故障檢查與技術(shù)維護

康明斯柴油發(fā)電機冒黑煙的原因分析與解決措施

 

摘要：柴油發(fā)電機組排氣時冒黑煙現(xiàn)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(tǒng)產(chǎn)生不良影響，降低康明斯發(fā)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(tǒng)故障、壓縮壓力問題、功率超載等造成。應(yīng)首先從進氣系統(tǒng)的空氣濾清器、增壓器、中冷器展開技術(shù)分析，其次從影響壓縮壓力的壓縮比調(diào)整墊、活塞環(huán)、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(lián)合調(diào)節(jié)器、可調(diào)電阻等角度進行探討。因此，康明斯公司通過對柴油發(fā)電機組排氣時冒黑煙現(xiàn)象的技術(shù)分析與處理，解決了在進氣系統(tǒng)、壓縮壓力、功率調(diào)節(jié)方面存在的問題。

 

一、排氣冒黑煙現(xiàn)象原因的分析

 

1、進氣系統(tǒng)發(fā)生故障而引起的

      康明斯系列柴油發(fā)電機組進氣系統(tǒng)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(dāng)空氣濾清器被灰塵堵塞導(dǎo)致氣流通行不暢時，會使進入柴油機各氣缸內(nèi)參與燃燒的空氣量減少。在一般情況下，當(dāng)柴油機轉(zhuǎn)速達到1000r/min，在柴油機氣缸內(nèi)燃料爆發(fā)前，燃燒室應(yīng)充滿體積為0.0029m³、壓強值約在280.33 kPa的壓縮空氣。當(dāng)經(jīng)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(xù)步驟可提供的壓縮空氣量下降，從而導(dǎo)致柴油機柴油機出現(xiàn)排氣冒黑煙的現(xiàn)象。

（2）增壓器方面原因。

      作為進氣系統(tǒng)的增壓機構(gòu)，以ZN250C為例，當(dāng)轉(zhuǎn)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(shù)為2.63，原理如圖1所示。當(dāng)增壓器出現(xiàn)油封漏油或轉(zhuǎn)子彎曲時，會導(dǎo)致增壓效果下降，造成進入氣缸內(nèi)空氣質(zhì)量下降且數(shù)量減少，導(dǎo)致柴油機柴油機出現(xiàn)嚴重冒黑煙。

（3）中冷器方面原因。

      中冷器結(jié)構(gòu)如圖2所示。作為壓縮空氣進入柴油機氣缸前的冷卻機構(gòu)，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(jié)垢及氣腔有污物時，會導(dǎo)致進入氣缸內(nèi)的氣量減少，從而也會引起柴油機柴油機冒黑煙現(xiàn)象出現(xiàn)。

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(huán)、缸套內(nèi)壁各自的不規(guī)則磨損變化。在一般情況下，缸套內(nèi)徑的圓度應(yīng)保持在0.005mm范圍內(nèi)，而圓柱度應(yīng)保持在0.015mm；活塞環(huán)應(yīng)無變形和磨損。當(dāng)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(guān)閉不嚴。此現(xiàn)象由氣門間隙發(fā)生變化、氣門座脫落、氣閥機構(gòu)彈簧彈力不足等原因引起，也會導(dǎo)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(fā)電機組進行水阻試驗時，各轉(zhuǎn)速下功率范圍是固定的。當(dāng)聯(lián)合調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障或CF勵磁調(diào)整管電阻、油壓馬達工作調(diào)整管電阻、勵磁調(diào)整管電阻的阻值發(fā)生變化時，就有可能使各轉(zhuǎn)速下的功率值向增大方向轉(zhuǎn)變，從而導(dǎo)致柴油機超載而冒黑煙。

（1）聯(lián)合調(diào)節(jié)器方面原因。

       動力活塞向增大方向持續(xù)變化時，會使柴油機出現(xiàn)超載冒黑煙現(xiàn)象；另外，功調(diào)電阻卡在較小阻值位置時，也會導(dǎo)致排氣冒黑煙的情況。

（2）CF勵磁調(diào)整管電阻、勵磁調(diào)整管電阻方面原因。

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

（3）勵磁調(diào)節(jié)器方面原因。

      康明斯系列柴油發(fā)電機組轉(zhuǎn)速為800r/min以下的功率調(diào)節(jié)，是依靠勵磁調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)的，而且柴油機轉(zhuǎn)速為800~1000r/min范圍內(nèi)，勵磁調(diào)節(jié)器也協(xié)助油馬達共同完成勵磁。但當(dāng)勵磁調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障時，柴油機在個別轉(zhuǎn)速下超載冒黑煙的情況就有可能出現(xiàn)。

 

圖1  柴油機增壓器工作原理圖

圖2  柴油機中冷器結(jié)構(gòu)示意圖

 

二、解決排氣冒黑煙的系統(tǒng)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(shù)，α=2.1；η_s為掃氣系數(shù)，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(shù)據(jù)代入式（1），得G_e=0.2878（kg.s^-1）。又由柴油機轉(zhuǎn)速1000（r/min^-1）和沖程數(shù)求得每工作循環(huán)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)代入式（2），算得ρ’=3.3（kg·m^-3）。

（3）對進氣系統(tǒng)進行調(diào)整

① 空氣濾清器的調(diào)整

      檢修時在空氣濾清器拆下來后，發(fā)現(xiàn)濾膜上灰塵很多，應(yīng)采取更換濾清器的辦法來解決。

② 增壓器的調(diào)整

      增壓器檢修后應(yīng)達到的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1    增壓器檢修后應(yīng)達到的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

③ 中冷器的調(diào)整

      中冷器解體后，在氣腔的冷卻片上，發(fā)現(xiàn)有許多污物，應(yīng)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(diào)整方面，應(yīng)以16.2~16.3mm標(biāo)準(zhǔn)值進行調(diào)整，壓縮比調(diào)整墊有損壞或尺寸超差的應(yīng)全部更換。

（2）氣缸應(yīng)測尺檢定，全部氣缸測尺后，若缸套符合要求，但活塞環(huán)磨損較大，活塞環(huán)應(yīng)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(tài)間隙應(yīng)按進氣0.4mm、排氣0.5mm進行調(diào)整。

4、 配氣相位優(yōu)化設(shè)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(zhì)量，對柴油機的動力性、經(jīng)濟性和排放產(chǎn)生直接影響。最佳配氣相位隨轉(zhuǎn)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(shè)定柴油機工作轉(zhuǎn)速為450(r/min^-1)和1500(r/min^-1)，并使之達到規(guī)定的輸出功率值；再根據(jù)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(yōu)化設(shè)計值

5、氣門升程優(yōu)化設(shè)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(jīng)濟和排放性能產(chǎn)生重要影響。而最佳的升程隨著轉(zhuǎn)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(yōu)化，在提高柴油機低工作轉(zhuǎn)速時的扭矩輸出能力的同時，適當(dāng)兼顧高轉(zhuǎn)速工況時的動力性和經(jīng)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(lián)合調(diào)節(jié)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(diào)整，功調(diào)電阻也要進行檢測。測量勵磁調(diào)整管電阻并根據(jù)測速發(fā)電機的勵磁電流對CF勵磁調(diào)整管電阻、油壓馬達工作調(diào)整管電阻進行調(diào)整。

      對優(yōu)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(shù)據(jù)見圖5、圖6。經(jīng)比較可以看出：優(yōu)化后凸輪軸在低轉(zhuǎn)速工況的輸出能力明顯優(yōu)于優(yōu)化前，高轉(zhuǎn)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(fā)電機優(yōu)化前測功圖	圖6  柴油發(fā)電機優(yōu)化后測功圖

 

總結(jié)：

      柴油發(fā)電機黑煙是燃燒不充分的表現(xiàn)，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(chǎn)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(fā)電機組排氣冒黑煙原因進行技術(shù)分析并采取技術(shù)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(jié)構(gòu)進行具體分析，找出問題原因，采取相應(yīng)防范措施，才能保證設(shè)備安全運行。

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