某柴油机在功率提升改进过程中遇到的问题分析及解决途径 童顺波摘 要：文章研究某柴油机在功率提升设计改进中遇到的问题，分析了柴油机功率提升后曲轴、气缸套、活塞、活塞环等主要零部件机械和热负荷状况，并对这些零部件进行了设计改进，改进后的零部件通过了性能和耐久试验，满足了柴油机功率提升的要求关键词：柴油机；功率提升；改进途径1 问题的提出现代柴油机发展局势是升功率越来越大，同时满足不断严格的排放法规要求我司某型号柴油机增压后功率强化目标65KW/r/min，但改进前实际最大功率为53kW/r/min，若功率大于53kW/r/min，柴油机曲轴箱通风装置排出的气体会明显增大，同时伴有明显的机油耗增加现象（增加30%）2 为解决功率提升过程遇到的问题，对柴油机关键零部件分析，以找出改进方案2.1 对柴油机原气缸套工作时产生的相对变形量进行校核气缸套的相对变形δ=t/l=PNmax·l·l（3·l·E·J）式中：t-由于气缸侧压力产生的弯曲挠度；E-材料的弹性模数；PNmax-气缸最大侧压力；J=π/64（D-D4）-气缸截面的惯性矩δ的许用值≤0.001；实际计算δ为0.0013，显示气缸套刚度不满足功率提升后要求。
气缸套受到柴油机燃烧的爆发压力和活塞的侧压力正常情况下，气缸套与活塞环贴合良好当气缸套刚度差，因变形量大产生失圆，缸套和活塞环之间产生缝隙，燃烧气体从缝隙中流出，活塞环刮机油作用减弱，造成柴油机曲轴箱通风装置排气量加大，并带有排机油颗粒现象，机油耗增加如果变形量过大超出设计值，缸套和活塞环之间接触不均匀，造成局部接触应力高，润滑油膜遭到破坏，柴油机易出现拉缸2.2 对功率提升后曲轴强度分析原柴油机曲轴材料为QT900-2，表面氮化处理通过的曲轴的强度校核发现，曲轴的强度安全系数为1.74（要求安全系数n≥1.8），原曲轴强度设计不能满足强化后柴油机要求球铁曲轴滚压圆角后，疲劳强度能提高30%以上，与曲轴相关装配的零部件结构无需改变曲轴强度校核发现，将曲轴采用氮化加滚压圆角的工艺方法满足柴油机功率强化到65KW/2400r/min功率要求，准备装用氮化滚压圆角曲轴进行试验3 改进方案实施提高气缸套的刚度方法：（1）增加气缸套厚度可增加刚度，但柴油机机体缸套部分水腔体积相应会减小，不利于缸套散热，而柴油机功率提升后热负荷却增大，因此该方案不可取2）将缸套下支撑向上移动15mm，增加缸套支撑刚度，从而减少缸套振动。
该方案柴油机机体和缸套改动较小，效果明显，方案可行柴油机曲轴由氮化曲轴改为氮化滚压圆角曲轴，曲轴材料不变4 改进后性能试验将装气缸套下支撑上移、滚压圆角曲轴的柴油机进行性能试验，柴油机性能达到改进预期目的，改进前后對比数据如表15 可靠性试验情况将装气缸套下支撑上移、滚压圆角曲轴的柴油机进行功率提升后可靠性试验，开始柴油机工作时各项性能指标表现正常，当柴油机连续运转200小时后，柴油机曲轴箱通风装置排气量开始增大，并有轻微的排机油现象，同时排气温度也比可靠性试验开始时升高25℃，可靠性试验终止拆开柴油机进行检测发现，气缸套有拉缸现象，活塞环磨损严重，磨损后的活塞环开口间隙为1.1（耐久试验前开口间隙为0.32）柴油机的气缸套、活塞、活塞环不满足功率提升后的柴油机负荷要求，可靠性试验失败如图2所示）6 可靠性试验出现的问题原因分析（1）柴油机功率提升后，活塞、活塞环所受的机械负荷和热负荷同时增加，活塞第一道环处的润滑油在高温下易变质，变质后的润滑油在活塞环处形成积碳，活塞环处于半粘接状态，活塞环失去弹性在润滑失效的情况下，活塞、活塞环、气缸套在工作过程磨损异常加大，很容易出现拉缸，伴随机油耗增加，柴油机曲轴箱废气加大。
2）从拆下的活塞看，活塞内腔有受高温变色现象柴油机功率提升后，活塞头部热负荷增加后，也会导致活塞头部热膨胀过大，容易使活塞头部与气缸套发生粘接，产生拉缸现象因此，必须采取措施解决活塞头部及活塞环处的温度（特别是第一道活塞环）7 可靠性试验出现的问题改进方案7.1 活塞改进（1）活塞顶部采用阳极氧化处理，厚度0.04-0.08，氧化膜层隔热性好，能使活塞头部减少热量吸收，降低活塞头部温度2）活塞裙部石墨化处理，石墨层厚度0.007-0.015石墨涂层具有良好的自润滑性能，活塞裙部喷涂石墨后，即可改善活塞初期磨合性和启动时的防拉缸性能，又可起减磨作用，减少缸套和活塞摩擦3）在活塞头部内第一道环槽附件增加环形冷却油道，机体上的喷嘴将机油喷入活塞头部内环形冷却油道内，进一步降低活塞头部热负荷（原柴油机设计是在活塞头部外壁喷油冷却，冷却效果差）7.2 活塞环改进（1）第一道活塞环由桶形环改为双面梯形环梯形环在径向运动时，测隙不断变化，能把胶状油焦从环槽中挤出，从而使环槽中的机油不断更新，将活塞环处的积碳减少到最少程度2）考虑到排放法规越来越严格，EGR技术应用是我司降低柴油机NOX的技术路线EGR工作时，废气进入气缸内，废气中的微粒吸附在缸套或缸套内的机油上，造成气缸套、活塞环磨损增加，而废气中的硫化物，最终也可能生成H2SO4，也会对气缸套、活塞环等件加速磨损。
因此，活塞环采用铬陶复合镀（CKS），CKS活塞环具有良好的耐磨性和高温承载性7.3 润滑冷却系统的改进将活塞冷却喷嘴的直径有φ1.4改为φ1.5，以增加活塞喷嘴喷出机油量来降低活塞头部温度机油的主要作用是减少零部件的磨损和摩擦功，对零件表面进行冷却和清洗采用加大流量机油泵来满足活塞冷却喷嘴处的喷油量增加的需求，改进后机油泵比原机油泵流量增加了20%，确保柴油机在高速全负荷时机油压力仍然达到设计值，也降低了主轴承和连杆轴承的工作温度，提高这些轴承的可靠性柴油机强化程度提高后，传递到机油和冷却水的热量也会相应增加，该问题通过增加柴油机的机油散热器和冷却水散热器散热面积解决7.4 气缸套的改进气缸套长期受到活塞环的往复运动，受到气体大的压力燃烧气体的高温冲击力，工作条件非常恶劣气缸套上部承受的压力特别大，温度也高，润滑油膜建立和保持较困难这要求气缸套有较好的耐磨性、减磨性、抗咬合性和自润滑性原柴油机装用硼气缸套，现采用硼铸铁等离子淬火气缸套提高缸套的耐磨性和抗拉缸性采用菱形交叉网纹等离子淬火缸套，气缸套等离子淬火后的网纹硬化带有极高的硬度，成为气缸套表面坚硬的骨架；而未淬火缸套表面质地较软，在活塞环与气缸套运动摩擦过程中，形成相互封闭的微油池，大大改善了磨损环境。
带EGR柴油机吸气过程中进入的微颗粒，也能嵌入而未淬火质地较软缸套表面区，减少了表面划伤因此，等离子淬火气缸套表面有软硬相间的网络组织，具有及好的耐磨性和抗拉缸性改进后的活塞、活塞环、气缸套及润滑冷却系统装在带有EGR的柴油机进行性能试验，性能达到设计要求（功率由53KW/2400r/min提升到功率65KW/2400r/min）同时柴油机也顺利通过1000小时可靠性试验如表2所示）耐久试验后气缸套磨损量为0.003mm，活塞环开口间隙增加0.035mm，零部件磨损均正常，如图3所示结束语通过对该柴油机的机体（气缸套下支撑上移）、曲轴、活塞、活塞环、气缸套及润滑冷却系统的设计改进，使该增压型柴油机的功率提升了22%，柴油机性能和可靠性都达到了设计改进目标参考文献[1]杨连生.内燃机设计[M].中国农业机械出版社.[2]史绍熙，等.柴油机设计手册[M].中国农业机械出版社.[3]杨国成，等.激光淬火提高气缸套的耐磨性[J].江苏理工大学学报，2000. -全文完-。