故障檢查與技術維護

康明斯柴油發電機冒黑煙的原因分析與解決措施

 

摘要：柴油發電機組排氣時冒黑煙現象的存在，會造成燃料浪費和大氣污染，同時會對柴油機各系統產生不良影響，降低康明斯發電機組的使用效率。柴油機排氣時冒黑煙是一個綜合問題，可由進氣系統故障、壓縮壓力問題、功率超載等造成。應首先從進氣系統的空氣濾清器、增壓器、中冷器展開技術分析，其次從影響壓縮壓力的壓縮比調整墊、活塞環、氣缸套、氣門等幾個方面加以分析；再次從造成功率超載的聯合調節器、可調電阻等角度進行探討。因此，康明斯公司通過對柴油發電機組排氣時冒黑煙現象的技術分析與處理，解決了在進氣系統、壓縮壓力、功率調節方面存在的問題。

 

一、排氣冒黑煙現象原因的分析

 

1、進氣系統發生故障而引起的

      康明斯系列柴油發電機組進氣系統由空氣濾清器、增壓器及中冷器等幾部分組成，因此從這幾方面分析其原因。

（1）空氣濾清器方面原因。

      當空氣濾清器被灰塵堵塞導致氣流通行不暢時，會使進入柴油機各氣缸內參與燃燒的空氣量減少。在一般情況下，當柴油機轉速達到1000r/min，在柴油機氣缸內燃料爆發前，燃燒室應充滿體積為0.0029m³、壓強值約在280.33 kPa的壓縮空氣。當經由空氣濾清器實際提供的空氣量下降幅度很大時，就會使后續步驟可提供的壓縮空氣量下降，從而導致柴油機柴油機出現排氣冒黑煙的現象。

（2）增壓器方面原因。

      作為進氣系統的增壓機構，以ZN250C為例，當轉速達到2500r/min時，一般進口壓力為95kPa，而出口壓力為250kPa，增壓倍數為2.63，原理如圖1所示。當增壓器出現油封漏油或轉子彎曲時，會導致增壓效果下降，造成進入氣缸內空氣質量下降且數量減少，導致柴油機柴油機出現嚴重冒黑煙。

（3）中冷器方面原因。

      中冷器結構如圖2所示。作為壓縮空氣進入柴油機氣缸前的冷卻機構，中冷器起著降低溫度并增加氣缸進氣量的作用，如果中冷器水腔結垢及氣腔有污物時，會導致進入氣缸內的氣量減少，從而也會引起柴油機柴油機冒黑煙現象出現。

2、各缸壓縮壓力降低而引起的

      造成柴油機各缸壓縮壓力低的原因如下：

（1）氣缸蓋與缸套上沿之間存在氣隙。此氣隙在二者之間的壓縮比墊處顯示出來。這個氣隙的存在，將極大地降低壓縮壓力，使燃燒惡化。

（2）活塞環、缸套內壁各自的不規則磨損變化。在一般情況下，缸套內徑的圓度應保持在0.005mm范圍內，而圓柱度應保持在0.015mm；活塞環應無變形和磨損。當此條件無法達到時，會降低壓縮壓力，也會引起燃燒惡化。

（3）氣門關閉不嚴。此現象由氣門間隙發生變化、氣門座脫落、氣閥機構彈簧彈力不足等原因引起，也會導致柴油機柴油機排氣時冒黑煙。

3、由柴油機超載而引起的

      在發電機組進行水阻試驗時，各轉速下功率范圍是固定的。當聯合調節器出現故障或CF勵磁調整管電阻、油壓馬達工作調整管電阻、勵磁調整管電阻的阻值發生變化時，就有可能使各轉速下的功率值向增大方向轉變，從而導致柴油機超載而冒黑煙。

（1）聯合調節器方面原因。

       動力活塞向增大方向持續變化時，會使柴油機出現超載冒黑煙現象；另外，功調電阻卡在較小阻值位置時，也會導致排氣冒黑煙的情況。

（2）CF勵磁調整管電阻、勵磁調整管電阻方面原因。

      勵磁調整管電阻的阻值一般在20Ω±2Ω，當它降到18Ω以下時，由于勵磁機勵磁電流過大，就會出現主發電機功率過大并導致柴油機超載冒黑煙；CF勵磁調整管電阻的阻值一般在400Ω左右，當其阻值過分降低，會引起測速發電機勵磁電流過大，從而也會導致主發電機功率過大和柴油機冒黑煙。

（3）勵磁調節器方面原因。

      康明斯系列柴油發電機組轉速為800r/min以下的功率調節，是依靠勵磁調節器來實現的，而且柴油機轉速為800~1000r/min范圍內，勵磁調節器也協助油馬達共同完成勵磁。但當勵磁調節器出現故障時，柴油機在個別轉速下超載冒黑煙的情況就有可能出現。

 

圖1  柴油機增壓器工作原理圖

圖2  柴油機中冷器結構示意圖

 

二、解決排氣冒黑煙的系統性措施

 

1、柴油機空氣消耗量與進氣密度校驗

（1）柴油機空氣消耗量估算

G_e=（N_eg_eαη_sL₀ / 3600）×10^-3...........（公式1）

      式中，G_e為空氣耗量，（kg·s^-1）；N_e為柴油機單缸功率，kW；g_e為柴油機燃油消耗率，（g.kW^-1·h^-1）；α為過量空氣系數，α=2.1；η_s為掃氣系數，η_s=1.02；L₀ 為空燃比，L₀ =14.3。

      按110%負荷要求，將N_e=165kW和g_e=203（g·kW^-1.h^-1）等數據代入式（1），得G_e=0.2878（kg.s^-1）。又由柴油機轉速1000（r/min^-1）和沖程數求得每工作循環所需供氣量G’_c=G_c/n_cam=0.0345（kg.cyc^-1）。

（2） 進氣密度

ρ’=ρ₀（273/273+t）×｛（P-0.0378φΡ_b）/0.1013｝...........（公式2）

式中，ρ’為濕空氣密度，（kg·m^-3）；

ρ₀為干空氣密度，ρ₀=1.2928（kg·m^-3）；

P為濕空氣的全壓力，p=0.3013 MPa（p=p_z+p₀，其中p_z為增壓后的空氣壓力，p_z=0.21 MPa，p₀為標準大氣壓，p₀=0.1013 MPa）；

φ為空氣相對濕度，φ=90%；

p_b為飽和空氣中水蒸氣的分壓力，p_b=0.01575 MPa；

t為進氣溫度，t=55 ℃。

      將數據代入式（2），算得ρ’=3.3（kg·m^-3）。

（3）對進氣系統進行調整

① 空氣濾清器的調整

      檢修時在空氣濾清器拆下來后，發現濾膜上灰塵很多，應采取更換濾清器的辦法來解決。

② 增壓器的調整

      增壓器檢修后應達到的技術標準見表1。

表1    增壓器檢修后應達到的技術標準

③ 中冷器的調整

      中冷器解體后，在氣腔的冷卻片上，發現有許多污物，應采取高溫清洗等辦法處理清潔。

2、柴油機各缸壓縮壓力的修正

（1）壓縮間隙調整方面，應以16.2~16.3mm標準值進行調整，壓縮比調整墊有損壞或尺寸超差的應全部更換。

（2）氣缸應測尺檢定，全部氣缸測尺后，若缸套符合要求，但活塞環磨損較大，活塞環應全部更換。

（3）對所有氣門座及彈簧進行檢查確認，所有氣門都需進行研磨，氣門冷態間隙應按進氣0.4mm、排氣0.5mm進行調整。

4、 配氣相位優化設計

      合理的配氣相位可以最大限度地提高柴油機的進排氣效率和進排氣質量，對柴油機的動力性、經濟性和排放產生直接影響。最佳配氣相位隨轉速與負荷的改變而變化。采用BMEP CONTROL模塊控制模型的噴油量，分別設定柴油機工作轉速為450(r/min^-1)和1500(r/min^-1)，并使之達到規定的輸出功率值；再根據配氣相位的相互影響，通過鎖定其中三相位，確定另一相位的辦法，依次確定新的配氣相位，見表2。

 表2    配氣相位優化設計值

5、氣門升程優化設計

      氣門升程直接影響柴油機的換氣性能，從而對柴油機的動力、經濟和排放性能產生重要影響。而最佳的升程隨著轉速與負荷的改變而變化。針對柴油機工況，通過對氣門升程進行優化，在提高柴油機低工作轉速時的扭矩輸出能力的同時，適當兼顧高轉速工況時的動力性和經濟性的需求。柴油機工作段的氣門升程、缸壓及進氣壓力曲線如圖4所示。

6、對功率重新整定

      聯合調節器進行清洗，同時在水阻試驗臺上對動力活塞位置和懸掛點進行調整，功調電阻也要進行檢測。測量勵磁調整管電阻并根據測速發電機的勵磁電流對CF勵磁調整管電阻、油壓馬達工作調整管電阻進行調整。

      對優化前后的凸輪軸方案進行柴油機性能對比試驗(外特性+極限負荷試驗)，測功數據見圖5、圖6。經比較可以看出：優化后凸輪軸在低轉速工況的輸出能力明顯優于優化前，高轉速工況未見明顯惡化。柴油機突加負荷能力提升20%。

 

圖3  柴油機氣門時面值圖	圖4  柴油機工作段的氣門升程、缸壓及進氣壓力
圖5  柴油發電機優化前測功圖	圖6  柴油發電機優化后測功圖

 

總結：

      柴油發電機黑煙是燃燒不充分的表現，能看見的是炭黑，如果有危害也就是吸入性粉塵，還有燃燒不充分會產生一氧化碳的，會對空氣造成污染，一氧化碳會使人中毒。通過上述對康明斯系列發電機組排氣冒黑煙原因進行技術分析并采取技術防范措施，柴油機冒黑煙問題可得到解決。因此，在日常檢修中只有對每一部件的特點和結構進行具體分析，找出問題原因，采取相應防范措施，才能保證設備安全運行。

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