蔣劍雄,孟祥晨,王典汪

1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000；2.浙江銀輪機(jī)械股份有限公司，浙江 天臺 317200

0 引言

隨著內(nèi)燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷升級，尤其是國六排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，對發(fā)動機(jī)排放提出了更高的要求。為了滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)，通常采取提升爆壓、提高噴射壓力、改善燃燒、廢氣再循環(huán)及熱管理等措施來降低發(fā)動機(jī)原排。但提升爆壓導(dǎo)致活塞熱負(fù)荷升高，鋁質(zhì)活塞已經(jīng)不能滿足使用要求，必須使用鋼活塞。為了給鋼活塞散熱，在鋼活塞內(nèi)部設(shè)計(jì)內(nèi)冷油道，由活塞冷卻噴嘴為內(nèi)冷油道提供機(jī)油，利用機(jī)油散熱，保證鋼活塞的溫度不會過高。

機(jī)油與高溫活塞接觸后會出現(xiàn)機(jī)油焦化現(xiàn)象，附著在內(nèi)冷油道表面形成積碳，影響活塞的傳熱效果[1-2]。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，積碳厚度增加100 μm,活塞溫度升高約30～40 ℃，所以必須控制積碳的生成[3]。根據(jù)相關(guān)研究以及發(fā)動機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，機(jī)油中的Cu能夠促進(jìn)鋼活塞積碳生成，而機(jī)油中Cu主要來源于Cu基釬焊的不銹鋼機(jī)油冷卻器[4]，因此有必要開展對非Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器性能的研究。本文中主要從傳熱性能、可靠性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性以及市場應(yīng)用等對Cu基和非Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器進(jìn)行對比分析。

1 釬料的材料及性能對比

1.1 釬料材料

Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器是指采用以T2銅為釬焊劑的機(jī)油冷卻器，一般銅釬焊劑采用銅箔片或者銅直接復(fù)合在不銹鋼板表面。非Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器根據(jù)釬料的不同，又分為Ni基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器、Fe基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器和Mn基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器。

由于Mn基釬焊釬料成本高昂，主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，所以本文中不對Mn基釬料進(jìn)行對比分析。Ni基釬料的化學(xué)成分及熔化特性見表1[5]，不同生產(chǎn)廠家的Fe基釬料的化學(xué)成分及熔化特性見表2[6]。

表1 常用的Ni基釬料的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)及熔化特性

表2 不同生產(chǎn)商的Fe基釬料的化學(xué)成分及熔化特性

1.2 力學(xué)性能

在高強(qiáng)化柴油機(jī)上，機(jī)油冷卻器是相對薄弱的零部件，考慮到換熱效率和輕量化的要求，機(jī)油冷卻器的力學(xué)性能尤為重要[7]。材料和工藝等影響機(jī)油冷卻器的力學(xué)性能，因此對比分析材料和工藝的力學(xué)性能具有重要意義[8-9]。

圖1為不同釬料的釬焊接頭力學(xué)性能對比。

a)抗拉強(qiáng)度 b)剪切強(qiáng)度 圖1 不同釬料的釬焊接頭力學(xué)性能對比

由圖1a)可知：Cu基釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度超過350 MPa，而Ni基和Fe基釬焊接頭的抗拉強(qiáng)度分別約為225 MPa和215 MPa，Cu基釬焊接頭的力學(xué)性能最好，優(yōu)于Ni基和Fe基釬焊接頭。由圖1b)可知：Cu基釬焊接頭剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)大于Ni基釬焊接頭和Fe基釬焊接頭。此外，焊縫間隙對焊接接頭強(qiáng)度的影響不明顯。

1.3 換熱性能對比

1.3.1 試驗(yàn)方法

大功率強(qiáng)化發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷大，必須裝備機(jī)油冷卻器[10-11]。潤滑油經(jīng)濾清器過濾后直接進(jìn)入冷卻器，在冷卻器芯內(nèi)流動，冷卻液在冷卻芯外流動[12-13]。2種液體在冷卻器內(nèi)進(jìn)行熱交換，使高溫潤滑油得以冷卻降溫[14]。

按照文獻(xiàn)[15]中的方法進(jìn)行機(jī)油冷卻器傳熱性能試驗(yàn)。熱介質(zhì)為L-ECD15W/40級柴油機(jī)潤滑油，冷卻介質(zhì)為水；加熱方式為電加熱，溫度采用無級調(diào)節(jié)裝置控制；流量計(jì)、溫度計(jì)及壓差計(jì)均按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

機(jī)油冷卻器的結(jié)構(gòu)形式、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)工裝、試驗(yàn)設(shè)備等均一致，僅釬料不同。試驗(yàn)條件為：進(jìn)油溫度為118 ℃，機(jī)油體積流量分別為2.4、3.6、4.8 m3/h，進(jìn)水溫度為85 ℃，水體積流量為27 m3/h。

1.3.3 試驗(yàn)結(jié)果

不同釬料的機(jī)油冷卻器性能試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：Ni基和Fe基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器的換熱性能基本相同，相比Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器，Ni基和Fe基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器的傳熱性能下降約6%左右，且隨機(jī)油流量的增大，其差距越大。

圖2 不同釬料的機(jī)油冷卻器性能結(jié)果

2 可靠性及耐久試驗(yàn)對比

2.1 可靠性試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)方法

按照文獻(xiàn)[16]中的方法進(jìn)行機(jī)油冷卻器可靠性試驗(yàn)。機(jī)油冷卻器的結(jié)構(gòu)形式、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)工裝、試驗(yàn)設(shè)備等均一致，僅機(jī)油冷卻器的釬料不同。

2.1.2 試驗(yàn)內(nèi)容及要求

1)靜壓爆破試驗(yàn)

在2.5 MPa壓力下，保壓時(shí)間不少于5 min，機(jī)油冷卻器不泄漏、不變形、不破損;保壓完成后，繼續(xù)加大壓力(加壓速率為50 kPa/s)，直到爆破，要求其爆破壓力不小于5.5 MPa。

2)壓力脈沖試驗(yàn)

先施加0.17～1.79 MPa壓力，脈沖頻率為2 Hz，經(jīng)100萬次壓力循環(huán)；然后施加0.05～3.10 MPa壓力，脈沖頻率為2 Hz，經(jīng)5000次壓力循環(huán)后，無泄漏和零件損壞。

3)振動試驗(yàn)

機(jī)油冷卻器油腔和水腔內(nèi)均充滿油，模擬冷卻器在使用情況下的安裝方式，在5～1000 Hz掃描共振頻率，以共振頻率作為試驗(yàn)頻率，在x、y、z3個(gè)方向分別施加10g(g為自由落體加速度)加速度載荷，分別試驗(yàn)12 h，無泄漏和零件損壞。

4)熱沖擊試驗(yàn)

經(jīng)過3000次120 ℃—20 ℃—120 ℃溫度交變循環(huán)后，無泄露、開焊和其它損壞。

2.1.3 試驗(yàn)結(jié)果

按照上述試驗(yàn)方法進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，結(jié)果表明3種不同釬料的不銹鋼機(jī)油冷卻器均滿足可靠性試驗(yàn)要求。其中靜壓爆破試驗(yàn)分別制作了8組樣件進(jìn)行對比測試，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：3種不同釬料的機(jī)油冷卻器的爆破壓力相差不大，但Cu基釬焊機(jī)油冷卻器的爆破壓力最大，其次是Ni基釬焊的，F(xiàn)e基釬焊的最低。

圖3 靜壓爆破試驗(yàn)結(jié)果

2.2 耐久試驗(yàn)

對發(fā)動機(jī)進(jìn)行初期耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：Cu基釬焊機(jī)油冷卻器的機(jī)油中Cu含量較高，超過250 μg/g；Ni基和Fe基釬焊機(jī)油冷卻器的機(jī)油中Cu含量較低，低于50 μg/g。

圖4 不同釬料機(jī)油冷卻器在對機(jī)油中Cu含量的影響

3 工藝及經(jīng)濟(jì)性對比

3.1 生產(chǎn)工藝

Ni基和Fe基不銹鋼機(jī)油冷卻器生產(chǎn)工藝一致，而Cu基的不銹鋼機(jī)油冷卻器生產(chǎn)工藝不同[17-18]。

1)Cu基釬焊機(jī)油冷卻器

Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器的生產(chǎn)工藝為：沖壓—清洗—合片—壓邊—疊片—裝夾—釬焊—壓平—靜壓—泄漏測試—終檢—打標(biāo)—防銹—打包。

2)Ni基、Fe基釬焊機(jī)油冷卻器

Ni基、Fe基釬焊機(jī)油冷卻器不銹鋼機(jī)油冷卻器的生產(chǎn)工藝為：

相比Cu基釬焊機(jī)油冷卻器，Ni基和Fe基釬焊機(jī)油冷卻器的釬焊工藝缺點(diǎn)為：1)增加了涂膏(點(diǎn)膏)工藝；2)焊接工藝性差，導(dǎo)致涂層較厚，釬料的質(zhì)量比Cu基高50%及以上；3)釬焊劑單價(jià)成本更高；4)無壓平工藝，由于Ni基和Fe基冷卻器壓平會導(dǎo)致焊縫開裂，所以不允許壓平；為保證平面度，一般采用不銹鋼底板來控制焊接變形或碳鋼底板和機(jī)加工工藝，2種工藝的成本均比壓平工藝高。

3.2 經(jīng)濟(jì)性

以某13 L柴油發(fā)動機(jī)所采用WC202×97H15規(guī)格的不銹鋼機(jī)油冷卻器為例，釬料成本對比分析見表3。

表3 不同釬料的材料成本

由表3可知：Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器的釬料成本最低，Ni基和Fe基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器的釬料成本是Cu基的數(shù)倍。再考慮工藝性帶來的差異，Ni基和Fe基機(jī)油冷卻器產(chǎn)品的最終成本比Cu基釬焊機(jī)油冷卻器高70%以上。

3.3 市場應(yīng)用

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，迄今為止，在國內(nèi)柴油內(nèi)燃機(jī)市場上，僅有康明斯和無錫柴油機(jī)廠的部分機(jī)型批量應(yīng)用非Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器，其余內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)企業(yè)均未在市場上推出裝配非Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器的機(jī)型。

4 結(jié)論

1)Cu基和非Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器的力學(xué)性能及可靠性等均滿足內(nèi)燃機(jī)的使用需求。

2)Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器在力學(xué)性能、換熱性能、可靠性等方面均優(yōu)于非Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器。

3)Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器制造工藝相對非Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器的簡單，原材料及制造成本低。

4)Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器在國內(nèi)外內(nèi)燃機(jī)市場上占主導(dǎo)地位；如果不解決成本問題，非Cu基釬焊不銹鋼機(jī)油冷卻器的推廣應(yīng)用將受到限制。