柴油機(jī)噴油器回油管密封失效分析

李杰，于洪濤

濰柴重機(jī)股份有限公司，山東 濰坊 261108

0 引言

柱塞泵式噴射系統(tǒng)是現(xiàn)代船用柴油機(jī)最基本的一種噴射系統(tǒng)，一般由高壓噴油泵、噴油器及高壓油管組成。噴油器是柴油機(jī)燃油系統(tǒng)的核心部件之一，能夠?qū)娪捅门懦龅母邏喝加鸵砸欢ǖ膰娪蛪毫?、噴霧細(xì)度、噴油規(guī)律、射程和噴霧錐角噴入燃燒室，使柴油在燃燒室內(nèi)與空氣均勻混合燃燒，是柴油機(jī)燃油系統(tǒng)中的精密偶件[1]。

噴油器為柴油機(jī)的核心零部件，噴油器回油管的安裝和密封要求較高，其泄漏失效大多為噴油器針閥與閥座密封失效導(dǎo)致?；赜凸苄孤r，滴漏在氣缸體上的柴油，遇熱后在發(fā)動機(jī)艙內(nèi)蒸發(fā)，如果出現(xiàn)電火花，可能會引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重后果。

本文中根據(jù)噴油器及回油管密封的原理，利用仿真方法查找柴油機(jī)回油管密封失效的原因，并提出改進(jìn)措施。

1 噴油器結(jié)構(gòu)及回油管密封原理

1.1 噴油器結(jié)構(gòu)

噴油器可分為開式和閉式2類，閉式噴油器分為多孔式噴油器和軸針式噴油器。軸針式噴油器內(nèi)部有一圓柱形針閥，它與針閥體內(nèi)的孔配合，只有一個噴孔，噴孔直徑為1～3 mm，主要適用于噴油壓力要求較低的燃燒室。多孔式噴油器的針閥末端為錐形，與針閥錐面配合，不伸出針閥體，噴孔直徑為0.2～0.8 mm，噴射壓力較高，霧化效果較好，適用于對噴油壓力要求較高的燃燒室。

目前，船用柴油機(jī)噴油器多采用閉式結(jié)構(gòu)。根據(jù)回油管與噴油器的連接方式，回油方式可以分為2類：1)多孔式噴油器，回油管直接與噴油器連接，噴油器結(jié)構(gòu)如圖1所示；2)回油管連接在缸蓋上，通過噴油器以及缸蓋內(nèi)的油道回油，結(jié)構(gòu)如圖2所示；2種密封方式均為回油管和噴油器的接觸密封。

1.2 密封原理

回油管與噴油器之前的密封方式為球頭-錐面密封，密封性好、拆卸方便。圖3為密封結(jié)構(gòu)的示意圖。球頭和喇叭口錐面在擰緊之前為線接觸，當(dāng)施加擰緊力矩后，球頭和錐面發(fā)生塑性變形，在球頭和錐面之間形成密封面[2]。

圖1 多孔式噴油器 圖2 回油管與缸蓋連接 圖3 球頭-錐面密封結(jié)構(gòu)示意圖

2 失效形式及原因分析

2.1 失效形式

柴油機(jī)噴油器回油管滲油發(fā)生在噴油器與回油管連接位置，燃油通過連接套后在回油短管處滲油，回油管滲油位置如圖4所示。

圖4 噴油器回油管滲油位置

2.2 原因分析

分析滲油位置可知,回油管與噴油器接觸的密封錐面密封失效。主要原因?yàn)閲娪推骰赜凸軕冶圯^長,與噴油器連接套上下無壓塊約束,造成發(fā)動機(jī)振動過程中回油管擺動[3]。

3 結(jié)構(gòu)仿真分析

噴油器的泄漏分析一般有理論研究、有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證[4-7]。本文中采用動力學(xué)仿真分析軟件Abacus和網(wǎng)格劃分工具Hypermesh對噴油器回油結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)分析。

3.1 仿真計算模型

柴油機(jī)的相關(guān)參數(shù)為：柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，額定功率為601 kW。

圖5 噴油器回油結(jié)構(gòu)模型 圖6 網(wǎng)格裝配模型

噴油器回油結(jié)構(gòu)三維模型如圖5所示，網(wǎng)格裝配模型如圖6所示。使用Hypermesh網(wǎng)格劃分工具，網(wǎng)格類型采用C3D10m四面體網(wǎng)格對噴油器體、噴油器連接套、回油短管等部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，完成后導(dǎo)出inp文件格式作為Abaqus仿真計算軟件的輸入文件。

3.2 材料參數(shù)和計算載荷邊界

主要部件材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

計算模型邊界為噴油器體下表面6個方向自由度全約束，計算載荷步為：螺栓預(yù)緊；施加15g(g為重力加速度)的動力載荷，模擬發(fā)動機(jī)垂直方向振動載荷。強(qiáng)度計算中，螺栓加載最大預(yù)緊力[8-9]。

3.3 面壓計算結(jié)果

通過施加垂直方向15g動力載荷，計算噴油器回油管密封位置面壓變化，判斷密封在發(fā)動機(jī)振動過程中是否失效。

使用Abaqus結(jié)構(gòu)仿真計算軟件[10]，以預(yù)緊力為50 N和垂直方向15g的加速度分別作為計算載荷，計算結(jié)果如圖7、8所示(圖中單位為MPa)。由圖7、8可知，僅在螺栓預(yù)緊力50 N的載荷工況下，密封接觸位置的最小面壓為155 MPa；當(dāng)增加垂直方向15g的加速度時，密封接觸線下部接觸位置的面壓出現(xiàn)了壓力為0的貫穿區(qū)，密封失效，導(dǎo)致漏油故障。

綜上可知，回油管密封失效的原因?yàn)椋?)回油管與噴油器回油錐孔之間為線密封，接觸密封面積較小，壓強(qiáng)很大，前期階段的彈性變形對密封有利，但由于壓強(qiáng)過大，后期容易造成材料塑性變形，使密封失效[11]；2)回油管擺動時，使密封環(huán)線一部分翹起，密封失效。

a)網(wǎng)格模型 b)計算結(jié)果 圖7 僅加載螺栓預(yù)緊力面壓云圖

a)網(wǎng)格模型 b)計算結(jié)果 圖8 加載15g動力載荷后面壓云圖

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)措施

根據(jù)仿真分析，原設(shè)計方案中噴油器回油管的密封方式不合理，柴油機(jī)上下振動時，密封環(huán)線失效，因此需要對回油管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

1)改進(jìn)回油短管接頭結(jié)構(gòu)，將線接觸改為球面接觸，增大接觸面積，降低密封失效風(fēng)險[12-14]，原回油管密封形式如圖9所示，改進(jìn)前、后回油短管結(jié)構(gòu)如圖10所示。

a) 噴油器截面圖 b)密封局部圖 a)改進(jìn)前 b)改進(jìn)后 圖9 原回油管密封形式 圖10 改進(jìn)前后回油短管結(jié)構(gòu)

2)改進(jìn)噴油器與回油管的連接套結(jié)構(gòu)，連接套內(nèi)徑由27.5 mm改為27.0 mm，厚度由16 mm增加為22 mm，加強(qiáng)連接套的緊固作用[15-16]，如圖11所示。

3)將現(xiàn)有的壓緊錐面密封更改為過油螺栓加復(fù)合式密封墊圈的密封結(jié)構(gòu)，降低回油管的慣性振動，如圖12所示。

a)改進(jìn)前 b)改進(jìn)后 圖11 改進(jìn)前后噴油器連接套結(jié)構(gòu) 圖12 一種噴油器回油密封結(jié)構(gòu)

對改進(jìn)后的回油管進(jìn)行500 h耐久試驗(yàn)，由于回油管密封方式由線接觸改為面接觸，同時加強(qiáng)了噴油器與回油管的緊固，未出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，改進(jìn)措施有效。

5 結(jié)語

針對實(shí)際使用過程中出現(xiàn)的噴油器回油管漏油問題，根據(jù)噴油器回油管的密封原理，分析密封失效原因并進(jìn)行CAE仿真計算驗(yàn)證；改進(jìn)回油管結(jié)構(gòu)，分別對回油管接頭結(jié)構(gòu)、噴油器與回油管的連接套結(jié)構(gòu)及密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；對改進(jìn)后的回油管進(jìn)行500 h耐久試驗(yàn)，沒有發(fā)生燃油泄漏，該改進(jìn)方案可以為柴油機(jī)燃油系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒。