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終于找到排氣閥容易燒的真正原因

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排氣閥生産廠家雖然提高了排氣閥密封面合金的耐溫性能,並改進提高了氣閥的生産和加工工藝,但效果仍然不夠理想。本文通過對其産生的原因進行分析,並結合實際給出改進建議。氣閥和缸蓋的照片爲N330機型。

1、燃油中含有不可燃燒的顆粒雜質。

当进入燃烧室的油品中混有不可燃烧的杂质颗粒物时,这些杂质颗粒会随着排气排出气缸,在排出的过程中会有一定的几率在排氣閥关闭时被卡阻在排氣閥和阀座的密封面上。造成排氣閥不能完全关闭,这个卡住的颗粒杂质的直径有多大,气阀的开度就有多大。虽然能通过喷油器的喷孔进入燃烧室的颗粒杂质都较小,但在燃油混合气体爆炸燃烧时,燃烧室的爆炸压力很高,微小的气阀开度也能造成高温高压燃烧气体的窜出。这时候窜出的燃烧气体的温度很高,瞬间的峰值接近2000℃,远远高于排气冲程中流经排氣閥密封面的废气温度。排氣閥的密封面材料可以经得起正常排气时的废气的冲刷,但经不起如此高压和高温的燃烧气体的冲刷,很短的时间就会造成排氣閥烧损。尤其阀门卡住的是混在重油中的氧化铝和二氧化硅这些极硬颗粒,在造成排氣閥关闭不密的同时,普通排氣閥密封锥面在工作温度下硬度并不是很高,沉积的硬质燃烧产物颗粒在闭阀的撞击下,还可使颗粒嵌入密封面,并在高温燃气的冲刷和烧蚀下出现凹坑,凹坑贯穿密封面后形成漏气从而烧损气阀。如下面图1-图3所示:

关闭不严引起的漏气,是一些排氣閥的出厂时耐温测试在500℃以上,但实际工作时的排温没有超过400℃就把气阀烧损的主要原因。也是排氣閥使用寿命短的主要原因。

2、燃油燃燒不良以及因此造成的結碳的影響。

燃烧不良不但会引起排温升高,而且会在燃烧室形成结碳。排温升高使排氣閥的工作环境更加恶劣,叠加其它情况后加剧了排氣閥的烧损。燃烧室中的结碳会有一部分随着废气排出,它也会像前面说的颗粒一样卡在排氣閥和阀座的密封面上。尤其是重油的加热温度控制不佳,粘度太大造成喷入气缸的燃油难以雾化,高压油泵柱塞磨损造成的燃烧后移等原因引起的燃烧不良,会使排氣閥和阀座的密封面被积炭污染,加上燃油中含有的杂质在经过燃烧室内的各种复杂热过程后,在排氣閥阀盘及阀座密封锥面沉积成一层混有碳粒的玻璃状较硬较脆物质,其内混有硫酸钠、硫酸钙、氧化铁等物质。当此层玻璃状沉积物沉积厚度过大时,在气阀关闭时的撞击力下会发生裂纹,反复撞击后进而发展成剥落,从而形成高温燃气喷出通道使气阀烧损。如下图4和图5所示:

3、燃油中含有釩、鈉等易引起金屬高溫腐蝕的元素。

目前在航运市场上普遍使用的劣质燃油中含有大量钒、钠和硫等元素。在燃烧过程中硫、钒和钠等元素形成氧化硫、五氧化二钒和氧化钠等(这些氧化物的化学成份取决于过量氧气和燃烧温度)。氧化物之间要发生反应,而且还要与滑油中的钙反应,形成低熔点的盐类,有硫酸钠,硫酸钙和不同成份的钒酸钠等。这些盐类混合物熔点一般为535°C 左右,同时具有较强的腐蚀性。当零件温度在550°C 以上时,足以使钒、钠化台物处于熔化状态,附着于零件表面。当排氣閥在工作中时,因各种原因使气阀温度达到550°C 以上时,使它以液态形式沉积在阀盘及阀座以及阀杆与阀面的过渡表面上。这时即使是非常耐腐蚀的硬质合金钢也会受到腐蚀,腐蚀结果是在密封锥面上形成凹坑,凹坑相连贯穿密封面后就会造成漏气而烧损气阀。尤其是气阀和阀座的密封面出现前面所述的麻点后,容易沉积腐蚀溶液,更加快了凹坑的形成。由于上述腐蚀是高温条件下产生的,所以称之为“高温腐蚀”。在上述高温腐蚀的有害元素中以钒的危害性为最大。

4、氣閥的轉閥器失效。

燃用重油的四冲程柴油机为了降低上述第1、2、3项原因对气阀寿命的影响,设计了排氣閥的转动机构。使排氣閥每开关一下都自动旋转了一个角度,以此清除卡在密封面的颗粒和结碳,避免颗粒和结碳在排氣閥密封面的堆积。如果这个排氣閥的转阀器失效,不能使排氣閥在工作中保持不停地转动,或转动和气阀的关闭行程不协调,将会使排氣閥很快烧损,极大地缩短排氣閥的使用寿命。

5、氣閥的質量問題。

6、排氣閥和阀座研磨不良或者其它原因,使排氣閥与阀座的密封面存在漏气。

7、气阀间隙调整不当,间隙过小导致排氣閥工作时无法关闭。

第5、6、7等原因屬于偶然因素,這裏略過不討論。

排氣閥工作时的温度分布如下图6所示:

對容易發生氣閥燒損的主機的改進措施:

  • 針對具體機型及氣閥燒損的具體原因,以及船舶所配置的主機燃油輔助系統的情況,制定相應的改進方案。這些改進包括硬件改進和管理上的改進。
  • 安裝過濾精度10um的燃油自動反沖過濾器。重油中的氧化铝、二氧化硅这些颗粒,是原油在提炼过程中,经二次催化裂化而大量带入的。这些颗粒不但是极硬的磨料,而且体积小,靠分油机难以排除。进入主机燃油系统后,这些颗粒会造成高压油泵柱塞、喷油器针阀偶件和油嘴喷孔的磨损,引起实际喷油推迟,燃油雾化质量差,造成主机燃烧后移,排温高和功率下降。把燃油滤器的绝对精度提高到10微米后,能把95%直径大于10um的有害氧化铝、二氧化硅粒子有效过滤掉。从而解决了前面所述的排氣閥烧损的第1项原因的全部问题,以及第2项原因的大部分问题。并同时可以解决柱塞和针阀磨损引起的燃烧后移、排温高、功率下降问题。

图9 ↑ 磨损后的高压油泵柱塞斜口和喷油器的喷油孔

图10 ↑ 喷油器喷口磨损后造成燃油雾化形状改变而烧蚀了缸盖表面

3、经过这些改进后,能使主机的工况在较好的状态下长时间保持,排氣閥的使用寿命最少延长一倍以上。能有效解决这类机型容易发生的排温高、功率下降和排氣閥烧损问题。