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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,并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,并結合實際給出改進建議。氣閥和缸蓋的照片為N330機型。

          1、燃油中含有不可燃燒的顆粒雜質。

          當進入燃燒室的油品中混有不可燃燒的雜質顆粒物時,這些雜質顆粒會随着排氣排出氣缸,在排出的過程中會有一定的幾率在排氣閥關閉時被卡阻在排氣閥和閥座的密封面上。造成排氣閥不能完全關閉,這個卡住的顆粒雜質的直徑有多大,氣閥的開度就有多大。雖然能通過噴油器的噴孔進入燃燒室的顆粒雜質都較小,但在燃油混合氣體爆炸燃燒時,燃燒室的爆炸壓力很高,微小的氣閥開度也能造成高溫高壓燃燒氣體的竄出。這時候竄出的燃燒氣體的溫度很高,瞬間的峰值接近2000℃,遠遠高于排氣沖程中流經排氣閥密封面的廢氣溫度。排氣閥的密封面材料可以經得起正常排氣時的廢氣的沖刷,但經不起如此高壓和高溫的燃燒氣體的沖刷,很短的時間就會造成排氣閥燒損。尤其閥門卡住的是混在重油中的氧化鋁和二氧化矽這些極硬顆粒,在造成排氣閥關閉不密的同時,普通排氣閥密封錐面在工作溫度下硬度并不是很高,沉積的硬質燃燒産物顆粒在閉閥的撞擊下,還可使顆粒嵌入密封面,并在高溫燃氣的沖刷和燒蝕下出現凹坑,凹坑貫穿密封面後形成漏氣從而燒損氣閥。如下面圖1-圖3所示:

          關閉不嚴引起的漏氣,是一些排氣閥的出廠時耐溫測試在500℃以上,但實際工作時的排溫沒有超過400℃就把氣閥燒損的主要原因。也是排氣閥使用壽命短的主要原因。

          2、燃油燃燒不良以及因此造成的結碳的影響。

          燃燒不良不但會引起排溫升高,而且會在燃燒室形成結碳。排溫升高使排氣閥的工作環境更加惡劣,疊加其它情況後加劇了排氣閥的燒損。燃燒室中的結碳會有一部分随着廢氣排出,它也會像前面說的顆粒一樣卡在排氣閥和閥座的密封面上。尤其是重油的加熱溫度控制不佳,粘度太大造成噴入氣缸的燃油難以霧化,高壓油泵柱塞磨損造成的燃燒後移等原因引起的燃燒不良,會使排氣閥和閥座的密封面被積炭污染,加上燃油中含有的雜質在經過燃燒室内的各種複雜熱過程後,在排氣閥閥盤及閥座密封錐面沉積成一層混有碳粒的玻璃狀較硬較脆物質,其内混有硫酸鈉、硫酸鈣、氧化鐵等物質。當此層玻璃狀沉積物沉積厚度過大時,在氣閥關閉時的撞擊力下會發生裂紋,反複撞擊後進而發展成剝落,從而形成高溫燃氣噴出通道使氣閥燒損。如下圖4和圖5所示:

          3、燃油中含有釩、鈉等易引起金屬高溫腐蝕的元素。

          目前在航運市場上普遍使用的劣質燃油中含有大量釩、鈉和硫等元素。在燃燒過程中硫、釩和鈉等元素形成氧化硫、五氧化二釩和氧化鈉等(這些氧化物的化學成份取決于過量氧氣和燃燒溫度)。氧化物之間要發生反應,而且還要與滑油中的鈣反應,形成低熔點的鹽類,有硫酸鈉,硫酸鈣和不同成份的釩酸鈉等。這些鹽類混合物熔點一般為535°C 左右,同時具有較強的腐蝕性。當零件溫度在550°C 以上時,足以使釩、鈉化台物處于熔化狀态,附着于零件表面。當排氣閥在工作中時,因各種原因使氣閥溫度達到550°C 以上時,使它以液态形式沉積在閥盤及閥座以及閥杆與閥面的過渡表面上。這時即使是非常耐腐蝕的硬質合金鋼也會受到腐蝕,腐蝕結果是在密封錐面上形成凹坑,凹坑相連貫穿密封面後就會造成漏氣而燒損氣閥。尤其是氣閥和閥座的密封面出現前面所述的麻點後,容易沉積腐蝕溶液,更加快了凹坑的形成。由于上述腐蝕是高溫條件下産生的,所以稱之為“高溫腐蝕”。在上述高溫腐蝕的有害元素中以釩的危害性為最大。

          4、氣閥的轉閥器失效。

          燃用重油的四沖程柴油機為了降低上述第1、2、3項原因對氣閥壽命的影響,設計了排氣閥的轉動機構。使排氣閥每開關一下都自動旋轉了一個角度,以此清除卡在密封面的顆粒和結碳,避免顆粒和結碳在排氣閥密封面的堆積。如果這個排氣閥的轉閥器失效,不能使排氣閥在工作中保持不停地轉動,或轉動和氣閥的關閉行程不協調,将會使排氣閥很快燒損,極大地縮短排氣閥的使用壽命。

          5、氣閥的質量問題。

          6、排氣閥和閥座研磨不良或者其它原因,使排氣閥與閥座的密封面存在漏氣。

          7、氣閥間隙調整不當,間隙過小導緻排氣閥工作時無法關閉。

          第5、6、7等原因屬于偶然因素,這裡略過不讨論。

          排氣閥工作時的溫度分布如下圖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。重油中的氧化鋁、二氧化矽這些顆粒,是原油在提煉過程中,經二次催化裂化而大量帶入的。這些顆粒不但是極硬的磨料,而且體積小,靠分油機難以排除。進入主機燃油系統後,這些顆粒會造成高壓油泵柱塞、噴油器針閥偶件和油嘴噴孔的磨損,引起實際噴油推遲,燃油霧化質量差,造成主機燃燒後移,排溫高和功率下降。把燃油濾器的絕對精度提高到10微米後,能把95%直徑大于10um的有害氧化鋁、二氧化矽粒子有效過濾掉。從而解決了前面所述的排氣閥燒損的第1項原因的全部問題,以及第2項原因的大部分問題。并同時可以解決柱塞和針閥磨損引起的燃燒後移、排溫高、功率下降問題。

          圖9 ↑ 磨損後的高壓油泵柱塞斜口和噴油器的噴油孔

          圖10 ↑ 噴油器噴口磨損後造成燃油霧化形狀改變而燒蝕了缸蓋表面

          3、經過這些改進後,能使主機的工況在較好的狀态下長時間保持,排氣閥的使用壽命最少延長一倍以上。能有效解決這類機型容易發生的排溫高、功率下降和排氣閥燒損問題。

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