。因此，我们利用软件仿真平台，对基本型方案进行试验标定，在可靠的仿真模型基础上，对优化方案进行仿真计算和对比，选择出最佳方案，大大提高了多方案比选的经济可靠性。
1、活塞窜气量动力学模型
活塞环伴随着活塞上下往复运动时，其运动形式表现为沿气缸轴向运动和活塞环径向运动，运动过程中所受载荷见图1,气缸轴向方向载荷包括往复惯性力、活塞环与缸套之间的摩擦力气体压力、活塞环与润滑油产生的阻尼力和使活塞环产生弯曲变形的环弯力F,活塞环在环径向所受载荷包括活塞环张力气体压力、活塞环与环槽之间的摩擦力和油膜压力。
2、活塞窜气量分析输入边界
以某款直列四缸柴油机为分析模型，在ExcitePR中建立活塞窜气量计算动力学分析模型：缸体、活塞、活塞销、活塞环组、连杆。柴油机实际运转中，缸体、活塞和环组的热态型线是影响窜气量大小的重要因素，因此，获得缸体等部件的热态型线成为计算的关键输入。由于实际无法测量热态型线，因此，本文中型线定义采用在冷态型线上加温度场引起的热变形来获得热态型线。
3、原因分析
为查找窜气量增大的原因，首先查看试验过程记录，试验记录中缸内压强数据始终处于设计范围内，无异常燃烧情况。对被测柴油机进行拆解后检查活塞安装正确、无并口的问题，且无异常磨损痕迹。为进一步排除其它部件问题，进一步进行了零部件匹配互换，缸盖、缸体、活塞互换等排查，最终故障零件锁定为活塞环组件，初步分析是由于主要漏气通道的尺寸参数存在问题。根据以上排查，样件质量、装配和环境均无异常，重点怀疑为活塞环及其配合参数不合理，导致活塞窜气量大。
4、活塞环组动力学模型建立
该柴油机的活塞环组动力学模型如图1所示，建立活塞环组动力学模型，模型中包括活塞、活塞销、连杆、气缸衬套、活塞环组(包括一环、二环以及弹簧内撑式油环)。并对该模型进行如下假设：
① 仅考虑在主推力面和次推力面所构成的平面内的活塞运动；
② 仅考虑柴油机额定转速工况，即忽略转速不均匀对活塞环组的影响；
③ 采用有限元缩减模型法建立活塞、衬套的弹性体模型，而连杆、曲轴、活塞销和轴承均采用刚性体单元环，并忽略各铰连接的间隙。
为充分考虑活塞、活塞环及衬套的热态，首先以测量得到的活塞温度场作为热载荷，并根据材料热膨胀系数，计算活塞的热态轮廓，如图2所示。
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图1 活塞环组动力学模型示意图 |
图2 柴油机活塞热态轮廓示意图 |
二、窜气量大的影响因素
柴油机活塞窜气量（Blow by）是柴油发电机组运行过程中的关键参数。窜气量大不仅可以导致发动机功率降低、曲轴箱压力过高、机油消耗增加、加速机油变质、破坏油膜，严重时会导致拉缸、抱轴等故障。造成窜气量大的原因有很多，如图3所示。根据康明斯公司的故障信息统计情况来看，窜气量大的故障，大多数为活塞环、活塞及缸套之间的封气通道失效，如图3所示。针对柴油机窜气量大问题，在失效模式分析的基础上，对柴油发电机结构及参数对漏气量的影响开展了深入分析。
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图3 柴油机窜气量大故障分析图 |
图4 活塞环密封度对窜气影响 |
1、活塞环槽下侧面倒角的影响
活塞环槽下侧面与活塞环下侧面直接配合，构成了防止燃气通过环槽间隙的主要密封表面，所以对环槽的加工质量要求较高。为保证贴合面的接触质量，不允许出现任何微小、局部的凸起或贯穿密封面的划痕，否则会造成窜气量的异常增大。
通常情况下，为保护环槽两侧外边缘免于损坏，还要在环槽外边缘略微进行倒角。但由于第一道环槽下侧面的倒角正好位于第一道活塞环的下面，会加剧第一道环的不稳定运动，因而对窜气和机油耗起着十分不利的影响。图5和图6的变化曲线揭示了该处倒角大小与窜气量的变化关系与尖角环岸边缘（倒角为0）相对照，若加工0.5mm的倒角，窜气量约从40L/min猛烈增加到80L/min。在设计和加工此处倒角时比较合理的倒角大小选择是 0.1、0.2mm。因此，在对活塞环槽进行加工和装配过程中，对第一道环槽的倒角一定要特别的小心，不允许出现倒角尺寸过大以及磕碰、加工毛刺等微小凸起。
根据经验，其余几道环岸边缘倒角对窜气没有重大的影响，但必须防止出现毛刺。
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图5 环槽深度对窜气量的影响曲线图 |
图6 环槽深度对窜气量的影响局部放大图 |
2、顶岸间隙的影响
顶岸间隙对活塞环密封系统能否稳定工作十分重要，过小的顶岸间隙不利于燃烧室内燃气压力向活塞环部位的迅速传递，因此，顶岸间隙必须大到可以保证燃气能够顺畅地到达活塞环密封系统所在的顶环环槽处。
设计顶岸间隙的大小还必须同时考虑高负荷工况下缸套严重磨损问题，这种磨损是由覆盖在活塞顶岸上积炭磨光引起的。为防止积炭磨光，也需要加大活塞顶岸与缸壁的间隙，使积炭层增厚至不再能得到足够的粘接力而自行剥落。
3、活塞环边缘形状的影响
为防止装配活塞环时在棱边处产生的毛刺或尖锐凸起划伤缸套表面，活塞环外棱边必须进行倒角或修圆处理。但由于顶环下棱边倒角和顶环下方活塞环槽的倒角会共同形成一个容纳燃气的小间隙，且分布在整个圆周方向上，致使活塞环的密封压力减少，窜气量增大。
倒角大小或修圆后的圆角大小对窜气量的影响与前述第一道环槽下侧面倒角对窜气量的影响基本相同。在其他条件不变的情况下，随着第一道活塞环边缘倒角或圆角半径的增加，窜气量会大大增加。因此，第一道环下棱边应尽量采用小倒角过渡，推荐的倒角大小为0.1、0.2mm。在进行发电机组窜气试验时，工作面为桶面的活塞环下棱边虽然加工成尖角，可是在磨合初期窜气量仍有些偏离，只有在桶面环磨合到下端面尖角处之后，窜气量才会减少。
究竟采用多大的倒角，才能既有效控制窜气量，又能控制加工成本，保持合理的性价比，对此，采用表1所示的四种倒角型式进行了专门的试验研究。试验结果采用常规倒角结果为基准1的相对值。
表1 四种活塞环倒角的窜气量试验值
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实测值
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倒角形式
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窜气量
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常规倒角：实测值0.28m
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规格0.15、0.40mm
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1.00
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磨削倒角：实测值0.10m
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规格最大0.10m × 45°
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0.87
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磨削倒角：实测值 0.20m
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规格最大0.20m× 45°
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0.86
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磨削圆角：实测值0.14m
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规格最大0.20m
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0.66
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从表中可以看出，磨削倒角和磨削圆角得到比常规倒角好得多的结果。然而，最大0．10mm的磨削倒角在其制造工艺中存在某些困难，加工成本较高，最大0.20mm磨削圆角是比较合适的工艺方案。
4、切口形状的影响
很多柴油机制造商曾经试图改变活塞环的切口形状来减少窜气量，比如采用斜切口、搭接切口等形式，但试验效果并不理想。实践证明活塞环切口形状对窜气量的影响不大。
5、活塞环外圆面的影响
近年来，活塞环有减少轴向高度的发展趋势，以免活塞环振颤并减少摩擦。但这有时会带来严重的窜气量波动问题，批量生产中可以看到发电机组的窜气量十分不规则，即在配相同的发电机组时，有的窜气量很低，有的则大大超过规定值。这是由第一道活塞环受到气体压力而变形，活塞环顶部外边缘与缸壁接触而造成的。
因此，为了提高初期磨合性和抗擦伤性，第一道环滑动面通常设计成桶形。桶面度愈小，窜气量愈少。由于采用桶面环取得了补偿效果，批量生产中所有发电机组的窜气量基本达到了一致。然而如前所述，为充分发挥活塞环工作面下棱缘的尖角效果，要求活塞环既不能太凸出，也不能在气体压力下变形而使环工作面下边缘不再与缸壁相接触。为此， ·还有必要采用其他方法补偿变形，例如采用内倒角或锥面气环等技术措施。
6、开口间隙的影响
单独减少第一道活塞环的开口间隙对减少窜气量的作用不大，活塞环安装要求如图8所示。根据DIN标准，活塞环开口间隙的减少有一个极限范围，因为在高负荷（即高温）条件下，环的开口间隙可能会消失，有可能引起活塞环卡死。一般窜气量会随开口间隙的增大而增加。开口间隙增加0.5mm，约相当于活塞环径向磨损了0.08mm，即接近于活塞环镀铬层厚度。开口间隙增加到上述数量级时，所引起的窜气量的增加仍然在允许的范围内。但如果开口间隙增加超过0.5mm，则窜气量会急剧升高。
如果将柴油机第一和第二道环的开口间隙同时进行考虑，清况又会有所不同。开口间隙C设计成C第一道< C第一道，称之为C平衡，由于环组压力的合理分配，能够起到降低柴油机窜气量和机油耗的作用。这种设计可尽量减少通过第一道环开口间隙流入第二道环岸的燃气流量，同时加大通过第
道环开口间隙流入第三环岸的燃气流量，从而降低第二环岸处的气体压力，减少了第二环岸对第一道环向上的推力，顶环维持稳定的密封压力，弱化了顶环的不稳定运动，即保持了活塞环密封系统的动态平衡。
7、活塞环数量的影响
试验反复表明，只要活塞环不是因不利的间隙或设计而削弱自身的功能，对于非增压和增压发电机组燃烧室来说，三道活塞环完全可以满足密封要求。
8、机油的影响
机油含水量超标会严重影响发电机组窜气的控制，在批量生产实际中，由于机油的反复使用，常常出现大批发电机组窜气量突然增大的奇怪现象。这往往是由于重复使用的机油中水分没有及时清除干净，造成机油品质大幅下降，因此，必须及时对重复使用的机油进行脱水处理。
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图7 顶岸间隙对窜气量的影响曲线图 |
图8 柴油机活塞环装配要求 |
三、降低窜气量的措施和方法
1、提高柴油机的修配质量
（1）提高气缸套的镗磨和装配质量
研究表明，采用光洁的凸台网纹表面镗磨技术:如图b），可改善缸套的贮油性和磨合性，减少活塞、活塞环和气缸磨合时的刮伤和擦伤，有效降低窜气量其性能指标如下：
① 交叉线痕迹角度β=22～32°，两个方向均匀加工；且要求磨削清晰、无金属撕裂和皱褶现象。
② 凸台网纹微观不平度平均值20～30μm（范围15～35μm）；交叉线痕深度平均值4~6.5μm（范围2.5～8μm）；宽度平均值10～15μm（范围5～23 μ m）。
③ 凸台占表面积的1/2～2/3、且无压光、挤光和颗粒嵌入现象。
另外，在缸套选配和安装时，防止因安装方法不当造成局部变形、倾斜和应力集中，特别是湿式缸套，应选用合格的缸套水封胶圈，对一些采用不同颜色和特硃形式的水封圈（如“矩形“、“d”等），应注意不要装错、装反，气缸套安装后，上平面凸出量应严格控制在规定的范围（一般为0.06～0.13mm）之内；气缸盖螺栓的扭矩应均匀且附合规定。
（2）正确选用和装配活塞环
选用的活塞环应无锈蚀、扭曲和变形.且“三隙”必须符合规定要求，活塞环槽上、下端面应光洁.无锈蚀、划痕和污物 组装活塞环时、活塞环口应禁止随意扩张和压缩，以防产生轴向扭曲；活寒环装入环槽时.必须用专用工具、防止因装配方法不当而使活塞环在环槽内出现上下扭曲，产生永久变形；活塞连杆组装入气缸时.禁止猛打猛敲，以防止活塞环与气缸发生磕碰而导致损伤、裂纹和应力集中等。
2、正确使用和维护柴油机
（1）切实做好新机及大修后柴油机磨合运转，保养和清洗工作。
（2）加注的冷却水应是无污染的软水，对一些装有防腐蚀化学剂（DCA）水滤器的冷却系统，应禁止频繁更换冷却水，以免影响DCA含量，加速缸套的穴蚀破坏及外表面结垢。
（3）应根据气候、环境和柴油机的性能等因素，正确选用燃油：认真调整和校正喷油（点火）提前角和喷油压力，确保柴油机正常工作。
（4）注重空气、机油及燃油滤清器的清洁和保养工作.及时更换滤芯。
（5）柴油发电机冬季运转时，机油应保持正常工作温度，防止在低温状态下，负荷猛增猛减及长时间的怠速工作，并尽量减少冷起动次数及在高温状态下频繁熄火等。
3、合理选用润滑油的粘度等级
粘度等级选用的原则必须满足柴油机在各种工况.环境温度下启动快、具有高效的清洗、密封作用、磨擦损失小、柴油机的工作可靠性和经济性高。所以必须根据环境温度、柴油机工况、技术性能等因素合理选用。一般新机或刚大修后柴油机在走合期，技术状况优良、磨损小的柴油机，经常停歇、短途行驶、柴油机起动频繁的机械和车辆等、在保证润滑的前提下、应优先选用粘度较低的润滑油。技术状况差，磨损严重以及经常在气温较高的环境下作业则应选用粘度较大的润滑油，以保证良好的密封性。
总结：
正常情况下，从柴油机活塞及活塞环组件漏出的气体数应为进气量的1%以下，当柴油机窜气量超过规定值时，将引起功率损失增大、燃油消耗率上升、润滑油被恶化。在这些现象的基础上，分析产生的原因，然后对症下药，予以排除，同时采取有效措施进行预防，以杜绝此类故障的发生。
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