技術(shù)維修與康明斯知識

解決康明斯柴油發(fā)電機竄氣故障的辦法

 

摘要：發(fā)動(dòng)機氣缸竄氣是導致柴油發(fā)電機組運行不穩定的一個(gè)主要原因。本文對氣缸竄氣的原因、特征及控制技術(shù)進(jìn)行研究分析，提出了有效的防止氣缸竄氣的方法，包括改善氣缸結構、減小燃燒室溫度、優(yōu)化燃油噴霧、增加燃燒室密封性等。通過(guò)實(shí)驗驗證，該方法對控制柴油機氣缸竄氣具有重要的實(shí)踐意義。通過(guò)本文的介紹，可以了解到了現代柴油機中氣缸竄氣問(wèn)題的危害以及解決方案。這些方法和措施的實(shí)施不僅可降低氣缸竄氣的風(fēng)險，提高柴油機的燃燒效率和工作穩定性，還能夠減少排放污染物，提高經(jīng)濟性，延長(cháng)柴油機壽命。隨著(zhù)科技不斷的進(jìn)步和創(chuàng )新，相信在未來(lái)的柴油機開(kāi)發(fā)中，氣缸竄氣的發(fā)生將被更好地控制。

 

一、柴油機竄氣的原因

 

      柴油機竄氣指的是柴油機發(fā)生故障，燃氣從呼吸口噴出，這種故障對于柴油機來(lái)說(shuō)是十分危險的，一般的情況下就是柴油機功率不足、冒黑煙和燃燒機油等，嚴重的情況會(huì )使曲軸箱的壓力增大，壓迫機油噴出油箱，這就非常容易造成危險事故，比如活塞抱缸等。導致柴油機發(fā)生竄氣的原因不同，關(guān)鍵是活塞燒損、活塞環(huán)斷、缸套拉傷，一旦發(fā)生這些危險，就會(huì )破壞燃燒室的密封性，在缸套和活塞的間隙之間有高壓高溫氣體竄入曲軸箱，最關(guān)鍵的兩個(gè)竄氣的原因是一方面是使用十六烷值低的柴油和噴油泵供油提前角改變。

1、使用十六烷值低的柴油

      我們要評定柴油自燃性就要考慮十六烷值，自燃性直接關(guān)系著(zhù)柴油機的燃燒過(guò)程，所以對于十六烷值的使用，各種柴油機都具有嚴格的規定，比如一般我們看到柴油機的說(shuō)明書(shū)都對十六烷值做了規定，其中0號輕柴油的值則不能低于45，但是在實(shí)際的生產(chǎn)中所使用的柴油實(shí)際上是不符合這個(gè)數值的，一旦柴油機使用的柴油的十六烷值偏低，就會(huì )出現低溫啟機困難的狀態(tài)，甚至有時(shí)候根本無(wú)法啟機，即時(shí)后期勉強啟機了，也會(huì )存在大量沒(méi)有燒盡的汽油，形成白煙造成污染和浪費。但是隨著(zhù)后期的發(fā)電機組運轉的溫度不斷升高，直到七十度左右之后白煙逐漸消失，但是柴油機依然存在排氣管漏氣、變形、排氣管紅、后燃、工作粗暴等現象，這些問(wèn)題都會(huì )出現柴油機竄氣的情況。經(jīng)過(guò)檢修發(fā)現有多處損毀活塞的情況。出現這種故障的原因如下：

（1）柴油的十六烷值太低，過(guò)低的十六烷值就會(huì )降低著(zhù)火的性能，不能很快的點(diǎn)燃噴射進(jìn)去的石油，而且在燃油和氣缸之間是存在一定的距離的，這就使得燃油剛剛進(jìn)入還沒(méi)著(zhù)火時(shí)，氣缸當中已經(jīng)有大量的燃油積累，這些燃油在短時(shí)間內燃燒就會(huì )嚴重沖擊相關(guān)部件，當溫度低時(shí)，滯燃的時(shí)間就會(huì )更長(cháng)，甚至直接以白氣狀態(tài)噴入大氣。因為不同的柴油機的燃燒條件是不一致的，所以不同的十六烷值就會(huì )導致柴油機抖動(dòng)，活塞環(huán)、活塞、氣缸等都處于長(cháng)時(shí)間不均勻的工作狀態(tài)下。

（2）環(huán)案長(cháng)時(shí)間的受到活塞環(huán)的拍擊，就會(huì )使得活塞環(huán)、活塞、缸套等損壞過(guò)早，進(jìn)而造成柴油機竄氣。

（3）在當燃油的品質(zhì)較差時(shí)，也會(huì )出現上述的故障，因為燃油的品質(zhì)差時(shí)，每次噴入大量的燃油霧氣到氣缸中，但是只有很少的一部分被點(diǎn)燃了，更多的一部分是以液滴的形式存在的，液滴的形式要想燃燒就需要大量的空氣，但是在柴油機當中，空氣量又是受限制的，無(wú)法滿(mǎn)足低于正常的十六烷值的燃油的燃燒，并且大量氧氣的消耗，會(huì )導致機內缺氧，燃燒不盡進(jìn)而排出大量的黑煙，甚至有時(shí)候會(huì )出現煙囪竄火的現象。

（4）過(guò)高的熱負荷和大量的游離碳就十分容易導致噴油器的燒毀，噴油器燒毀之后就會(huì )出現活塞卡死、噴油器堵塞等惡性循環(huán)，最后致使活塞環(huán)和活塞的損壞，造成竄氣的現象。

2、噴油泵供油提前角的改變

      噴油泵供油提前角是噴油泵從供油到活塞上止點(diǎn)之間的轉角，工作位置如圖1所示。需要我們注意的是當柴油機的型號不同時(shí)，提前角的值也就會(huì )不同。對于柴油機的燃燒供油提前角具有重大的影響。

（1）供油提前角提前

      一旦柴油機的噴油泵供油提前角提前比正常狀態(tài)下大過(guò)六度，及其就會(huì )出現啟動(dòng)困難、怠速不良、工作粗暴或柴油噴火的現象。當柴油機的供油提前角提前比正常狀態(tài)下小于六度時(shí)，柴油機就會(huì )出現震動(dòng)劇烈、燒紅煙道管、冒黑煙、放炮等現象。

（2）供油提前角滯后

      柴油機供油提前角滯后示意圖如圖2所示。提前角滯后會(huì )使柴油的燃燒喪失時(shí)機，尤其是在油粒延遲到膨脹期噴入，燃油的分子結構就會(huì )發(fā)生變化導致后期的燃油速度緩慢，很大一部分燃燒不盡的會(huì )變成黑煙排出，造成浪費還污染空氣。有時(shí)候黑色煙粒和燃燒積炭會(huì )相互凝結，就會(huì )使得噴油器的霧化出現問(wèn)題，最后堵塞噴孔。

      另一方面如果是燃油在顆粒膨脹的沖程之后才進(jìn)行燃燒，缸內就會(huì )有大量的燃燒產(chǎn)物堆積，進(jìn)一步對氧氣進(jìn)行消耗，氧氣的濃度下降之后，氣缸內的溫度和壓力都會(huì )下降，進(jìn)而降低缸內的燃燒速度，使油氣的燃燒蔓延到排氣管內，在這種情況下熱量對于有效公轉化的效率很低，大大的限制了柴油機的可靠性、動(dòng)力性和經(jīng)濟性的下降，但是反過(guò)來(lái)又會(huì )提高排氣的溫度，使得各部分的零部件都一直處在高溫的環(huán)境下，最后導致噴油器針閥、氣門(mén)、汽缸蓋、活塞環(huán)、氣缸活塞等損壞，進(jìn)而使得柴油機竄氣故障發(fā)生。

 

圖1  柴油機供油提前角工作圖

圖2  柴油機供油提前角滯后示意圖

 

二、機外解決竄氣故障的方法

 

      柴油發(fā)電機組燃氣壓力和流通通路是造成柴油機竄氣的兩個(gè)最基本的條件，其中燃氣壓差既是竄氣產(chǎn)生的動(dòng)力來(lái)源，同時(shí)也是活塞環(huán)密封系統正常密封時(shí)的推動(dòng)力?？得魉构颈疚恼箩槍Σ煌吞柕牟裼蜋C竄氣故障的相關(guān)原因進(jìn)行重點(diǎn)分析和理論的探索，并在此基礎上結合在柴油機實(shí)際應用中的檢修故障和運用情況進(jìn)行論述，并提出了相關(guān)的解決措施，以期為以后的實(shí)際生產(chǎn)提供借鑒。康明斯公司經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐發(fā)現，要想真正的從根本上解決柴油機竄氣故障，主要是從幾個(gè)不同的角度來(lái)進(jìn)行的。

1、控制油品的質(zhì)量

      通常情況下如果機油的油品質(zhì)量較差，則柴油機發(fā)生故障的概率就會(huì )增加，所以我們在應用柴油的時(shí)候就必須進(jìn)行必要的提前化驗，包括各種雜質(zhì)、閃點(diǎn)、水分和十六烷值等。此外，機油牌號的選擇對柴油發(fā)電機的使用壽命至關(guān)重要，不用標號的機油，對應不同的使用場(chǎng)景，冬夏柴油發(fā)電機的機油也要及時(shí)調整。選擇正確的機油可以延長(cháng)發(fā)動(dòng)機的壽命，提高發(fā)動(dòng)機的性能，并且減少了機油變質(zhì)的可能性。但是在選擇機油的時(shí)候，需要了解不同機油參數的意義，其粘度等級如圖3所示。

2、控制機器檢修的質(zhì)量和工藝

      這一技術(shù)就要求工作者嚴格的按照相關(guān)技術(shù)來(lái)進(jìn)行，比如測算缸套、活塞環(huán)、活塞等部件的質(zhì)量選配和外形尺寸等，在此基礎上再?lài)栏窨己斯ぷ髡叩臋z修質(zhì)量。以活塞環(huán)為例，開(kāi)口間隙是活塞環(huán)安裝時(shí)必須的開(kāi)口，防止活塞環(huán)受熱膨脹后卡死在氣缸內。檢查開(kāi)口間隙的方法如圖4所示，步驟是將活塞環(huán)平正地放入氣缸內，從活塞頂部把它推平，然后用厚薄規測量開(kāi)口處的間隙。

3、控制維護保養的方面

      在維護的保養的方面，要督促相關(guān)的人員定期的進(jìn)行機器工作狀態(tài)的保養維護，定期的對空氣的濾清器、機油濾清器、柴油機燃油等進(jìn)行清理，定期的對機油進(jìn)行更換等，進(jìn)而方便以后柴油機的正常工作。

 

圖3  柴油機潤滑油不同粘度等級對應狀態(tài)

圖4  柴油機活塞環(huán)開(kāi)口間隙的檢查方法

 

三、機內解決竄氣故障的方法

 

      氣缸竄氣會(huì )導致發(fā)動(dòng)機運行不穩定，表現為怠速不平穩、轉速失速、功率下降等現象，竄氣通常發(fā)生部位如圖5所示。此外，氣缸竄氣還會(huì )導致機油污染、冷卻液滲漏和發(fā)動(dòng)機故障等問(wèn)題?？得魉构緸榱丝刂撇裼蜋C氣缸竄氣，在制造時(shí)可以采取以下幾個(gè)措施：

1、改善氣缸結構

      為了提高氣缸壁的密封性能，可以采用以下幾個(gè)措施：

（1）增加氣缸壁的精度，降低氣缸壁與活塞之間的間隙

（2）采用密封性能更好的材料制造氣缸壁，比如采用高強度鋁合金材料

（3）加強氣缸壁的冷卻，減少氣缸壁溫度的升高，從而減少氣缸壁的膨脹

2、減小燃燒室溫度

      為了降低燃燒室溫度，可以采用以下幾個(gè)措施：

（1）增加空氣流動(dòng)和混合，減少燃燒室內的殘留燃料

（2）采用較低的噴油壓力和較小的噴油孔徑，控制燃油噴出速度和噴霧角度，使燃油更為均勻地分布到燃燒室內

（3）控制噴油時(shí)機，使燃油在燃燒室中得到充分混合，從而減少未燃氣體的生成

3、優(yōu)化燃油噴霧

      為了保證燃油完全燃燒，可以?xún)?yōu)化燃油噴霧的形態(tài)、速度和分布區域等。具體來(lái)說(shuō)，可以采取以下措施：

（1）采用多孔噴嘴結構，增加燃油霧化和混合的時(shí)間

（2）設計合理的燃油噴嘴孔徑和數量，控制燃油進(jìn)入燃燒室的速度和角度

（3）控制噴油壓力和時(shí)間，以保證燃油噴出速度和噴霧角度的正確性

4、 增加燃燒室密封性

      為了減少燃氣逃離氣缸，可采取以下措施：

（1）采用高密度的燃燒室密封墊，減少氣缸壁和活塞環(huán)之間的泄漏

（2）控制燃油噴出速度和時(shí)間，使燃料得到充分混合，并在燃燒室內完全燃燒

（3）排除發(fā)動(dòng)機燃油和空氣系統中的雜質(zhì)和污染物，保證系統的清潔度和穩定性

5、 采用先進(jìn)的燃油噴射技術(shù)

      現代柴油機采用電控高壓共軌噴油系統等先進(jìn)的燃油噴射技術(shù)，能夠實(shí)現更加精確的燃油控制和更高的燃燒效率，從而有效地減少了氣缸竄氣的發(fā)生。此外，先進(jìn)的燃油噴射技術(shù)還能夠降低排放污染物的量，提高燃油經(jīng)濟性。

6、采用高效冷卻系統

      高效的冷卻系統能夠將發(fā)動(dòng)機中產(chǎn)生的熱量及時(shí)地散熱，降低氣缸壁溫度，從而減少氣缸竄氣?，F代柴油機采用液冷或水冷的方式進(jìn)行冷卻，同時(shí)采用高效的水泵和風(fēng)扇進(jìn)行強制冷卻，從而能夠保持發(fā)動(dòng)機的穩定工作溫度，并有效地降低氣缸竄氣的發(fā)生。

      以上措施通過(guò)康明斯公司實(shí)驗驗證，本文提出的控制氣缸竄氣的方法可以有效地降低氣缸竄氣的發(fā)生率，提高發(fā)動(dòng)機的性能和可靠性，同時(shí)這些措施對提高柴油機的性能具有重要的實(shí)踐意義。柴油機漏氣量測試結構如圖6所示。

 

圖5  柴油機氣缸竄氣通道示意圖

圖6  柴油機竄氣故障漏氣量測試曲線(xiàn)圖

 

總結：

      總的來(lái)說(shuō)，控制氣缸竄氣是現代柴油機發(fā)展的一個(gè)重要方向，對于提高柴油機的燃燒效率、降低排放污染物、延長(cháng)發(fā)動(dòng)機壽命等方面具有重要的意義。今后，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們還將會(huì )看到更加先進(jìn)的控制氣缸竄氣技術(shù)的出現，從而實(shí)現更加高效、環(huán)保、可靠的柴油機工作。本文主要探討了現代柴油機中氣缸竄氣問(wèn)題的成因和解決方案。氣缸竄氣對于柴油機的穩定工作和壽命都有著(zhù)非常大的影響，因此控制氣缸竄氣成為了現代柴油機發(fā)展的一個(gè)重要方向。通過(guò)分析其中的原理，本文提出了多種解決方法。首先，優(yōu)化燃燒室形狀、減小活塞與缸套的間隙、提高運轉油面高度等措施可以減少氣缸竄氣的發(fā)生。其次，采用高質(zhì)量的活塞環(huán)、缸套和活塞件等配件也能夠有效地降低氣缸竄氣的風(fēng)險。此外，優(yōu)化氣門(mén)機構、采用先進(jìn)的燃油噴射技術(shù)、以及采用高效冷卻系統等方法都能夠有效地降低氣缸竄氣現象的發(fā)生。

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