故障檢修與技術維護

柴油機冒黑煙、冒白煙和藍煙三種煙色的原因分析

摘要：柴油發電機在正常工作溫度下，其排氣煙色應該是無色或淡灰色，所謂無色不是完全無色，不能像汽油機那樣無色，而是在無色中伴有淡淡的灰色，這是正常排氣煙色。柴油機在怠速時排氣煙色可能重一些，在高速、高負荷時也可能重一些，要注意觀察正常排氣煙色，才能對非正常的排氣煙色進行判斷和分析。柴油機燃料完全燃燒后，正常顏色一般為淡灰色，負荷工作時為深灰色。柴油機在工作中，會經常出現冒煙現象，柴油機排煙有黑煙、藍煙、白煙三種，它們是判斷柴油機故障的條件之一。如果排出的煙呈黑色、藍色及白色均屬不正常，應查明原因，及時排除，使柴油機恢復正常工作狀態，以延長零部件的使用壽命，提高其動力性和經濟性。

一、故障現象

 

      柴油發電機正常工作時，排出的廢氣呈淡灰色，只是在加速時會出現一股黑色排煙，所以當出現煙色異常時，會出現以下現象。

1、冒黑煙

      這是柴油發電機不完全燃燒的特征。此比時排出的廢氣中有大量固體炭粒。有時甚至帶火星，并伴隨排氣溫度的升高。

      排氣冒黑煙（碳煙）黑煙也稱碳煙，柴油機排氣冒黑煙主要是燃料混合氣過濃，可燃混合氣形成不良或燃燒不完善等原因造成的。柴油機在高溫、高壓燃燒條件下（燃燒過程曲線如圖1所示），局部缺氧、裂解并脫氫而形成的以碳為主要成分的固體微小顆粒，是燃燒室內燃料燃燒不完全的表現。由于柴油機是非均質燃燒，燃燒室內各區域的化學反應條件是不一致的，而且隨著時間而變化的，所以黑煙很可能是由許多不同途徑生成的。柴油是復雜的碳氫化合物，噴入燃燒室內未燃燒的柴油受高溫分解，形成炭黑，排氣時隨同廢氣一起排出形成黑色煙霧。黑煙是不完全燃燒產物，是烴燃燒在高溫缺氧情況下裂解過程釋出并聚合而成的。某些情況下燃油噴射在燃燒室壁面上，形成液態油膜，油膜是最后蒸發的一部分，它的燃燒取決于其蒸發速度和燃料蒸氣與氧的混合速度。如果周圍氣體中氧的濃度太低，或混合的速度不夠時，從油膜蒸發的燃料氣體將被分解，并產生未燃烴、不完全氧化產物和黑煙。

2、冒白煙

      這是柴油發電機廢氣中水或燃油蒸汽的特征。此時柴油發電機排出的廢氣呈白色霧狀，并伴隨著柴油發電機功率下降和轉速不穩。燃油系統在柴油機上部件位置如圖2所示。

      白煙是指排氣煙色為白色，它與無色不同，白色是水蒸氣的白色，表示排煙中含有水分或含未燃燒的燃油成分。白煙呈液珠狀態，和藍煙相比較直徑稍大，一般大于1μm。在光的折射下呈白色，柴油機的白煙是未燃烴（含燃油和潤滑油）、水蒸氣以及不完全燃燒的中間產物（如含氧碳氫），除水蒸氣外，它們也都屬于微粒范疇。柴油機在剛起動時或冷機狀態時，排氣管冒白煙，是因為柴油機氣缸內溫度低油氣蒸發而形成，冬季尤為明顯。柴油機在寒冷天氣運行時，柴油機溫度低，排氣管溫度也低，有水蒸氣排氣凝結成水氣形成白色排煙，是正常現象。若當柴油機溫度正常，排氣管溫度也正常時，仍然排出白色煙霧，說明柴油機工作不正常，可判斷為柴油機故障。

3、冒藍煙

      此時柴油發電機排出的廢氣呈藍色霧狀，并伴有嗆人的煙味和柴油發電機機油消耗增加。排氣冒藍煙，一般情況下是柴油機使用日久，慢慢開始燒機油引起的，隨著藍色煙霧的加重，燒機油越來越多，就應考慮維修柴油機了。有時燃油中混有水分，或有水分漏入燃燒室中，引起燃燒的改變，柴油機會冒淺藍色煙。

 

圖1  柴油機燃燒過程曲線圖

圖2  康明斯燃油系統部件在柴油發動機上位置圖.

 

二、后果危害

 

      柴油在柴油機氣缸內燃燒的作用就是將柴油中的化學能釋放出來，變為氣體的熱能，使氣缸中氣體的溫度和壓力升高，從而推動活塞膨脹做功，達到熱能轉化為機械能的目的。燃燒過程在柴油機的工作循環中起加熱作用。氣缸中柴油噴油量的多少以及燃燒程度決定了可能釋放出熱能的數量，也就是決定了熱量的多少，它對柴油機的功能指標和經濟指標有著決定性的影響。燃燒完善就是柴油在氣缸內充分燃燒，盡可能地將化學能轉化為熱能釋放出來達到對外做功目的。也就是說：柴油中的可燃成分碳和氫能夠在氣缸內與氧氣進行化學反應，全部生成二氧化碳和水，這樣柴油機的工作性能就好，空氣利用率高，排氣時帶走的熱量就少，熱能轉化為機械能的部分就多，其經濟指標就高，此時外部表現排煙呈銀灰色。

      而柴油發電機當出現煙色異常時，會帶來以下危害∶

1、功率下降，燃油消耗增加

      因為黑煙是不完全燃燒的產物。當燃燒不完全時，勢必造成熱效率下降，使油耗增加、功率下降。

2、機油消耗增加

      因為藍煙是機油不完全燃燒的產物，出現藍煙，勢必造成機油消耗增加。

3、排放增加

      藍煙、白煙是低溫不完全燃燒的產物，黑煙是高溫不完全燃燒的產物這些產物成炭煙、HC、C0等排放到大氣中，對環境起到污染作用。

4、使設備壽命減低

      柴油能否完全燃燒在很大程度上受燃燒空間內的溫度、氧氣含量以及油氣混合條件所影響。根據其燃燒化學反應可以看出，在柴油燃燒過程中產生黑煙通常是由于在氣缸內未能充分燃燒，從而導致油料裂解聚合不完全的產物。一般情況下，柴油機所排出的黑煙主要包括碳煙微粒與部分可溶性有機物，所以在燃燒過程中，一切因素都可能會對柴油燃燒產生影響導致黑煙的產生。而黑煙的危害主要在于加大了燃油消耗量，使得柴油發電機組功率下降，并導致柴油機積碳嚴重，加速其磨損程度，進而導致柴油發電機組使用壽命下降，使得運行效率降低。

 

三、原因分析

 

      由于黑煙、白煙、藍煙是三種不同性質的異常煙色，所以其生成的原因也是不相同的，主要原因如圖3所示，下面分別予以分析。

1、冒黑煙

      既然黑煙是燃油不完全燃燒的產物，因此造成冒黑煙的原因主要由燃油。燃燒系綜的故障和進排氣系統故障引起。柴油發電機之所以冒黑煙，是由于略入柴油發電機氣缸內的傾油在燃燒時，局部高溫缺氧裂解，并脫氫而變成以碳為主要成分的固態微小顆粒。是一種不完全燃燒的產物。一般用煙度來表示，其單位是BSU（波許）。所以無論是燃油系統，燃燒系統，還是進排氣系統，凡是影響燃燒完全性的因素，均可引起冒黑煙。

（1）噴油器霧化不良，油粒大小不均或太大，與空氣無法良好地、均勻地混合，局部地區在燃燒時缺氧，高溫裂解，從而產生黑煙。噴油器結構如圖4所示，同時試驗表明，當有一個缸霧化不良，此時盡管燃油耗只增加0.1%，但煙度卻可達到4BSU。

（2）噴油器異常噴射（包括二次噴射、隔次噴射、多次噴射或滴漏），將使燃料在氣缸著火后仍繼續噴入氣缸，這部分燃油是在高溫缺氧情況下燃燒的，所以容易產生冒黑煙。

（3）個別氣缸供油量過大或者柴油發電機超負荷運轉，都是缸內燃油過多，空氣不足，燃燒缺氧，從而引起冒黑煙。其實，拉缸、抱軸引起冒黑煙也是這個道理。此時，柴油發電機摩擦功大大增加，加大氣缸作功能力，才能發出同樣大的有效功，這也相當柴油發電機超負荷運轉，從而造成冒黑煙。

（4）柴油質量不符合要求，特別是十六烷值太低，使柴油發電機著火性能變差，燃燒差火落后期變大，造成冒黑煙。

（5）高壓油管內孔變形，將導致油管流通能力和油管壓力變化，從而引起噴油器二次噴射和影響霧化質量；噴油泵柱塞磨損大.出油閥磨損大造成油管壓力降低，從而惡化了噴油器霧化質量。這一切都使燃油燃燒不完全，局部高溫缺氧，引起冒黑煙。

（6）康明斯系列柴油發電機的噴油器伸出缸蓋平面高度有一定要求，為2.4-3.0mm，當在拆裝過程中將墊件搞錯，將導致油頭伸出缸蓋平面距離太大、太小，這樣就不能保證噴出的霧矩和燃燒室形狀很好的吻合，或噴到燃燒室壁，或噴到缸蓋下平面，造成局部的燃油不能很好和空氣接觸.混合，引起燃燒局部高溫缺氧產生黑煙。

（7）柴油發電機燃燒時的一個重要條件是，氣缸要有一定的壓縮壓力和壓縮溫度。當活塞環密封不良、氣門密封不良，均使缸內壓縮壓力不足，從而造成燃燒不充分，產生黑煙。

（8）柴油發電機的換氣系統的作用是根據柴油發電機的工況大小，定時定規律定量地供給柴油機新鮮空氣，并將廢氣排走。當空濾器污堵、壓氣機污堵、中冷器污堵、排氣消聲器污堵，以及增壓器故障引起的進氣壓力不足，均使進入柴油發電機氣缸的空氣量不足，造成燃燒時的空氣不足、高溫缺氧，產生黑煙現象。

（9）配氣相位不對，既易造成柴油發電機進氣不足、排氣不暢，還使進排氣的規律發生變化，從而影響柴油發電機正常換氣，燃燒，引起冒黑煙。

 

圖3  柴油機冒黑煙故障原因

圖4  電控噴油器結構圖

 

2、冒白煙

      白煙是柴油發電機低溫起動運轉后，柴油未燃微粒或水汽所形成的液體霧粒，是低溫產物。不同于固體狀的黑煙。所以分析原因時，應抓住這個特點。

（1）水汽的原因

      既然白煙成分之一是水蒸汽，所以凡是在柴油發電機燃燒中能產生水蒸汽的因素都是造成冒白煙的原因。柴油中含水、缸蓋漏水、中冷器漏水，甚至機油內含水，在柴油發電機燃燒過程中，這些水成水蒸汽形式從排氣管排出，呈白煙狀態。這種情況低速低負荷特別明顯。而在高負荷時基本消失，除非含水特別多。不過此時柴油發電機會出現轉速不穩和功率下降。

（2）燃氣的原因

      既然冒白煙的成分之一是未燃燒的柴油蒸汽，所以凡是在柴油發電機燃燒過程中產生柴油蒸汽的因素都是造成柴油發電機冒白煙的原因。當然，這種情況也是在柴油發電機低速低負荷時發生的。

① 噴油器霧化不良

      燃油和空氣混合不良，不具備著火條件，而在低速低負荷時未被燃燒，而呈蒸汽狀態從氣缸排出，產生白煙。

② 各缸供油量不均。

      低速低負荷時，只有供油量大的氣缸著火燃燒，而供油量小的氣缸的燃油未及燃燒，呈蒸汽狀態，從氣缸排出，產生白煙。

③ 氣缸溫度太低。

      水溫低或環境溫度低，氣缸壓縮溫度低，均造成缸內著火條件不良，使噴入氣缸之燃油未及燃燒，呈蒸汽狀態從氣缸排出，產生白煙。

④ 供油提前角太晚

      柴油和空氣混合條件不充分，未及良好燃燒，一部分燃油呈蒸汽狀態從氣缸排出，產生白煙。

3、冒藍煙

      藍煙也是柴油發電機低速低負荷運轉時，機油在幾乎沒有燃燒或只有部分燃燒或處于分解狀態，液體微粒也是低溫產物。所以形成藍煙的因素也是機油消耗高的原因。機油消耗高主要由于機油進入燃燒室，被不完全燃燒排出氣缸。而機油進入燃燒室主要途徑之一是從缸蓋活塞之間里飛濺.泵吸。所以影響缸套活塞間密封和飛濺過度的因素，均是造成機油竄入燃燒室的原因。

（1）活塞環卡住、折斷、彈力消失、漏光、開口間隙過大、扭曲環位置裝錯，或四道活塞環開口未錯開，均造成活塞環和缸套貼和不良、密封失效，使機油竄入燃燒室，造成機油消耗高。

（2）活塞外圓磨損過大、環槽磨損過大及缸套磨損過大、失圓，也均造成活塞缸套間隙過大，使機油竄入燃燒室，造成機油消耗高。

（3）機油進入燃燒室的另一途徑是機油從進氣道被吸入燃燒室，所以這方面的因素也是機油消耗高的原因。

（4）當缸蓋回油孔不暢，潤滑搖臂的機油回不到油底殼，使存在缸蓋上罩殼的大量機油從氣門導管進入燃燒室，造成機油消耗過高。

（5）當主油道到缸蓋搖臂的節油閥未裝，或者節流閥孔太大，從主油道到搖臂的油太多，無法全部從缸蓋回油孔回到油底殼，而積聚在缸蓋上罩殼內，從氣門導管進入燃燒室，造成機油消耗過高。

（6）當氣門導管與氣門桿磨損嚴重，間隙過大時，也造成機油從此處大量進入燃燒室，造成機油消耗過高。

（7）當空氣濾清器臟污，空氣吸入真空度大，當大于5.5kpa時，或者增壓的封油系統失效，增壓器的潤滑油被吸入壓氣機，而進入氣缸，造成機油消耗過大。

 

四、診斷方法

 

      對煙色異常的診斷，首先用眼睛來分辨出冒黑煙還是冒藍煙、冒白煙。

1、對于冒黑煙

      可用不透光煙度儀測量出煙度的大小，結構如圖5所示。不透光煙度計不僅可以測柴油機排氣中的黑煙，而且可以測藍煙和白煙排放，對低濃度的可見污染物有較強的測量能力，可以實現排氣煙度的連續測量。其測量單位用FSU（波許）表示。具體診斷原因和部位時，可用部分停止或比較法，判斷是否是燃油系統故障引起。并可用儀器法進一步是燃油系統的那一部位；對配氣系統故障可用析檢法或儀器法，具體判斷是那一個部位。

2、對于白煙

      如圖6所示。可用一張硬紙對準排氣口。讓白煙噴到白紙上，根據白紙上的液珠，判斷是水汽引起還是燃油系統引起。水汽液珠無味，燃油液粒有煙味。再用析檢法查出漏水原因或燃油不霧化的原因。

3、對于冒藍煙

      可用部分停止法和觀察法先找出竄機油的原因。

（1）部分停止法

      經分析懷疑故障是由某一工作部位所引起時，可使該部分局部停止工作，觀察故障現象是否消失，從而可斷定故障發生部位。如柴油機冒藍煙，分析認為是空氣濾清器過臟所造成的。此時可將拆掉或更換全新空濾，若藍煙消失，運轉穩定，則可證明判斷正確。

（2）觀察法

      觀察法就是柴油機修理工按照柴油機使用者指出的故障發生的部位仔細觀察故障現象，而后對故障做出判斷，這是一種應用最多的最基本的也是最有效的故障診斷法。

      例如對發機排氣管冒藍色煙霧的故障，可以通過冒藍煙的現象來判斷，如在使用過程中長期冒藍煙，發動機使用里程又很長，一般可以判斷為氣缸或活塞環磨損，致使配合間隙過大，由于機油盤中的機油通過活塞環與缸壁之間的間隙竄入燃燒室引起的；如果只是在發動機剛一發動時冒出一股藍煙，以后冒藍煙又逐漸變得比較輕微，一般可以判斷為發動機氣門桿上的擋油罩老化或內孔磨損使擋油功能失效，而有少量機油沿著氣門桿漏入氣缸引起的。有經驗者可以準確判斷，經驗不足者還應進一步觀察。

 

圖5  柴油機煙度測量不透光煙度計結構

圖6  柴油機冒白煙現象檢查方法

 

總結：

      對柴油發電機組運行來說，由于受多種原因所影響，柴油機在工作中會出現煙色異常是常見現象之一。對此我們不僅要加強重視，還應充分分析煙色不正常現象產生的原因，并據此采取相對應的措施進行處理，從而切實有效地保障柴油機良好的運行效率。總之，如果柴油機工作時排煙顏色不正常，不管是黑色、白色，還是藍色，都應引起現場使用人員的重視，只有及時查找原因，排出故障，才能延長柴油發電機的使用壽命，提高經濟效益。

 

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