新聞主題	柴油發電機部件系統的改進和提升技術

 

摘要：在人們的印象中，柴油發電機都是傻大黑粗，技術落后，除了動力強勁之外一無是處。其實現代的柴油發電機隨著現代科技的發展，也搭載了越來越多的先進技術，讓柴油發電機的動力性、經濟性越來越突出，而且噪音和排放控制得越來越好。當今先進的柴油發電機，是一種集冶金、材料、加工、自動控制、傳感器、化工為一體的高科技產品。本文以康明斯發動機KTA38系列為例，論述了通過缸體選擇合理的爐料配比、化學成分、增C劑，并控制Si/C、Mn/S,提高大馬力缸體鑄件力學性能的工藝改進。

 

一、康明斯各部件常見提升技術

 

1、冷卻系統

      柴油發電機的散熱與熱管理是非常重要的，也是發動機設計中的一個難題。現代柴油發電機一般使用強制循環水冷卻系統，合理設計發動機氣缸體水道，可以讓冷卻液均勻地流過發動機每一個角落，讓散熱更均衡，避免了老式柴油發電機部分氣缸冷卻不足的缺陷。現代柴油發電機大多使用免維護水泵，樹脂葉輪，碳化硅密封圈，葉輪重量更輕、更耐腐蝕，防滲漏能力更強，使用壽命大大延長。為了避免冷卻液腐蝕發動機，一般都使用專用防凍液，不允許用普通防凍液替代。同時采用電控硅油風扇離合器，可以更精準地控制風扇的轉速，讓發動機盡快升溫，并保證高負荷時的冷卻強度。

2、盤車裝置

      原發電機組的盤車采用的盤車桿手動盤車，飛輪外圓上有盤車孔，需要盤車時將盤車桿插人盤車孔，通過人力搬動盤車桿進行盤車。這樣輪機人員不但勞動強度大，而且盤車不準確，需要多次搬動盤車桿才能達到盤車要求，同時無法進行盤車連鎖，盤車時很容易造成人身傷亡事故。為此我們設計了電動盤車裝置，見圖1，另外在柴油發電機飛輪上設計安裝了一個盤車齒圈。需要盤車時，只需按動按鈕，電動盤車裝置的小齒輪與飛輪的盤車齒圈相嚙合，就可以順利帶動柴油發電機按照要求進行盤車。重要的是該盤車裝置可以安裝一個手柄開關進行起動盤車連鎖。盤車時，柴油發電機起動空氣管路被自動切斷，避免了盤車時人身傷亡事故的發生。

3、增壓器

      康明斯柴油發電機組原來采用TPS61-F33增壓器，雖然也能滿足發電機組使用要求，但是存在大馬拉小車的現象，該增壓器裕度太大，存在浪費現象。為了在不影響柴油發電機性能的前提下節約成本，特地重新進行了增壓器選型。經過配機試驗，選用了霍爾塞特增壓器正式作為該型發電機組的增壓器（外觀如圖2所示），僅此1項每臺可節約成本5萬余元。48臺柴油發電機組，可節約成本240萬元，效益相當可觀。

 

圖1  柴油機電動盤車裝置

圖2  霍爾塞特增壓器內部透視圖

 

4、啟動技術

      現代柴油機不論是冷啟動能力還是熱啟動能力都非常強，幾乎都可以做到“點火就著”。這是因為現代柴油機有一套先進的啟動技術。首先是有一個大功率的起動機，保證柴油機有足夠的啟動轉速；其次是有先進的啟動控制邏輯，在啟動階段的噴油正時、噴油量等控制更精準；最后就是有火焰預熱啟動系統，可以在氣溫較低時加熱進入燃燒室的空氣，讓冷啟動更容易。

5、缸套、活塞

      為了提高缸套內表面耐磨性，防止拉缸現象發生，因此在缸套內表面增加了軟氮化要求，缸套內表面粗糙度由Rz 5-10改為Rz 3-7。

      活塞由分體式改為整體鑄鐵活塞，為了防止燃油噴到氣缸壁上和活塞頂過熱，對w型線進行了優化，w型深由26mm增加到33·5mm，同時加大了活塞滑油冷卻腔面積。為了防止柴油發電機運動過程中活塞頂與進、排氣閥干涉（即頂缸），特意在活塞頂布置了4個0.5mm深的避閥坑。

6、曲軸

       現代柴油發電機一般使用整體式鑄造曲軸，材質為球墨鑄鐵或者鑄鋼。隨著現代機械加工技術的進步，曲軸的加工精度越來越高，甚至可以控制到微米級。曲軸的軸頸表面通常使用氮化技術，以增強表面硬度，提高耐磨性能，提高曲軸的抗疲勞強度。

7、進氣與燃燒技術

      現代的柴油發電機為了讓更多的空氣進入燃燒室，通常都使用渦輪增壓、進氣中冷、多氣門（四氣門）技術，可以把柴油發電機的功率和扭矩提升30%以上。部分乘用車柴油發電機還采用可變進氣正時、可變氣門升程、可變截面渦輪增壓器、雙增壓器等技術，有效提升充氣系數。現代柴油發電機大多采用ω型燃燒室，較小的面容比，中置噴油器，進氣可以形成更強勁的進氣渦流，燃燒更加穩定、柔和、充分，有利于提升柴油發電機的動力性能和排放水平。

8、密封技術

      老式柴油發電機漏油是非常普遍的現象，現代的柴油發電機漏油現象大大減少，主要歸功于先進的密封技術以及更精密的加工技術。曲軸的前、后油封，越來越多地使用 PTFE（含聚四氟乙烯高分子化學材料），密封性、抗高低溫性能、耐腐蝕、耐老化性能更強，使用壽命更長。在各密封面，由于精密的機加工技術，平面度非常高，一般使用普通的厭氧密封膠就可以實現良好的密封，不再采用密封墊結構。

 

二、康明斯缸體性能提高技術

 

      以康明斯柴油發電機組的動力KTA38系列為例，K38缸體是康明斯大馬力發動機（600～1400KW）的關鍵件，為V型12個缸結構（如圖3所示）；外形尺寸1563×866×701mm，缸體凈重1360kg，壁厚變化大（最薄處8mm，最厚部位100mm），生產難度大。按康明斯技術標準，該型號發動機功率大于800 KW時缸體力學性能必須滿足，試棒抗拉強度≥310MPa（鑄件本體按圖紙指定的部位取樣≥241MPa）、本體硬度≥HB187。缸體加工后做氣密性檢查，不允許有滲漏。對于這樣一個重量大冷卻速度慢，又要求周身致密的油道、水腔眾多的缸體，要提高其機械性能，如果采用簡單的降低碳當量或提高合金是行不通的，我們從選擇合理的爐料配比、化學成分、改進增碳工藝，并控制Si/C、Mn/S等措施著手，較好地達到了提高K38缸體力學性能的目的。

1、化學成分的確定

      灰鑄鐵的抗拉強度隨著碳當量的提高而降低。為保證缸體的鑄造性能和凝固時的自補縮能力，我們選取3.95%≤CE≤4.05%進行工藝試驗，試驗證明缸體鑄件單鑄試棒的抗拉強度接近310MPa，但不穩定，如圖4所示。

       為了提高提高缸體的本體硬度和熱疲勞性能，通過加入Cu、Mo和Cr合金，進行合金化，確定合金元素的最佳匹配，如表1。

表1    康明斯柴油機缸體材料合成

      試驗證明Cu對缸體本體硬度的貢獻比Cr大。由于缸體有熱穩定性要求，Mo能提高鑄件的熱疲勞性能，即使價格比Cr昂貴，加入Mo還是十分必要的。Mn、Cu與Mo對提高性能有貢獻，但R-Sq值與R-Sq（adj）值不高，合金化不是解決提高力學性能問題的唯一途徑，還要靠其它工藝措施保證。

      因此，康明斯K38缸體鑄件的化學成分為o（C）3.2~3.35%，CE控制在3.95~4.05%，o（Cu）0.65～0.70%和o（Mo）0.25～0.35%。

 

圖3  KTA38系列康明斯發動機缸體結構

圖4  試棒抗拉強度

 

2、提高康明斯K38缸體力學性能的工藝措施

（1）金屬爐料配比

      生產實踐證明，相同的化學成分，由于熔煉工藝不同、配料不同，鐵液的冶金質量完全不同。生鐵由于存在具有遺傳性的粗大的過共晶石墨，在熔化過程中難以完全消除，使凝固過程中產生的石墨化膨脹作用削弱，鑄件的致密性降低，鐵液收縮傾向增大，同時粗大的石墨還加大對基體的割裂作用，降低材料的性能。增加爐料中廢鋼比例，鑄件的抗拉強度明顯上升。因此，我們在生產中工藝規定廢鋼加入量必須大于30%、生鐵加入量小于20%，其余為回爐料。

（2）選用經過高溫石墨化處理增碳劑

       廢鋼比例的增加，鐵液的o（C）量必須靠增碳技術來保證。以前我公司采用碳化硅或優質無煙煤球作為增碳劑，增碳效果不明顯，操作者抱怨較多，工藝規定的爐料配比難以嚴格執行。選用經過高溫石墨化處理的增碳劑后，與第一批爐料一起加在爐底，增碳效果大為改善。經過高溫石墨化處理的增碳劑，碳原子從無序排列過渡到片狀石墨的有序排列，片狀石墨能成為石墨形核的最好核心，促進石墨化，減少了鐵液收縮。我公司采用經過高溫石墨化處理的增碳劑后，缸體致密性改善，機械性能提升，滲漏比例明顯下降。

（3）控制Si/C比

      提高Si/C比，鐵液o（C）量相對較低，對基體的割裂作用減弱。o（Si）量相對較高，固溶強化增強，有利于鑄鐵強度的提高。高Si/C比的鐵液有利于消除鑄件邊角處的白口。在CE相同條件下，高Si/C比的鑄件，殘留應力低，缸體鑄件在機械加工時也不易變形。

      康明斯K38缸體本體硬度檢測點有8個，每處的HB硬度差值不能超過30。因此，標準要求缸體薄壁處硬度不要太高，壁厚處硬度也不要太低。我們將原始Si選擇在1.85-1.90%之間，Si/C比控制在0.6～0.7之間，解決了缸體各檢測點硬度均勻性問題。

（4）控制Mn/S比

      Mn、S和P都是阻止石墨化的元素。只有少量溶入滲碳體的Mn可增強Fe、C原子間的結合力，促進形成珠光體，同時Mn與S可形成石墨非自發形核的核心MnS，減弱S阻礙石墨化作用，間接地有利于石墨化。S可以改善鐵液的孕育效果，提高鑄件的加工斷屑性能。但石墨非自發形核的核心MnS必須維持在一個特定的范圍，MnS增加過多，石墨會變粗，多余的MnS形成密集的夾渣，割裂基體降低鑄鐵的強度，影響鑄件的致密性，增加縮漏傾向。

      由于錳和硫在鑄鐵中有相互制約的作用，所以在選擇Mn含量與硫含量時必需考慮Mn/S值。生產實踐證明，康明斯K38缸體Mn/S選擇6-8較為合適，缸體單鑄試棒機械性能、本體硬度均達到康明斯技術標準要求，缸體滲漏率低于3%。 

3、結論

（1）為保證康明斯K38發動機缸體鑄鐵具有良好鑄造性能與力學性能，CE控制在3.95-4.05之間，加入Cu與Mo進行合金化。

（2）控制爐料配比中生鐵加入量不應高于20%，廢鋼不應低于30%。選取經過高溫石墨化的增碳劑增碳，增碳效果明顯，鐵液收縮性小，缸體致密性增加。

（3）在提高力學性能的同時，控制Si/C比在0.6-0.7之間，Mn/S比在6-8之間，鑄件縮松和縮漏缺陷降低。

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