濰柴發動機缸筒（缸套）氣蝕故障的原因分析與預防措施

蔡揚明 沙文喜 江峰

摘 ?要：論述了柴油發動機濕式缸套的外壁氣蝕的產生機理、影響因素及預防措施，有效抑制發動機汽缸套氣蝕現象的產生，進一步延長客運車輛發動機的使用壽命，擴大客運車輛發動機中修、大修的間隔里程，降低了車輛維修保養成本。

關鍵詞：柴油發動機 ? 汽缸套 ? 氣蝕 ? 防范措施

一、引言

氣蝕是影響柴油發動機濕式汽缸套壽命的重要因素之一，其特點是汽缸套外表面局部區域出現麻點、針孔，嚴重時成聚集的蜂窩狀的孔穴群，如圖1。濕式汽缸套氣蝕現象是機械、化學、電化學共同作用的結果，通過弱化機械、化學、電化學等方面的影響因素可減輕和防止濕式氣缸套穴蝕的產生。

二、氣蝕現象的產生機理

柴油發動機工作時，汽缸內燃燒氣體壓力周期性的變化，活塞在往復運動的同時，在汽缸內產生高頻而輕微的左右擺動，與缸壁產生周期性撞擊，引起缸套產生高頻振動及微觀變形，當缸套向內振動時，其外壁與冷卻液接觸處的壓力迅速下降，溶于冷卻液的氣體分離出來形成氣泡，當缸套向外振動時，其外壁對接觸處冷卻液進行擠壓，氣泡在振動中受擠壓破裂，則產生沖擊波，釋放出巨大能量，產生高溫高壓的沖擊力，強度最大可達 678Mpa，如圖2。

當這種周而復始的沖擊載荷超過材料的屈服強度時，受沖擊處便產生塑性變形和疲勞剝落破壞。由于機械剝落破壞了金屬表面的氧化層，露出金屬本體，使得電位差增大，又加速了電化腐蝕（包括不同材料間的電化學腐蝕、應力腐蝕和氧濃度差腐蝕等）。而電化學腐蝕的結果，又使金屬表面疏松，力學性能下降，這樣又加速了機械剝落，從而產生氣蝕現象。氣蝕現象一般出現在連桿擺動平面汽缸承受活塞最大側向力一方，在與汽缸套發生穴蝕表相對應的氣缸體內表面，一般也有相應的輕微穴蝕現象。

三、氣蝕現象影響因素

1、機械作用

（1）濕式汽缸套材質，設計制造的缺陷：①材質不符合要求，化學成分，金屬相位組織機構不均勻，抗沖擊及減振不良，抗腐蝕性差;②濕式汽缸套表面形狀、與發動機缸體相對位置布局存在不足，易使冷卻水流動時產生渦流或斷流現象;缸套支承形式不盡合理：缸套是靠上止點臺肩與缸體配合支承，下止點用橡膠封圈密封，但下止口設有間隙 0.1mm 左右，這種支承可看成懸臂支承，當活塞往復運動撞擊缸套時，下部振幅大，穴蝕嚴重。

（2）冷卻液性能指標未達標，沸點、抗腐蝕性、抗泡沫性偏低，以致氣泡易產生，且爆破產生的沖擊力大，汽缸套容易產生氣蝕現象。

（3）活塞撞擊缸套發生高頻振動，是引起汽缸套氣蝕的主要原因。產生高頻振動的主要原因：燃油燃燒爆發對活塞產生側推力，且使活塞頂部承受較高的壓力，再加上活塞與汽缸套之間存在間隙，并且作用在活塞上的氣體壓力，慣性力和摩擦力的方向周期性變化，所以活塞在運動過程中反復地由一個側面接觸，變換到與另一個側面接觸，就產生了活塞對于缸壁的撞擊，這種周期性的撞擊，使缸套發生振動。活塞與缸套之間的撞擊不但在上止點和下止點附近發生，而且也發生在行程的其他位置。

2 化學作用

發動機在工作過程中，汽缸套溫度很高，再加上水套狹窄會使缸套過熱。缸套一般為鑄鐵材質，在高溫下氧與鐵會發生以下反應：

4Fe+3O2→2Fe2O3，3Fe+2O2→Fe3O4

此化學反應形成化合物四氧化三鐵，溫度越高，汽缸套外表面氧化層（即腐蝕層）中的四氧化三鐵越多，使缸套穴蝕加速，呈蜂窩狀形式出現。

3 電化學作用

由于使用的冷卻液含有酸堿鹽等物質，會產生離子，缸套外壁和周圍的水之間會發生電化學作用，其反應式如下：

陽極：Fe→Fe2++2e-;

水溶液：H2O→H++（OH）-;

陰極：2H++2e-→H2↑

隨著電化學作用的不斷進行，陽極的鐵被不斷腐蝕，陰極不斷放出氧氣，水溶液 H+濃度下降，[OH]-增高而發生化學反應，并在富氧條件下而產生 Fe（OH）3， 即鐵銹：

2（OH）-+Fe2+→Fe（OH）2

4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3

從而加速汽缸套的氣蝕。

四、氣蝕現象的預防措施

對于中高速柴油機來說，汽缸套的氣蝕破壞速度很快，破壞性也大。因此，氣蝕破壞直接影響了柴油機工作的可靠性和使用壽命。有資料統計表明，氣蝕破壞可使汽缸套的使用壽命降低 0.5～5年。所以要提高柴油機工作的可靠性和延長其使用壽命，就要對柴油機汽缸套的氣蝕進行預防與修理。

（1）盡量減小汽缸套的振動，高頻振動是氣蝕產生的根源。在柴油發動機修理中，一是應盡量減少活塞與汽缸套的配合間隙;二是要保證汽缸套的支承剛度。汽缸套的上、下腰帶處與機體上、下支承孔的配合間隙不宜過大，更小的間隙有利于限制汽缸套振動的振幅，從而減少氣蝕破壞;三是要盡量保證修理和裝配質量，以減少柴油發動機的振動。引起柴油機較大振動的主要因素有：曲軸的直線度、曲軸的動平衡、各缸活塞連桿組件的質量差、供油量和供油時間，及與所帶機械的對中性不好和固定不牢等，在進行維修檢測時，應校正相關的數值。

（2）使用高質量的冷卻液（高沸點、抗泡性優、酸堿度穩定），使冷卻液的酸堿度能夠長時間處于平衡，同時注意控制車輛運行的發動機水溫。冷卻液溫度不宜過低，較高的水溫容易形成蒸汽，對空泡的潰滅有阻尼作用，從而減輕氣蝕。此外，減少冷卻液中的含氧量、清除雜質、提高潔凈度均有利于減輕氣蝕。

（3）換裝汽缸套時，應該選擇發動機廠家配套的汽缸套，如圖3，保證汽缸套材質過關，缸套體的金屬相位組織均勻，力學性能以及整體強度能夠滿足發動機在各種工況下運行;且制造精度、裝配精度能夠得到保證。

（4）改善腐蝕環境和冷卻液中的介質，即在冷卻液中加入添加劑，可起到防腐蝕、防氣蝕、防垢和防凍等作用。如美國的 D.C.A 冷卻液添加劑和日本的 T.C.L 防凍液，能夠在發動機缸套表面形成保護膜，并隨著液體的流動不斷沖刷生成于汽缸套外表面的氣泡，從而大大降低產生氣蝕的機率。目前國產的 HG-KB冷卻液添加劑在防氣蝕和防腐蝕等性能方面均優于美國、日本和國內的同類產品。HG-KB 多功能添加劑加入冷卻液后，緩蝕率可達 80%以上。

五、結語

加強對柴油發動機的正確使用和維護，弱化機械、化學、電化學等方面的影響因素就可以減少或避免發動機汽缸套的氣蝕。而且為了盡可能地減少汽缸套的高頻振動，從而確保發動機的可靠性，需要對發動機各運動副的裝配精度、間隙值、極限磨損值進行準確的控制。通過分析氣蝕現象產生的機理以及影響因素，提出相應的預防措施，能夠有效抑制汽缸套外表面的氣蝕現象，進一步提高客運車輛發動機的可靠性以及延長客運車輛發動機的使用壽命，希望能為客運企業車輛的檢測維修提供參考。

參考文獻

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