主机排气阀杆异常磨损原因及密封空气系统改造

2013-08-21刘天水张志兵兰秀凯

中国修船 2013年3期

刘天水，张志兵，兰秀凯，陈华

(中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431)

1 排气阀工作原理和工作现状

1.1 排气阀工作原理

8LM42型柴油机的排气阀总成［1］，其排气阀结构采用液压顶开气动关闭装置，在排气阀杆顶部阀壳中设有启阀液压缸，在阀杆上部阀壳中设有关闭空汽缸和空汽缸活塞，空汽缸活塞通过两半圆锥型卡块，压板和阀杆上环形槽锁紧在阀杆上。当按定时要求开启排气阀时，高压工作油进入启阀液压缸，作用在液压缸活塞下，克服闭阀空汽缸中工作空气和缸内废气的作用力，将气阀顶开。但当卡块下部锥形部位落在弹簧板上时，气阀不再下移，避免气阀撞击。与此同时，闭阀空汽缸中的工作空气受到压缩，当要求关闭排气阀时，启阀液压缸中的工作油回油，空汽缸活塞就在弹簧空气压力的作用下上升，并带动排气阀逐渐关闭。

在排气阀杆的下部装有一个叶轮，其作用是在排气动能的作用下使阀杆转动，从而改善阀面接触，使阀面磨损均匀，以及阀面四周的温度分布均匀，免遭气阀头部过热。排气阀的弹簧板下部有一密封空气腔，排气阀开启时预防燃气上窜对阀杆腐蚀及磨损。

1.2 排气阀杆的工作现状

在中修期间对排气阀进行检修时，发现排气阀阀杆都存在着不同程度的磨损，其中左机4#缸、5#缸、右机8#缸排气阀杆的中上部磨损严重，均已超出极限值。排气阀杆的严重磨损将影响强度配合间隙，如果排气阀的应力过大会造成排气阀杆断裂的严重后果，如表1所示。

2 排气阀杆磨损原因分析

8LM42型柴油机为2冲程柴油机，根据缸内气体压力变化的特点 (见图1)，可把换气过程分成3个主要阶段:一是自由排气阶段;二是强制排气和扫气阶段;三是过后排气阶段。只有在自由排气阶段初期时排气压力最高，因此我们着重对自由排气阶段进行分析。

柴油机在喷油器喷油发火后，缸内燃气推动活塞下行做功，在活塞下行到B点时，排气凸轮驱动液压油将排气阀打开，此时，汽缸内的压力P1远远高于排气总管的压力P2，P2/P1之比值小于临界值，废气以临界速度流出排气阀进入排气管，超临界流动持续到P2/P1之等于临界值的 D点［2］。此后废气以亚临界速度自由排出汽缸。当汽缸内压力约等于扫气箱空气压力时，自由排气阶段结束。在此阶段排出的废气有很少一部分克服密封空气压力上窜到密封空气腔内，在检修排气阀时检查到密封空气腔内有残留物也证明了这一点。

图1 换气过程示意图

在主机排烟中有很多有害物质，其中有燃油燃烧产物SO2和SO3，SO2与氧气在高温下也有生成SO3，SO3和密封空气中的水分结合在一定的温度下生成硫酸。为了增强排气阀阀杆的耐磨性，人们在排气阀阀杆的表面镀一层铬，而铬无法以单独的形式存在于排气阀杆上，所以它以Cr2O3的形式镀在排气阀杆上。当燃气上窜到密封空气腔时，排烟温度下降，其中SO3与密封空气中的水分反应生成硫酸在排气阀阀杆上结露，硫酸与排气阀阀杆表面的Cr2O3反应生成硫酸铬和水，排气阀表面被腐蚀。排气阀在主机运行中不但要上下运动，而且在排气阀下部装有一转翼，在废气排出时作用在转翼上使排气阀在阀杆径向上产生转动，使腐蚀后的硫酸铬在排气阀杆上脱落。脱落的金属颗粒与废气中的碳粒子，在排气阀杆与弹簧空气下密封装置的间隙中，加速了排气阀的磨损。以下是排气阀腐蚀的化学反应过程:

2SO2+O2=2SO3

SO3+H2O=H2SO4

3H2SO4+Gr2O3=Gr2(SO4)3+3H2O

归根到底，使柴油机排气阀阀杆磨损的主要原因是废气上窜到密封空气腔，也就是密封空气压力过低，不能阻止废气的上窜。

3 密封空气系统的改造方案

图2为密封空气系统改造后的系统图，弹簧空气由控制空气瓶随控制空气一块送入弹簧空气总管;控制二位三通阀2的控制空气是由柴油机操纵系统停车信号空气供给，当停车信号作用在二位三通阀2时使其关闭，停车信号释放后二位三通阀2在自身弹簧的作用下打开，使弹簧空气进入密封空气腔。当柴油机备车时弹簧空气从弹簧空气总管经单向阀1，进入弹簧空气室同时也到达二位三通阀2的前端;柴油机运行时由于停车信号的释放二位三通阀2打开，弹簧空气同时也进入密封空气腔，柴油机运行到排气行程时，排气阀驱动机构驱使排气阀打开，排气阀杆下行，弹簧空气在气动活塞作用下压力升高，而在弹簧空气的进口有单向阀1作用，弹簧空气无法倒流，只有经二位三通阀进入密封空气腔，使密封空气腔内的空气压力升高，从而阻止了废气排放时的上窜。