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，改进前后对比数据如表1。
5 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.
