中速高pe柴油機氣缸蓋的國產化許俊1，蔡1，陳廣云2，黎繼軍1（1.七一一研究所，上海200090；2.廣東惠陽發電廠，廣東惠州516000）關鍵詞：柴油機；氣缸蓋；可靠性；國產化摘要：針對中速柴油機不斷向大功率、高pe方向發展給氣缸蓋等部件帶來的可靠性問題，提出了一種新穎的柴油機氣缸蓋國產化的設計思路和生產工藝。經裝機運行證明該設計方法和生產工藝是成功的。中圖分類號：TK423.2文獻標識碼：A文章編號：10014357(2004)05003503DomesticizationofCylinderHeadonHighpeMedium-speedDieselEngineXUJun1,CAIMin1,CHENGGuang-yun2,LIJi-jun1(1.ShanghaiMarineDieselEngineResearchInstitute,Shanghai200090；2.GuangdongHuiyangPowerPlant,GuangdongHuizhou516000)Keywords:Dieselengine；Cylinderhead；Reliability；DomesticizationAbstract:Medium-speeddieselenginehasatendencyforhigh-powerandhigh-pedeveloping,whichbringsthereliabilityproblemsonthepartsascylinderheadandsoon.Therefore,anoveldesignphilosophyandproductiontechnologyonthedomesticizationofcylinderheadisbroughtforward.Theinstalledoperationtestifiedthatthisdesignandtechnologyissuccessful.結構與減磨柴油機DieselEngine2004年第5期收稿日期：2004-04-20351前言隨著中速柴油機不斷向大功率、高pe方向發展，氣缸蓋部件所受的機械負荷、熱負荷越來越高，可靠性問題得到更加重視。這樣對氣缸蓋的材料、結構設計與生產工藝要求也日益提高。本文針對320型柴油機氣缸蓋的國產化研制，介紹一種新穎的中速高pe柴油機氣缸蓋國產化的設計思想與生產工藝。2設計要求320型柴油機為船用主機，國產化要求如下：安裝尺寸與進口氣缸蓋一致平均有效壓力2.4MPa最高燃燒壓力15.5MPa3設計思想分析由于320型柴油機的功率大、強度高，為了提高氣缸蓋的可靠性，采用如下結構：接觸高溫燃氣（熱負荷）的底層相對較薄，氣門孔之間的鼻梁區用鉆孔冷卻，這樣冷卻水可以對其充分冷卻；機械負荷主要由堅固的中間層承受，它與頂層及四壁形成一堅實的箱式結構，排氣門座水冷卻。氣缸蓋由四根液壓拉伸的螺栓固定在機體上。其俯視和橫剖面如圖1、2所示。圖1320氣缸蓋俯視圖圖2320氣缸蓋縱剖圖3.1材料的選用氣缸蓋是柴油機的關鍵件，其工作可靠性對柴油機性能有著至關重要的影響。柴油機工作時，氣旻36缸蓋除了承受氣缸蓋螺栓預緊力和氣缸燃燒壓力產生的脈動應力等機械負荷外，還受到高溫和由于溫度分布不均所產生的很高的熱應力的作用，也就是要承受很高的熱負荷。另外，氣缸蓋的底板在水冷面上可能產生電化學腐蝕，致使氣缸蓋因同時受到腐蝕和疲勞損傷而出現裂紋。所以，氣缸蓋材料的選用極其重要。其材料應具有較高的抗疲勞強度和在高溫情況下的抗拉強度及蠕變強度，同時還應具有良好的耐腐蝕性能。為了滿足這些要求，可以選用的材料有：球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和鑄鋼等（見表1）。鑄鋼雖然強度高，韌性、塑性及導熱性也都較好，但其澆鑄性能差，在澆鑄結構復雜的氣缸蓋時，成品率極低，生產成本增大；蠕墨鑄鐵澆鑄性能非常好。但強度較低，無法滿足強度要求，所以選機械強度高、鑄造和切削性能好的球墨鑄鐵QT500-7。表1鑄鋼和球墨鑄鐵機械性能對比3.2氣缸蓋結構320柴油機氣缸蓋為下圓上方形狀，四氣門，兩進兩排。進排氣口同側，進排氣道均為半并聯布置（見圖3），它結合了串聯和并聯氣道的長處，既方便于氣缸蓋的整體布置，又改善了進氣（造成一定的擾動，使油氣更好地混合，利于燃燒）和排氣（避免二次沖刷）狀況。氣缸蓋下部采用圓錐形結構，可使氣缸蓋底板所受的力，一方面沿中間加厚層傳至相對厚度較大的中隔板，另一方面通過圓錐形結構把力分散、減小，均勻傳至氣缸蓋上部方形四壁，從而使相對較薄的氣缸蓋底板所受的力迅速均勻地傳至其它部位，提高氣缸蓋的可靠性。圖3320氣缸蓋氣道橫剖圖氣缸蓋底部有一環形密封槽，配合軟鋼鍍銅墊片，能更好地實現氣缸蓋與氣缸套之間燃氣和冷卻水的隔絕密封（見圖2和圖4）。氣缸蓋的方形四壁上開設了5個直徑達64的螺塞孔，氣缸蓋上平面開設4個42的螺塞孔，既有利于清砂，又有利于澆鑄時更好地固定泥芯，提高鑄件的成品率，降低生產成本。圖4320氣缸蓋仰視圖3.3氣缸蓋的冷卻降低氣缸蓋熱負荷必須組織良好的冷卻水道，使其底板溫度盡可能均勻，冷卻次序應先高溫區后低溫區。從氣缸套和水套之間的水腔來的冷卻水通過氣缸蓋底部8個25的進水孔進入氣缸蓋內腔，其冷卻特點為：a.先高溫區再低溫區。即冷卻水先集中冷卻噴油器周圍及底部高溫區，降低噴油器底面周圍的溫度，再冷卻上部低溫區，使氣缸蓋的溫度盡可能均勻；b.鼻梁處強制冷卻。鼻梁處是最易因熱應力而產生裂紋的區域，所以組織好該區的冷卻尤為重要。根據圖2和圖5所示，冷卻水進入內腔后只能通過4個9的孔到達噴油器中間部位。由于4個通孔的面積遠小于冷卻水進水口的總面積，使通過4個通孔的冷卻水流速加快，加快熱傳導過程，防止沸騰傳熱，降低鼻梁處熱應力；圖5320氣缸蓋下層水腔橫剖圖許俊，蔡，陳廣云，黎繼軍：中速高pe柴油機氣缸蓋的國產化材料抗拉強度，屈服強度，延伸率，N/mm2N/mm2ZG27RuT35QT500-750050035027032018737許俊，蔡，陳廣云，黎繼軍：中速高pe柴油機氣缸蓋的國產化c.為防止死水區形成局部熱應力過高，導致氣缸蓋損壞。如圖3所示，在容易形成死水區的A、B兩處，各鉆一個6的小孔；d.采用較薄的底平面，有利于冷卻，降低熱應力。4毛坯鑄造工藝320型柴油機氣缸蓋采用球墨鑄鐵材料，因工藝較為復雜，為保證質量，提高鑄件的合格率，采用了如下措施：(1)樹脂砂造型制芯工藝。(2)澆冒口的布置。澆冒口布置充分考慮薄底厚頂的特點及樹脂砂排氣困難的補救，具體是：a.采用業面分型，分型面盡可能靠近氣缸蓋上部，內澆口開在分型面處，分散進鐵水；b.頂部及厚壁處局部放置冷鐵，以防止疏松、縮孔；c.在澆口進鐵水的另一面，放置另一冒口，不僅可以補縮，還可以排氣；d.澆鑄系統采用半封閉式，直澆口、橫澆口、內澆口的截面積之比為3:5:2。(3)鐵水熔煉。出鐵溫度和澆鑄溫度分別控制在1500和1300。5結束語由于在結構設計上采用了新的思路，材料的正確選擇、熱加工工藝的合理制定以及加工中心加工精度的保障，320氣缸蓋的可靠性設計經裝機使用5000h證明是成功的，它為中速大功率、高pe柴油機氣缸蓋的研制提供了寶貴的經驗。(上接第24頁)也達到了理想的效果。提高進氣溫度來改善低負荷性能的前提條件之一是該機的排溫值較低，如果匹配比較大的機組，則會相應提高額定功率下的排溫值，使柴油機的最大功率受到限制。所以，其使用是有約束條件的。另外，試驗時柴油機的排氣背壓太小，使柴油機在船用狀態工作時太敏感，使用時要注意進氣負壓與排氣背壓對運行工況的影響。4小結經過對TBD620V12柴油機低負荷性能試驗，結合柴油機工作過程模擬計算和進排氣道吹風試驗、整機負荷特性試驗及理論分析等表明：TBD620柴油機由于采用了HALLO雙進氣道可控渦流系統、專用噴油器以及低負荷冷卻水系統等措施，經歷了在10%負荷下持續工作的實際考核。可以得到以下結論：a.可控進氣渦流，對組織空氣運動，促進燃油和空氣完全混合并以最大的反應速度進行快速燃燒極為重要。對于形燃燒室的TBD620V12柴油機，采用帶可控渦流擋板的氣缸蓋能兼顧高、低工況對渦流強度的不同要求，獲得較好的性能；b.采用小噴孔和小壓力室的專用型噴油嘴與HALLO雙進氣道可控渦流系統的良好匹配，在保證供油量的前提下，能縮短噴油泵的噴射周期，保證最佳的油束貫穿度，因而獲得較好的性能。同時，采用低啟噴壓力與專用型噴油嘴配合，在達到最佳性能的同時保證了供油系統工作的可靠性（使該噴油泵的平均使用壽命達到2000040000h）；c.采用帶節溫器的冷卻水系統來控制海水溫度，做到了低負荷運行時中冷器以高水溫循環，以提高進氣溫度，最高達45，提高了柴油機在低負荷運行時的經濟性，獲得了預期的性能。為下步發展海水溫度自動控制系統的配機應用，即做到中冷器在低負荷時當加熱器而在高負荷時當冷卻器作用奠定了基礎；d.柴油機的設計往往是按額定工況來計算和試驗的，這對于那些通過提高平均有效壓力改型的機型來講，確定部分負荷的比例和運行限制時間尤為重要。這是因為柴油機不總是在額定負荷范圍下運行，特殊情況下，可能會有大量的時間用于低負荷。此次TBD620V12型柴油機的幾項特殊的配置就不以額定工況來計算，其設計計算與試驗以部分負荷為主并兼顧額定工況。試驗和研究提醒我們，對那些匹配比比較大的機組，例如TBD620V1