潍柴发动机缸筒（缸套）气蚀故障的原因分析与预防措施

蔡扬明 沙文喜 江峰

摘  要：论述了柴油发动机湿式缸套的外壁气蚀的产生机理、影响因素及预防措施，有效抑制发动机汽缸套气蚀现象的产生，进一步延长客运车辆发动机的使用寿命，扩大客运车辆发动机中修、大修的间隔里程，降低了车辆维修保养成本。

关键词：柴油发动机   汽缸套   气蚀   防范措施

一、引言

气蚀是影响柴油发动机湿式汽缸套寿命的重要因素之一，其特点是汽缸套外表面局部区域出现麻点、针孔，严重时成聚集的蜂窝状的孔穴群，如图1。湿式汽缸套气蚀现象是机械、化学、电化学共同作用的结果，通过弱化机械、化学、电化学等方面的影响因素可减轻和防止湿式气缸套穴蚀的产生。

二、气蚀现象的产生机理

柴油发动机工作时，汽缸内燃烧气体压力周期性的变化，活塞在往复运动的同时，在汽缸内产生高频而轻微的左右摆动，与缸壁产生周期性撞击，引起缸套产生高频振动及微观变形，当缸套向内振动时，其外壁与冷却液接触处的压力迅速下降，溶于冷却液的气体分离出来形成气泡，当缸套向外振动时，其外壁对接触处冷却液进行挤压，气泡在振动中受挤压破裂，则产生冲击波，释放出巨大能量，产生高温高压的冲击力，强度最大可达 678Mpa，如图2。

当这种周而复始的冲击载荷超过材料的屈服强度时，受冲击处便产生塑性变形和疲劳剥落破坏。由于机械剥落破坏了金属表面的氧化层，露出金属本体，使得电位差增大，又加速了电化腐蚀（包括不同材料间的电化学腐蚀、应力腐蚀和氧浓度差腐蚀等）。而电化学腐蚀的结果，又使金属表面疏松，力学性能下降，这样又加速了机械剥落，从而产生气蚀现象。气蚀现象一般出现在连杆摆动平面汽缸承受活塞最大侧向力一方，在与汽缸套发生穴蚀表相对应的气缸体内表面，一般也有相应的轻微穴蚀现象。

三、气蚀现象影响因素

1、机械作用

（1）湿式汽缸套材质，设计制造的缺陷：①材质不符合要求，化学成分，金属相位组织机构不均匀，抗冲击及减振不良，抗腐蚀性差;②湿式汽缸套表面形状、与发动机缸体相对位置布局存在不足，易使冷却水流动时产生涡流或断流现象;缸套支承形式不尽合理：缸套是靠上止点台肩与缸体配合支承，下止点用橡胶封圈密封，但下止口设有间隙 0.1mm 左右，这种支承可看成悬臂支承，当活塞往复运动撞击缸套时，下部振幅大，穴蚀严重。

（2）冷却液性能指标未达标，沸点、抗腐蚀性、抗泡沫性偏低，以致气泡易产生，且爆破产生的冲击力大，汽缸套容易产生气蚀现象。

（3）活塞撞击缸套发生高频振动，是引起汽缸套气蚀的主要原因。产生高频振动的主要原因：燃油燃烧爆发对活塞产生侧推力，且使活塞顶部承受较高的压力，再加上活塞与汽缸套之间存在间隙，并且作用在活塞上的气体压力，惯性力和摩擦力的方向周期性变化，所以活塞在运动过程中反复地由一个侧面接触，变换到与另一个侧面接触，就产生了活塞对于缸壁的撞击，这种周期性的撞击，使缸套发生振动。活塞与缸套之间的撞击不但在上止点和下止点附近发生，而且也发生在行程的其他位置。

2 化学作用

发动机在工作过程中，汽缸套温度很高，再加上水套狭窄会使缸套过热。缸套一般为铸铁材质，在高温下氧与铁会发生以下反应：

4Fe+3O2→2Fe2O3，3Fe+2O2→Fe3O4

此化学反应形成化合物四氧化三铁，温度越高，汽缸套外表面氧化层（即腐蚀层）中的四氧化三铁越多，使缸套穴蚀加速，呈蜂窝状形式出现。

3 电化学作用

由于使用的冷却液含有酸碱盐等物质，会产生离子，缸套外壁和周围的水之间会发生电化学作用，其反应式如下：

阳极：Fe→Fe2++2e-;

水溶液：H2O→H++（OH）-;

阴极：2H++2e-→H2↑

随着电化学作用的不断进行，阳极的铁被不断腐蚀，阴极不断放出氧气，水溶液 H+浓度下降，[OH]-增高而发生化学反应，并在富氧条件下而产生 Fe（OH）3， 即铁锈：

2（OH）-+Fe2+→Fe（OH）2

4Fe（OH）2+O2+2H2O→4Fe（OH）3

从而加速汽缸套的气蚀。

四、气蚀现象的预防措施

对于中高速柴油机来说，汽缸套的气蚀破坏速度很快，破坏性也大。因此，气蚀破坏直接影响了柴油机工作的可靠性和使用寿命。有资料统计表明，气蚀破坏可使汽缸套的使用寿命降低 0.5～5年。所以要提高柴油机工作的可靠性和延长其使用寿命，就要对柴油机汽缸套的气蚀进行预防与修理。

（1）尽量减小汽缸套的振动，高频振动是气蚀产生的根源。在柴油发动机修理中，一是应尽量减少活塞与汽缸套的配合间隙;二是要保证汽缸套的支承刚度。汽缸套的上、下腰带处与机体上、下支承孔的配合间隙不宜过大，更小的间隙有利于限制汽缸套振动的振幅，从而减少气蚀破坏;三是要尽量保证修理和装配质量，以减少柴油发动机的振动。引起柴油机较大振动的主要因素有：曲轴的直线度、曲轴的动平衡、各缸活塞连杆组件的质量差、供油量和供油时间，及与所带机械的对中性不好和固定不牢等，在进行维修检测时，应校正相关的数值。

（2）使用高质量的冷却液（高沸点、抗泡性优、酸碱度稳定），使冷却液的酸碱度能够长时间处于平衡，同时注意控制车辆运行的发动机水温。冷却液温度不宜过低，较高的水温容易形成蒸汽，对空泡的溃灭有阻尼作用，从而减轻气蚀。此外，减少冷却液中的含氧量、清除杂质、提高洁净度均有利于减轻气蚀。

（3）换装汽缸套时，应该选择发动机厂家配套的汽缸套，如图3，保证汽缸套材质过关，缸套体的金属相位组织均匀，力学性能以及整体强度能够满足发动机在各种工况下运行;且制造精度、装配精度能够得到保证。

（4）改善腐蚀环境和冷却液中的介质，即在冷却液中加入添加剂，可起到防腐蚀、防气蚀、防垢和防冻等作用。如美国的 D.C.A 冷却液添加剂和日本的 T.C.L 防冻液，能够在发动机缸套表面形成保护膜，并随着液体的流动不断冲刷生成于汽缸套外表面的气泡，从而大大降低产生气蚀的机率。目前国产的 HG-KB冷却液添加剂在防气蚀和防腐蚀等性能方面均优于美国、日本和国内的同类产品。HG-KB 多功能添加剂加入冷却液后，缓蚀率可达 80%以上。

五、结语

加强对柴油发动机的正确使用和维护，弱化机械、化学、电化学等方面的影响因素就可以减少或避免发动机汽缸套的气蚀。而且为了尽可能地减少汽缸套的高频振动，从而确保发动机的可靠性，需要对发动机各运动副的装配精度、间隙值、极限磨损值进行准确的控制。通过分析气蚀现象产生的机理以及影响因素，提出相应的预防措施，能够有效抑制汽缸套外表面的气蚀现象，进一步提高客运车辆发动机的可靠性以及延长客运车辆发动机的使用寿命，希望能为客运企业车辆的检测维修提供参考。

参考文献

[1] 隋江华，贾明莆，孙丰雷. 柴油机气缸套穴蚀的成因以及预防措施【J】. 船舶工程，2009年增刊：45-47.

[2] 支劍锋. 工程机械柴油机气缸套穴蚀及其预防【J】. 工程机械，2003，34（3）：47-48.

2706501705230