影響柴油發電機竄氣量大的因素
發布時間：2023-11-06 點擊：198
影響柴油發電機竄氣量大的因素
柴油機活塞竄氣量（blow by）是柴油發電機組運行過程中的關鍵參數。竄氣量大不僅可以導致發動機功率降低、曲軸箱壓力過高、機油消耗增加、加速機油變質、破壞油膜，嚴重時會導致拉缸、抱軸等故障。造成竄氣量大的原因有很多根據康明斯公司的故障信息統計情況來看，竄氣量大的故障，大多數為活塞環、活塞及缸套之間的封氣通道失效。針對柴油機竄氣量大問題，在失效模式分析的基礎上，對柴油發電機結構及參數對漏氣量的影響開展了深入分析。
柴油機竄氣量大故障分析圖
1、活塞環槽下側面倒角的影響
活塞環槽下側面與活塞環下側面直接配合，構成了防止燃氣通過環槽間隙的主要密封表面，所以對環槽的加工質量要求較高。為保證貼合面的接觸質量，不允許出現任何微小、局部的凸起或貫穿密封面的劃痕，否則會造成竄氣量的異常增大。
通常情況下，為保護環槽兩側外邊緣免于損壞，還要在環槽外邊緣略微進行倒角。但由于第一道環槽下側面的倒角正好位于第一道活塞環的下面，會加劇第一道環的不穩定運動，因而對竄氣和機油耗起著十分不利的影響。圖3的變化曲線揭示了該處倒角大小與竄氣量的變化關系與尖角環岸邊緣（倒角為0）相對照，若加工0.5mm的倒角，竄氣量約從40l/min猛烈增加到80l/min。在設計和加工此處倒角時比較合理的倒角大小選擇是 0.1、0.2mm。因此，在對活塞環槽進行加工和裝配過程中，對第一道環槽的倒角一定要特別的小心，不允許出現倒角尺寸過大以及磕碰、加工毛刺等微小凸起。
根據經驗，其余幾道環岸邊緣倒角對竄氣沒有重大的影響，但必須防止出現毛刺。
環槽深度對竄氣量的影響曲線圖
環槽深度對竄氣量的影響局部放大圖
2、頂岸間隙的影響
頂岸間隙對活塞環密封系統能否穩定工作十分重要，過小的頂岸間隙不利于燃燒室內燃氣壓力向活塞環部位的迅速傳遞，因此，頂岸間隙必須大到可以保證燃氣能夠順暢地到達活塞環密封系統所在的頂環環槽處。
設計頂岸間隙的大小還必須同時考慮高負荷工況下缸套嚴重磨損問題，這種磨損是由覆蓋在活塞頂岸上積炭磨光引起的。為防止積炭磨光，也需要加大活塞頂岸與缸壁的間隙，使積炭層增厚至不再能得到足夠的粘接力而自行剝落。但是，過大的頂岸間隙會把頂環過多地暴露在高溫、高壓的燃氣中，從而加大頂環的熱負荷。因此，有必要考察加大頂岸間隙對燃油耗、煙度、排氣成分是否有影響，頂環的溫度是否顯著上升等。一般來說，采用錐形頂岸間隙可以得到比較理想的結果。
頂岸間隙對竄氣量的影響曲線圖
3、活塞環邊緣形狀的影響
為防止力日工活基環時在棱邊處產生的毛刺或尖銳凸起劃傷缸套表面，活塞環外棱邊必須進行倒角或修圓處理。但由于頂環下棱邊倒角和頂環下方活塞環槽的倒角會共同形成一個容納燃氣的小間隙，且分布在整個圓周方向上，致使活塞環的密封壓力減少，竄氣量增大。
倒角大小或修圓后的圓角大小對竄氣量的影響與前述第一道環槽下側面倒角對竄氣量的影響基本相同。在其他條件不變的情況下，隨著第一道活塞環邊緣倒角或圓角半徑的增加，竄氣量會大大增加。因此，第一道環下棱邊應盡量采用小倒角過渡，推薦的倒角大小為0.1、0.2mm。在進行發電機組竄氣試驗時，工作面為桶面的活塞環下棱邊雖然加工成尖角，可是在磨合初期竄氣量仍有些偏離，只有在桶面環磨合到下端面尖角處之后，竄氣量才會減少。
究竟采用多大的倒角，才能既有效控制竄氣量，又能控制加工成本，保持合理的性價比，對此，采用表1所示的四種倒角型式進行了專門的試驗研究。試驗結果采用常規倒角結果為基準1的相對值。
表1 四種活塞環倒角的竄氣量試驗值
實測值
倒角形式
竄氣量
常規倒角：實測值0.28m
規格0.15、0.40mm
1.00
磨削倒角：實測值0.10m
規格最大0.10m × 45°
0.87
磨削倒角：實測值 0.20m
規格最大0.20m× 45°
0.86
磨削圓角：實測值0.14m
規格最大0.20m
0.66
從表中可以看出，磨削倒角和磨削圓角得到比常規倒角好得多的結果。然而，最大0．10mm的磨削倒角在其制造工藝中存在某些困難，加工成本較高，最大0.20mm磨削圓角是比較合適的工藝方案。
4、切口形狀的影響
曾經試圖改變活塞環的切口形狀來減少竄氣量，比如采用斜切口、搭接切口等形式，但試驗效果并不理想。實踐證明活塞環切口形狀對竄氣量的影響不大。
5、活塞環外圓面的影響
近年來，活塞環有減少軸向高度的發展趨勢，以免活塞環振顫并減少摩擦。但這有時會帶來嚴重的竄氣量波動問題，批量生產中可以看到發電機組的竄氣量十分不規則，即在配相同的發電機組時，有的竄氣量很低，有的則大大超過規定值。這是由第一道活塞環受到氣體壓力而變形，活塞環頂部外邊緣與缸壁接觸而造成的。
因此，為了提高初期磨合性和抗擦傷性，第一道環滑動面通常設計成桶形。桶面度愈小，竄氣量愈少。由于采用桶面環取得了補償效果，批量生產中所有發電機組的竄氣量基本達到了一致。然而如前所述，為充分發揮活塞環工作面下棱緣的尖角效果，要求活塞環既不能太凸出，也不能在氣體壓力下變形而使環工作面下邊緣不再與缸壁相接觸。為此， ·還有必要采用其他方法補償變形，例如采用內倒角或錐面氣環等技術措施。
6、閉口間隙的影響
單獨減少第一道活塞環的閉口間隙對減少竄氣量的作用不大，根據聯邦德國din標準，活塞環閉口間隙的減少有一個極限范圍，因為在高負荷（即高溫）條件下，環的閉口間隙可能會消失，有可能引起活塞環卡死。一般竄氣量會隨閉口間隙的增大而增加。閉口間隙增加0.5mm，約相當于活塞環徑向磨損了0.08mm，即接近于活塞環鍍鉻層厚度。閉口間隙增加到上述數量級時，所引起的竄氣量的增加仍然在允許的范圍內。但如果閉口間隙增加超過0.5mm，則竄氣量會急劇升高。
如果將柴油機第一和第二道環的閉口間隙同時進行考慮，清況又會有所不同。閉口間隙c設計成c第一道< c第一道，稱之為c平衡，由于環組壓力的合理分配，能夠起到降低柴油機竄氣量和機油耗的作用。這種設計可盡量減少通過第一道環閉口間隙流入第二道環岸的燃氣流量，同時加大通過第道環閉口間隙流入第三環岸的燃氣流量，從而降低第二環岸處的氣體壓力，減少了第二環岸對第一道環向上的推力，頂環維持穩定的密封壓力，弱化了頂環的不穩定運動，即保持了活塞環密封系統的動態平衡。
7、活塞環數量的影響
試驗反復表明，只要活塞環不是因不利的間隙或設計而削弱自身的功能，對于非增壓和增壓發電機組燃燒室來說，三道活塞環完全可以滿足密封要求。氣環數量過多，以試圖增加所謂的迷宮效應來降低竄氣量，實際證明是得不償失的，較少的活塞環數量能夠更好地發揮c平衡效果，維持密封系統的動態穩定性。出于這種考慮，近來甚至出現了只有頂環和油環的雙環結構。
8、機油的影響
機油含水量超標會嚴重影響發電機組竄氣的控制，在批量生產實際中，由于機油的反復使用，常常出現大批發電機組竄氣量突然增大的奇怪現象。這往往是由于重復使用的機油中水分沒有及時清除干凈，造成機油品質大幅下降，因此，必須及時對重復使用的機油進行脫水處理。
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柴油機竄氣量大故障分析圖
1、活塞環槽下側面倒角的影響
活塞環槽下側面與活塞環下側面直接配合，構成了防止燃氣通過環槽間隙的主要密封表面，所以對環槽的加工質量要求較高。為保證貼合面的接觸質量，不允許出現任何微小、局部的凸起或貫穿密封面的劃痕，否則會造成竄氣量的異常增大。
通常情況下，為保護環槽兩側外邊緣免于損壞，還要在環槽外邊緣略微進行倒角。但由于第一道環槽下側面的倒角正好位于第一道活塞環的下面，會加劇第一道環的不穩定運動，因而對竄氣和機油耗起著十分不利的影響。圖3的變化曲線揭示了該處倒角大小與竄氣量的變化關系與尖角環岸邊緣（倒角為0）相對照，若加工0.5mm的倒角，竄氣量約從40l/min猛烈增加到80l/min。在設計和加工此處倒角時比較合理的倒角大小選擇是 0.1、0.2mm。因此，在對活塞環槽進行加工和裝配過程中，對第一道環槽的倒角一定要特別的小心，不允許出現倒角尺寸過大以及磕碰、加工毛刺等微小凸起。
根據經驗，其余幾道環岸邊緣倒角對竄氣沒有重大的影響，但必須防止出現毛刺。
環槽深度對竄氣量的影響曲線圖
環槽深度對竄氣量的影響局部放大圖
2、頂岸間隙的影響
頂岸間隙對活塞環密封系統能否穩定工作十分重要，過小的頂岸間隙不利于燃燒室內燃氣壓力向活塞環部位的迅速傳遞，因此，頂岸間隙必須大到可以保證燃氣能夠順暢地到達活塞環密封系統所在的頂環環槽處。
設計頂岸間隙的大小還必須同時考慮高負荷工況下缸套嚴重磨損問題，這種磨損是由覆蓋在活塞頂岸上積炭磨光引起的。為防止積炭磨光，也需要加大活塞頂岸與缸壁的間隙，使積炭層增厚至不再能得到足夠的粘接力而自行剝落。但是，過大的頂岸間隙會把頂環過多地暴露在高溫、高壓的燃氣中，從而加大頂環的熱負荷。因此，有必要考察加大頂岸間隙對燃油耗、煙度、排氣成分是否有影響，頂環的溫度是否顯著上升等。一般來說，采用錐形頂岸間隙可以得到比較理想的結果。
頂岸間隙對竄氣量的影響曲線圖
3、活塞環邊緣形狀的影響
為防止力日工活基環時在棱邊處產生的毛刺或尖銳凸起劃傷缸套表面，活塞環外棱邊必須進行倒角或修圓處理。但由于頂環下棱邊倒角和頂環下方活塞環槽的倒角會共同形成一個容納燃氣的小間隙，且分布在整個圓周方向上，致使活塞環的密封壓力減少，竄氣量增大。
倒角大小或修圓后的圓角大小對竄氣量的影響與前述第一道環槽下側面倒角對竄氣量的影響基本相同。在其他條件不變的情況下，隨著第一道活塞環邊緣倒角或圓角半徑的增加，竄氣量會大大增加。因此，第一道環下棱邊應盡量采用小倒角過渡，推薦的倒角大小為0.1、0.2mm。在進行發電機組竄氣試驗時，工作面為桶面的活塞環下棱邊雖然加工成尖角，可是在磨合初期竄氣量仍有些偏離，只有在桶面環磨合到下端面尖角處之后，竄氣量才會減少。
究竟采用多大的倒角，才能既有效控制竄氣量，又能控制加工成本，保持合理的性價比，對此，采用表1所示的四種倒角型式進行了專門的試驗研究。試驗結果采用常規倒角結果為基準1的相對值。
表1 四種活塞環倒角的竄氣量試驗值
實測值
倒角形式
竄氣量
常規倒角：實測值0.28m
規格0.15、0.40mm
1.00
磨削倒角：實測值0.10m
規格最大0.10m × 45°
0.87
磨削倒角：實測值 0.20m
規格最大0.20m× 45°
0.86
磨削圓角：實測值0.14m
規格最大0.20m
0.66
從表中可以看出，磨削倒角和磨削圓角得到比常規倒角好得多的結果。然而，最大0．10mm的磨削倒角在其制造工藝中存在某些困難，加工成本較高，最大0.20mm磨削圓角是比較合適的工藝方案。
4、切口形狀的影響
曾經試圖改變活塞環的切口形狀來減少竄氣量，比如采用斜切口、搭接切口等形式，但試驗效果并不理想。實踐證明活塞環切口形狀對竄氣量的影響不大。
5、活塞環外圓面的影響
近年來，活塞環有減少軸向高度的發展趨勢，以免活塞環振顫并減少摩擦。但這有時會帶來嚴重的竄氣量波動問題，批量生產中可以看到發電機組的竄氣量十分不規則，即在配相同的發電機組時，有的竄氣量很低，有的則大大超過規定值。這是由第一道活塞環受到氣體壓力而變形，活塞環頂部外邊緣與缸壁接觸而造成的。
因此，為了提高初期磨合性和抗擦傷性，第一道環滑動面通常設計成桶形。桶面度愈小，竄氣量愈少。由于采用桶面環取得了補償效果，批量生產中所有發電機組的竄氣量基本達到了一致。然而如前所述，為充分發揮活塞環工作面下棱緣的尖角效果，要求活塞環既不能太凸出，也不能在氣體壓力下變形而使環工作面下邊緣不再與缸壁相接觸。為此， ·還有必要采用其他方法補償變形，例如采用內倒角或錐面氣環等技術措施。
6、閉口間隙的影響
單獨減少第一道活塞環的閉口間隙對減少竄氣量的作用不大，根據聯邦德國din標準，活塞環閉口間隙的減少有一個極限范圍，因為在高負荷（即高溫）條件下，環的閉口間隙可能會消失，有可能引起活塞環卡死。一般竄氣量會隨閉口間隙的增大而增加。閉口間隙增加0.5mm，約相當于活塞環徑向磨損了0.08mm，即接近于活塞環鍍鉻層厚度。閉口間隙增加到上述數量級時，所引起的竄氣量的增加仍然在允許的范圍內。但如果閉口間隙增加超過0.5mm，則竄氣量會急劇升高。
如果將柴油機第一和第二道環的閉口間隙同時進行考慮，清況又會有所不同。閉口間隙c設計成c第一道< c第一道，稱之為c平衡，由于環組壓力的合理分配，能夠起到降低柴油機竄氣量和機油耗的作用。這種設計可盡量減少通過第一道環閉口間隙流入第二道環岸的燃氣流量，同時加大通過第道環閉口間隙流入第三環岸的燃氣流量，從而降低第二環岸處的氣體壓力，減少了第二環岸對第一道環向上的推力，頂環維持穩定的密封壓力，弱化了頂環的不穩定運動，即保持了活塞環密封系統的動態平衡。
7、活塞環數量的影響
試驗反復表明，只要活塞環不是因不利的間隙或設計而削弱自身的功能，對于非增壓和增壓發電機組燃燒室來說，三道活塞環完全可以滿足密封要求。氣環數量過多，以試圖增加所謂的迷宮效應來降低竄氣量，實際證明是得不償失的，較少的活塞環數量能夠更好地發揮c平衡效果，維持密封系統的動態穩定性。出于這種考慮，近來甚至出現了只有頂環和油環的雙環結構。
8、機油的影響
機油含水量超標會嚴重影響發電機組竄氣的控制，在批量生產實際中，由于機油的反復使用，常常出現大批發電機組竄氣量突然增大的奇怪現象。這往往是由于重復使用的機油中水分沒有及時清除干凈，造成機油品質大幅下降，因此，必須及時對重復使用的機油進行脫水處理。
柴油發電機組飛輪機罩與飛輪，一定要按順序安裝
柴油發電機組蓄電池的使用注意事項及維護保養
柴油發電機機油溫度檢測裝置的作用
假冒劣質的燃油對船用柴油機的危害
康明斯54296674/4296675電子調速控制器電源的連接方法
玉柴發電機好用嗎？玉柴發電機優勢看點
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玉柴柴油機的基本結構——潤滑系統