技術維修與康明斯知識

解決康明斯柴油發電機竄氣故障的辦法

 

摘要：發動機氣缸竄氣是導致柴油發電機組運行不穩定的一個主要原因。本文對氣缸竄氣的原因、特征及控制技術進行研究分析，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、優化燃油噴霧、增加燃燒室密封性等。通過實驗驗證，該方法對控制柴油機氣缸竄氣具有重要的實踐意義。通過本文的介紹，可以了解到了現代柴油機中氣缸竄氣問題的危害以及解決方案。這些方法和措施的實施不僅可降低氣缸竄氣的風險，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，提高經濟性，延長柴油機壽命。隨著科技不斷的進步和創新，相信在未來的柴油機開發中，氣缸竄氣的發生將被更好地控制。

 

一、柴油機竄氣的原因

 

      柴油機竄氣指的是柴油機發生故障，燃氣從呼吸口噴出，這種故障對于柴油機來說是十分危險的，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。導致柴油機發生竄氣的原因不同，關鍵是活塞燒損、活塞環斷、缸套拉傷，一旦發生這些危險，就會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，最關鍵的兩個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，自燃性直接關系著柴油機的燃燒過程，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明書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，但是在實際的生產中所使用的柴油實際上是不符合這個數值的，一旦柴油機使用的柴油的十六烷值偏低，就會出現低溫啟機困難的狀態，甚至有時候根本無法啟機，即時后期勉強啟機了，也會存在大量沒有燒盡的汽油，形成白煙造成污染和浪費。但是隨著后期的發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，這些問題都會出現柴油機竄氣的情況。經過檢修發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，過低的十六烷值就會降低著火的性能，不能很快的點燃噴射進去的石油，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入還沒著火時，氣缸當中已經有大量的燃油積累，這些燃油在短時間內燃燒就會嚴重沖擊相關部件，當溫度低時，滯燃的時間就會更長，甚至直接以白氣狀態噴入大氣。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導致柴油機抖動，活塞環、活塞、氣缸等都處于長時間不均勻的工作狀態下。

（2）環案長時間的受到活塞環的拍擊，就會使得活塞環、活塞、缸套等損壞過早，進而造成柴油機竄氣。

（3）在當燃油的品質較差時，也會出現上述的故障，因為燃油的品質差時，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，無法滿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，會導致機內缺氧，燃燒不盡進而排出大量的黑煙，甚至有時候會出現煙囪竄火的現象。

（4）過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出現活塞卡死、噴油器堵塞等惡性循環，最后致使活塞環和活塞的損壞，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，提前角的值也就會不同。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下大過六度，及其就會出現啟動困難、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下小于六度時，柴油機就會出現震動劇烈、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。提前角滯后會使柴油的燃燒喪失時機，尤其是在油粒延遲到膨脹期噴入，燃油的分子結構就會發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變成黑煙排出，造成浪費還污染空氣。有時候黑色煙粒和燃燒積炭會相互凝結，就會使得噴油器的霧化出現問題，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行燃燒，缸內就會有大量的燃燒產物堆積，進一步對氧氣進行消耗，氧氣的濃度下降之后，氣缸內的溫度和壓力都會下降，進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、動力性和經濟性的下降，但是反過來又會提高排氣的溫度，使得各部分的零部件都一直處在高溫的環境下，最后導致噴油器針閥、氣門、汽缸蓋、活塞環、氣缸活塞等損壞，進而使得柴油機竄氣故障發生。

 

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

 

      柴油發電機組燃氣壓力和流通通路是造成柴油機竄氣的兩個最基本的條件，其中燃氣壓差既是竄氣產生的動力來源，同時也是活塞環密封系統正常密封時的推動力。康明斯公司本文章針對不同型號的柴油機竄氣故障的相關原因進行重點分析和理論的探索，并在此基礎上結合在柴油機實際應用中的檢修故障和運用情況進行論述，并提出了相關的解決措施，以期為以后的實際生產提供借鑒。康明斯公司經過多年的實踐發現，要想真正的從根本上解決柴油機竄氣故障，主要是從幾個不同的角度來進行的。

1、控制油品的質量

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

2、控制機器檢修的質量和工藝

      這一技術就要求工作者嚴格的按照相關技術來進行，比如測算缸套、活塞環、活塞等部件的質量選配和外形尺寸等，在此基礎上再嚴格考核工作者的檢修質量。以活塞環為例，開口間隙是活塞環安裝時必須的開口，防止活塞環受熱膨脹后卡死在氣缸內。檢查開口間隙的方法如圖4所示，步驟是將活塞環平正地放入氣缸內，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，要督促相關的人員定期的進行機器工作狀態的保養維護，定期的對空氣的濾清器、機油濾清器、柴油機燃油等進行清理，定期的對機油進行更換等，進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

圖4  柴油機活塞環開口間隙的檢查方法

 

三、機內解決竄氣故障的方法

 

      氣缸竄氣會導致發動機運行不穩定，表現為怠速不平穩、轉速失速、功率下降等現象，竄氣通常發生部位如圖5所示。此外，氣缸竄氣還會導致機油污染、冷卻液滲漏和發動機故障等問題。康明斯公司為了控制柴油機氣缸竄氣，在制造時可以采取以下幾個措施：

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，可以采用以下幾個措施：

（1）增加空氣流動和混合，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、優化燃油噴霧

      為了保證燃油完全燃燒，可以優化燃油噴霧的形態、速度和分布區域等。具體來說，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間

（2）設計合理的燃油噴嘴孔徑和數量，控制燃油進入燃燒室的速度和角度

（3）控制噴油壓力和時間，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之間的泄漏

（2）控制燃油噴出速度和時間，使燃料得到充分混合，并在燃燒室內完全燃燒

（3）排除發動機燃油和空氣系統中的雜質和污染物，保證系統的清潔度和穩定性

5、 采用先進的燃油噴射技術

      現代柴油機采用電控高壓共軌噴油系統等先進的燃油噴射技術，能夠實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生。此外，先進的燃油噴射技術還能夠降低排放污染物的量，提高燃油經濟性。

6、采用高效冷卻系統

      高效的冷卻系統能夠將發動機中產生的熱量及時地散熱，降低氣缸壁溫度，從而減少氣缸竄氣。現代柴油機采用液冷或水冷的方式進行冷卻，同時采用高效的水泵和風扇進行強制冷卻，從而能夠保持發動機的穩定工作溫度，并有效地降低氣缸竄氣的發生。

      以上措施通過康明斯公司實驗驗證，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生率，提高發動機的性能和可靠性，同時這些措施對提高柴油機的性能具有重要的實踐意義。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圖

 

總結：

      總的來說，控制氣缸竄氣是現代柴油機發展的一個重要方向，對于提高柴油機的燃燒效率、降低排放污染物、延長發動機壽命等方面具有重要的意義。今后，隨著科學技術的不斷發展，我們還將會看到更加先進的控制氣缸竄氣技術的出現，從而實現更加高效、環保、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非常大的影響，因此控制氣缸竄氣成為了現代柴油機發展的一個重要方向。通過分析其中的原理，本文提出了多種解決方法。首先，優化燃燒室形狀、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生。其次，采用高質量的活塞環、缸套和活塞件等配件也能夠有效地降低氣缸竄氣的風險。此外，優化氣門機構、采用先進的燃油噴射技術、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生。

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