故障檢修與技術維護

康明斯發電機組排氣管冒黑煙的故障診斷案例

 

摘要：康明斯公司是當今世界設計、生產和銷售柴油發動機的最大企業之一。目前康明斯柴油機共有B、C、L、N、M、K、V、Q等8個系列，其中B系列柴油機以其可靠的穩定性、良好的經濟性和動力性，廣泛地用做發電機組的動力系統。針對6BT5.9康明斯柴油機的冒黑煙故障，闡述了柴油機冒黑煙的機理，分析了故障原因。按照“由表至里，從簡到繁”的診斷原則，排查出噴油器噴油壓力過低導致排氣冒黑煙。最后給出了減少柴油機冒黑煙故障的幾點建議。

 

一、故障現象

 

      排氣管冒黑煙是一種柴油發電機組故障癥狀，排氣管冒黑煙說明柴油發動機混合氣過濃導致燃燒不充分。當空氣濾清器過臟、噴油器霧化不良、燃油泵堵塞等，均會造成發動機排氣冒黑煙等問題。下面是小編收集整理的某用戶康明斯發電機組的排氣管冒黑煙故障診斷案例。

      某用戶裝配康明斯6BT5.9型柴油機的發電機組，剛啟動時，排氣管黑煙滾滾，在柴油機正常運轉后，還繼續冒黑煙，甚至還愈加明顯。同時伴隨功率嚴重下降的現象。通常排氣管排濃黑煙霧的現象有兩種：一種是連續排黑煙，另一種是斷續排黑煙，且發動機抖震。

 

圖1  6BT5.9-G2康明斯發電機組

圖2  柴油發電機冒黑煙現象

 

 

二、故障機理與分析

 

      該柴油機是帶廢氣渦輪的增壓型柴油機，在剛啟動時冒黑煙，有可能是增壓器缺少排氣能量驅動，造成氣缸內新鮮空氣嚴重缺少，燃氣比不符合要求所致。但是，機組運轉正常后仍冒黑煙，則說明機器必然出現了故障。

      柴油機燃燒所用的柴油是一種包含多種碳氫化合物的混合物。在實際工作過程中，柴油機排氣顏色受到氣缸內氧氣濃度、燃燒溫度、柴油質量、油氣混合比重等諸多因素影響。這些因素最終導致燃油的燃燒出現完全燃燒與不完全燃燒兩種情況。在燃油完全燃燒時，其過程見公式（1），燃燒產物只有二氧化碳和水蒸汽，排氣顏色為無色或淡灰色。但在燃油不完全燃燒時，還有一部分柴油在高溫、極度缺氧環境中易分解、聚合形成炭煙，如公式（2），這些碳煙排出氣缸，就會出現冒黑煙現象。

C_mH_n+O2→CO₂+H₂O.............（公式1）

C_mH_n+O2→CO₂+H₂O+C+CO+C_xH_y.............（公式2）

1、柴油機的有害排放物

      柴油機的主要排放物包括：微粒、氮氧化合物、一氧化碳、碳氫化合物。燃燒過程演示如圖3所示，柴油機特性曲線如圖4所示。

（1）微粒

      微粒是指溫度在52℃以上時，排氣中除水以外的固態和液態物質，柴油機廢氣中的微粒主要由碳微粒（碳煙粒子）和吸附與凝聚其上的碳氫化合物組成。碳煙粒子主要是在高溫、極度缺氧的條件下生成的，當過量空氣系數減小到一定程度后，微粒的排放量隨過量空氣系數的下降而較快的增長。

（2）氮氧化物

      氮氧化合物主要是在高溫富氧、相對由較充裕反應時間的條件下生成的。柴油機廢氣中NOx與汽油機的有所不同，其中NO2占5%～15%。直噴式燃燒室排放NOx高于分隔式燃燒室。

（3）一氧化碳

      CO是不完全燃燒的產物，由于柴油機的過量空氣系數較大，產生的CO又有可能有足夠的空氣在膨脹過程中氧化為CO2，因此柴油機廢氣中的CO含量很低，僅在接近全負荷附近，即過量空氣系數過小時，CO的排放量才有所上升。

（4）碳氫化合物

      柴油機廢氣中HC主要是在混合氣過稀的情況下產生的。特別是在低負荷時過量空氣系數過大，由于溫度過低，反應不能及時進行，從而使HC的排放量有所增大。

2、排氣的黑煙、白煙與藍煙

（1）黑煙

      主要在柴油機大負荷和加載時產生，主要因為燃燒室內缺氧，燃燒不充分而產生的。

（2）白煙與藍煙

      白煙與藍煙是柴油機冷起動后怠速或低負荷下暖機過程中產生，由于燃燒室內工質溫度低，燃油不能完全蒸發燃燒，未燃燒或部分氧化的燃油以液態微粒的形式隨廢氣排出，冷凝形成白煙與藍煙，白煙與藍煙主要區別是白煙的微粒直徑較大。

 

圖3  柴油機燃燒過程演示圖

圖4  柴油發動機特性曲線場（虛線為全負荷特性）

 

三、故障的診斷與排除

 

1、故障的診斷

      柴油機冒黑煙，主要是因為燃燒不完全，或者是進氣不足，或者就是供油過多。因此其故障可歸納為以下兩類：一是氣路故障，一是油路故障。

（1）氣路故障

① 進氣系統漏氣如果進氣管損壞，或者連接軟管開裂，或是緊固長箍松脫都會使進氣泄露，進入氣缸的空氣量減少，柴油燃燒不完全會使排氣冒黑煙。

② 空氣濾清器堵塞康明斯B系列柴油機空氣濾清器采用二級干式空氣濾清器（帶安全濾芯），如圖2。濾清器長時間工作后，濾芯上不可避免堆積大量灰塵雜質，阻礙空氣流通，同時金屬板網上的機油也會出現老化板結，堵塞網眼，也會造成進氣阻力增大，最終使得氣缸內新鮮空氣量不足。

（2）油路故障

① 柴油牌號不對十六烷值過高的柴油在高溫下會裂解出游離碳，使得柴油不能及時得到充分的燃燒，造成排氣冒黑煙。

② 供油時間不準供油過早，缸內溫度壓力低，部分燃油燃燒不完全形成炭粒，隨排氣排出排氣管，使得排氣呈黑色；供油過遲，部分柴油會在排氣管中燃燒，燃燒同樣不完全冒黑煙。

③ 燃油霧化不良若噴油器噴油壓力過低，或針閥偶件磨損等，都會使噴油器霧化不良，柴油和空氣無法充分混合，引起排氣冒黑煙。

④ 燃油回油油路受阻因油管的變形，或雜質堵塞都會使回油油路受阻，回油不通暢，影響噴油器的噴射性能，出現二次噴射或者滴油現象，使得排氣冒黑煙。

2、故障診斷原則

      按照“由表至里，從簡到繁”的故障診斷原則，逐項排查。

① 檢查進氣系統的密封經檢查發現進氣管和連接軟管完好，緊固長箍并無松脫，進氣系統密封良好。

② 檢查清洗空氣濾清器使用不超過689kPa的壓縮空氣從濾芯里面向外吹，清洗完后檢查濾芯完好，裝回柴油機，啟動發現依舊冒黑煙。

③ 檢查柴油因該柴油發電機組并非獨立油箱供油，而是和其他多臺機組一起由一外置大油柜統一供油，其他機組運行正常，說明柴油沒有問題。

④ 檢查調整供油提前角由于柴油機長時間運行，噴油泵聯軸器上主動凸輪盤和主動凸緣盤上的鎖緊螺釘會發生松動，使得供油提前角發生變化。但是，6BT5.9康明斯柴油機沒有聯軸器，而是由定時齒輪直接控制，所以一般不調整供油提前角。

⑤ 檢查回油油路更換新的回油油管，故障依然存在。

⑥ 檢查噴油器的質量拆卸各缸的噴油器進行逐一檢查，并在噴油器試驗儀上進行調試校驗（如圖4），結果發現，第1、2、3、5、6缸的噴油器噴射壓力均能達到技術規范（24.5~25.3 MPa），且霧化良好，但是第4缸的噴油壓力只有12.0 MPa，如圖所示，明顯低于標準值。6BT5.9康明斯柴油機所用的是一種低慣量孔式噴油器（如圖5），其噴油壓力的調整，由改變氣調整墊片的厚度來實現。選用更厚點的墊片放入4缸噴油器后使得噴油壓力恢復了正常，且霧化良好。把所有校驗好的噴油器裝回機器，開機運行，發現柴油機排氣恢復正常，故障被排除。

3、故障診斷步驟

      發動機動力不足且連續排黑煙，是發動機大多數缸或所有的缸均供油量過多，燃油與空氣混合比例失調，燃燒時嚴重缺氧，柴油燃燒不完全，懸浮游離狀的碳元素隨廢氣一同排出而形成的。若排氣管是斷續排黑煙，且伴有“突突”聲，說明個別缸燃燒不完全。

（1）根據上述故障現象分析，初步懷疑為某缸噴油器有故障。當采用斷缸法檢查時，發現第4缸高壓油管接頭緊固螺母擰松后，柴油發電機工作狀況發生了變化，排氣管冒黑煙的現象消除，說明4缸有問題。

（2）仔細觀察，該缸高壓油管口沒有氣體排出，初步判斷噴油器針閥卡在開啟位置。將該缸噴油器總成拆下并清洗后在噴油器試驗臺上進行測試，結果發現噴油器霧化不良，燃油呈線狀流出，壓力表上無噴油壓力顯示。

（3）拆下噴油器進行檢查，針閥在閥體內活動自如，沒有卡滯現象，懷疑可能是因針閥偶件磨損嚴重而引起此故障。換用一只新噴油器，裝好后在噴油器試驗臺上進行試驗，結果故障依舊。

（4）又懷疑到噴油器調壓彈簧力不夠，以致無噴油壓力。在噴油器內加上了厚度為0.5mm的墊圈，以增加調壓彈簧的預緊力，結果故障現象仍未消失。

（5）進一步分析認為，故障原因應該是該缸噴油器有故障。經過上述檢修都沒有故障，說明可能是噴油器總成內沒有檢查到的其他機件存在問題。

（6）進一步檢查噴油器發現，噴油器針閥上的頂桿凹坑嚴重磨損。查維修手冊，該凹坑深度應為1.5mm，測量發現其實際值為3.2mm。換一個新的噴油器后試車，故障消除。

 

總結：

      排氣冒黑煙是柴油機常見的故障之一，為了減少此類故障的發生率，提高機組運行的可靠性，作為操作人員應該做到以下幾點：首先，定期檢查更換空氣濾清器濾芯，確保充分的空氣進入柴油機氣缸。其次，在機組運行過程中，經常檢查柴油機的技術參數，做到勤看、勤嗅、勤摸、勤聽。最后，遇到柴油機的冒黑煙的故障時，要耐心分析故障原因，仔細按照“由表至里，從簡到繁”的原則，逐項排查。

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