内燃机车用柴油机排气岐管漏油分析与改进

2022-03-21刘旭东卢丹程豆豆张旭

内燃机与动力装置 2022年1期

刘旭东，卢丹，程豆豆，张旭

1.乌鲁木齐城市轨道集团有限公司，新疆乌鲁木齐 830000；2.新疆工程学院，新疆乌鲁木齐 830000

0 引言

乌鲁木齐地铁1号线现有内燃机车4台，2台JMY600FX6(B)G5型机车重联后主要用于隧道内作业，2台JMY580FXH(B)型机车主要用于段内调车。4台内燃机车在使用过程中出现不同程度的柴油机排气歧管渗漏黑油现象，其中JMY600FX6(B)G5型机车的渗漏较为严重。

许多学者对发动机岐管渗漏问题进行了研究。郭旺喜等[1]针对柴油机涡轮增压器压端漏油故障，提出了增压器轴封改进方案；高永春等[2]、马呈新等[3]针对柴油机排气歧管漏机油现象，对活塞油环槽上下侧面直线度、油环槽油带以及油环槽下侧面中的回油孔、泄油槽等参数进行了优化；危艳云[4]、赵敏敏等[5]对柴油机增压器漏油原因进行了深入分析，并提出了压气机壳密封圈优化方案；佐藤操等[6]针对DMF11HZ型柴油机排气管接合部漏油引起冒烟、渗油等问题，研制了带内套的波纹管式接头和改进型垫片；陈曦等[7]针对发动机在长时间怠速工况下运行时排气管中机油泄露程度和来源情况，设计了一种排气歧管淌油试验方法；袁泉等[8]通过仿真分析认为，排气歧管在热机工况下发生塑性变形，冷机工况时变形不能自由恢复至原状态，反复拉压力作用容易使之产生疲劳失效；佟占杰[9]从结构、装配、配件等方面分析了柴油机用VTC254-13型增压器漏油的原因，对油封结构进行了改进，并提出了其他工艺措施；郭志强等[10]基于流动仿真模型，对比分析了不同结构甩油环下的增压器漏油情况，得出高速条件下，离心泵甩油环可以有效改善造成漏油的压力分布；黄海等[11]研究了柴油机活塞环与气缸壁、气门杆和增压器轴承间窜油气现象，提出了一种油气分离器优化方案；唐克远等[12]、赵新武等[13]分析了某天燃气发动机排气歧管漏气、漏油故障，认为在高温条件下长期运转造成排气歧管弯曲变形，从而使排气歧管法兰无法有效密封，并设计了新的分段式排气管方案；王博等[14]对涡轮增压器漏油失效的机理及原因进行了分析，介绍了增压器内部压力测试方法以及数据分析情况；黄泽好等[15]针对某发动机排气歧管局部出现开裂问题开展了仿真研究，根据仿真结果对排气歧管在结构上进行了改进，减小了热应力和塑性变形。上述发动机排气歧管渗漏的改进方法都需要对排气管或增压器等硬件进行改造，对专业技术要求高、成本大。本文中提出一种在机车怠速工况下提高柴油机负载的方法，使柴油机迅速达到正常工作温度，柴油机的密封件发挥作用，有效解决排气岐管黑油渗漏问题。

1 故障现象及原因分析

某内燃机车用废气涡轮增压电喷柴油机为水冷、四冲程、直列六缸主要技术参数如表1所示。

表1 内燃机车用柴油机主要技术参数

1.1 故障现象

JMY600FX6(B)G5型内燃机车在段内调车作业、怠速热备工况和正线低负载作业时，排气歧管各连接处存在较严重的黑油渗漏现象。渗漏的黑油一部分直接滴在排气歧管下方部件上，另一部分被高温的排气歧管蒸发形成烟雾，正线作业时触发2次烟雾报警。黑油渗漏故障现象如图1所示。

图1 柴油机渗漏黑油故障现象

1.2 原因分析

发动机长时间在低转速、低负荷工况下运行时，其实际温度低于额定负载工况时的工作温度，此时活塞环没有充分膨胀，活塞与气缸间隙较大，与发动机运行在额定负载工况时相比，较多机油进入气缸[11]。低负载时，排气温度较低，排气歧管没有充分膨胀，排气歧管连接处的密封效果无法达到最佳工作状态，没有完全燃烧掉的机油、烟尘以及部分燃油形成的混合物(黑油)从排气歧管部位渗漏。

2 解决措施

为使机车在起动后迅速达到额定负载工况，使活塞环和排气歧管能够充分膨胀，修改柴油机加载控制程序，控制流程图如图2所示。

图2 控制流程图

2.1 自动加载

机车加装制动缸压力继电器，在司机台左侧板钻3个直径为7 mm的孔，使继电器中心距离司机台侧边和地板钢架分别为460、730 mm，安装示意如图3所示(图中单位为mm)。机车每次起动时，在制动状态，即制动缸压力p>0.35 MPa，当机车速度低于0.2 km/h时，司控器油门手柄置0位，方向手柄在非0位，传动箱挡位为0，发动机转速为850 r/min的低怠速工况下工作2 min，自动将机车挡位升至前进2挡，柴油机转速升高至1000 r/min，运行10 min，然后解除自动加载。当柴油机怠速工作超过2 h，自动加载条件均满足时，柴油发动机重新自动加载10 min，如此反复。

图3 压力继电器安装示意图

2.2 自动加载解除

当机车速度不低于0.2 km/h时或制动状态、司控器油门手柄设置在0位以及传动箱挡位为0位等4个条件中任何一个不能满足时，解除自动加载。

2.3 结构改进

新增制动缸压力开关4KP，常开触点信号接入可编程控制器(programmable logic controller,PLC)备用输入端子。制动缸压力开关用于判断制动阀是否在常用全制动位，作为确定自动加载的条件之一。当制动缸压力大于0.35 MPa时，压力开关4KP常开触点闭合。更新后的控制原理如图4所示。修改PLC程序，加入机车静止时自动加载程序，指令输出时人机界面(human machine Interface，HMI)主页右下角滚动条提醒司机机车加载状态，如图5所示。在辅助显示界面加入强制加载功能，增加自动加载进入、退出和计时程序，如图6所示。

图4 修改后的控制原理图

图5 机车显示屏主界面图6 辅助显示界面

3 改进后操作方法及验证

3.1 操作方法

怠速运行2 h后，重新起动时为了确保PLC程序能够自动监控是否满足增加负载条件，对机车驾驶提出要求。

3.1.1 自动制动阀

机车起动后，自动制动阀应保持在常用全制动位，且机车速度低于0.2 km/h，如果机车牵引有平板类工程车、电客车等其他车辆，应确保列车风管连接良好，且所有连挂车辆制动系统均投入工作，确保PLC可以接收到制动缸压力开关的动作信号。

3.1.2 司控器方向手柄

保持机车司控器方向手柄在溜逸方向的反方向。机车自动加载过程中，会对机车产生一定的负载，因此需要司机将司控器方向开关放置在机车溜逸的反方向，即上坡线司控器方向开关放前进位，下坡线司控器方向放后退位。司控器挡位手柄在0位，传动箱挡位开关在0位，怠速运行2 min后，PLC启动自动加载程序；PLC自动控制机车接通传动箱2挡，同时发柴油机升速信号提升柴油机转速至1000 r/min，显示屏显示“自动加载运行中，请勿操作机车”。自动加载运行10 min后，自动加载完毕，PLC内部对机车挡位和柴油机转速复位，同时开始下次自动加载计时，机车具备出车条件。

3.1.3 紧急制动

若机车自动加载过程中，机车自动加载条件(制动缸压力开关、司控器挡位开关、司控器方向开关、传动箱挡位、机车速度)变化或按下操纵台上的复位按钮，自动加载程序自动退出，并复位进入下一个2 h的计时周期。若需要继续进行自动加载，则需使用手动触发自动加载程序进行强制加载。在任何功能状态下，按下操纵台上的紧急制动按钮，机车均会自动卸载并紧急制动。

机车重联后，从车接收本车的控制信号，PLC按程序独立自动加载保护。若机车状态变化打破自动加载条件，则机车自动退出自动加载程序，不影响机车正常使用。

3.2 现场验证

将技术改造后的内燃机车置于试车线上，按照上述程序逻辑进行手动模拟试验验证。柴油机起动2 min后，将大闸制动手柄置于紧急制动位置，制动缸压力为0.42 MPa，司控器挡位开关置0位，司控器方向开关置非0位，机车挂前进或后退2挡，将柴油机转速升至1000～1300 r/min、30%负荷时，运行10 min，柴油机水温升至70～80 ℃，柴油机排气歧管充分膨胀，排气歧管的密封件有效发挥作用。经查验，排气歧管连接部位没有出现黑油渗漏现象。柴油机加载运行10 min后，回到怠速状态(850 r/min)，运行2 h，未发现漏油。两车连挂后安排隧道冲洗作业，未出现漏油现象。

现场测试表明，通过上述措施可以有效地解决排气歧管连接部位出现的渗漏现象。