重型甲醇发动机排气门烧蚀分析及改进.docx

? ? 重型甲醇发动机排气门烧蚀分析及改进 ? ? 卢瑞军 夏丽娟 苏茂辉 康世邦 陈海兰 （1-浙江吉利新能源商用车集团有限公司 浙江 杭州 311000 2-七一一研究所） 引言 甲醇是一种可再生、可持续发展的发动机替代燃料，具有原料来源丰富、生产工艺成熟、储运安全等优点，有良好的应用前景[1]。重型甲醇发动机近几年得到了快速发展，但是由于甲醇发动机具有燃烧速度快，而且甲醇燃料容易腐蚀和不易蒸发等特点，给发动机带来新的考验，特别是排气门烧蚀问题。气门与气门座圈是发动机中工作条件十分恶劣的摩擦副之一，在工作中承受极高的机械负荷、热负荷，还受到腐蚀性气体的侵蚀，润滑状态极为不良[2]。排气门非常容易出现磨损和烧蚀等故障，影响发动机的可靠性。 本研究针对某重型M100 甲醇发动机整机可靠性台架试验过程中多次出现排气门烧蚀的故障，应用温度场试验、材料检测等技术手段，对出现排气门烧蚀的工况、排气门温度、磨损量、气门锥角、杂质分布、甲醇燃烧速率等因素进行分析，提出新方案，并通过1 500 h 可靠性验证。 1 排气门结构及失效故障 某重型M100 甲醇发动机采用整体缸盖、4 气门结构，每个缸盖有2 个进气门和2 个排气门，进排气道均为串联扭曲气道，单顶置凸轮轴结构，甲醇采用进气道喷射型式。在整机可靠性台架试验中多次出现排气门烧蚀失效故障，导致发动机工作缸内无压力，可靠性试验无法进行。排气门出现烧蚀的时间大约在可靠性试验进行到300～600 h 之间，烧蚀的排气门见图1。 图1 排气门烧蚀照片 2 排气门烧蚀原因分析 2.1 排气门本身的项目检测 2.1.1 排气门盘部的材料成份 排气门盘部材料为LF2，具有较好的耐磨和耐高温性能。对排气门盘部的材料进行化学成份检测（见表1），排气门的材料成分符合技术要求。 表1 排气门材料化学成份分析 2.1.2 排气门微观检测 同时对排气门锥面的表面处理进行检测，盘锥面非烧蚀区磨损轻微，表面氮化层0.024 mm（技术要求≥0.01 mm），显微组织为奥氏体+析出相，未见异常（见图2），盘锥面硬度HRC：42（技术要求≥35 HRC）。 图2 排气门非烧蚀区（浸蚀态，400X） 2.1.3 排气门宏观检测 排气门烧蚀缺口两侧90°范围内盘锥面内，存在多个烧蚀的小缺口；同时排气门非烧蚀盘锥面整体轻微磨损，存在较多的机械凹坑，如图3、4 所示。 图3 排气门烧蚀区域附近形貌 图4 排气门锥面非烧蚀区域形貌 2.2 排气门与座圈匹配磨合情况分析 可靠性试验后取第1、2 缸的4 个排气门、4 个排气门座圈进行磨损和配合情况检测，如图5～8 所示。 图5 排气门锥面接触形貌及接触宽带 图6 排气门座圈形貌及接触宽带 图7 排气门磨损量 图8 排气门和座圈接触宽带 从测量结果来看，排气门和排气门座圈的密封带宽度在3.7～4.1 mm 之间，在设计要求范围内，排气门的磨损量在0.004～0.017 mm 之间，磨损比较小。 2.3 发动机排气门温度场试验 为了验证排气门是否超出设计温度，造成排气门烧蚀，对发动机6 个缸12 个排气门进行了温度场试验，发动机的负荷按照原机的105%进行。排气门测试温度场结果，见图9。 图9 排气门温度场试验结果 从图9 的试验结果来看，排气门底部的温度在505 ℃～628 ℃之间，排气门背部和杆部的温度在500℃～720℃之间，都低于设计温度820 ℃，在安全范围内。 2.4 发动机试验过程分析 可靠性试验过程中出现排气门烧蚀主要在1 000 r/min，100%负荷工况，并且排气门烧蚀位置在缸套边缘处，见图10。基于上述分析，本文从发动机这个工况的性能和排气门烧蚀的位置展开分析。 图10 排气门烧蚀的位置 发动机EGR 方案采用HPEGR（高压废气再循环）系统，在发动机的中低速工况，随着涡前压力和中冷后压差的减小，EGR 率很难提升。特别是在1 000 r/min，100%负荷工况下，发动机的EGR 率最低，排温最高，见图11，并且EGR 率不稳定，容易造成燃烧不稳定和爆燃。在可靠性试验过程中，INCA 监测排气门烧蚀时，对应的缸内伴有剧烈爆燃，爆燃退角8 ℃A。说明爆燃与排气门烧蚀有着密切的关系。 图11 外特性排温曲线和EGR 率曲线 经过拆解分析，发现排气门烧蚀的位置对应缸盖底平面和缸套上止点附近相应位置的硬质颗粒相对其他位置较多，同时对应的缸套的部位出现了局部抛光，如图12 所示。 图12 缸盖底平面和缸套对应烧蚀排气门位置和抛光位置 经分析，硬质颗粒主要成分是发动机润滑油添加剂中的Zn、Mg、P、Ca 和S 等元素。主要是由于甲醇的蒸发潜热大，气化不利而窜入气缸壁间隙，造成润滑油的稀释和乳化导致发动机的摩擦磨损[3]。同时由于进气气流的导向，在缸套主推上止点附近