故障檢查與技術維護

如何解決柴油發電機組排氣管和增壓器發紅現象

 

摘要：深圳某用戶反映，其購買的柴油發電機組渦輪增壓器的渦輪殼變得通紅通紅的。因為渦輪殼材料為鑄鐵，柴油發電機組正常排氣溫度下渦輪殼根本不會出現發紅現象，所以康明斯公司判定該機組為溫度過高引起的。以下是康明斯以實例說明來對柴油發電機組排氣管和增壓器發紅現象進行分析，并將維修過程公布在本文中，主要內容請閱讀本文。

 

一、排煙管發紅現象和危害

 

1、現象

      排氣管紅，是指柴油機排氣溫度超過了技術規定的范圍。技術規定標定功率時的氣缸蓋出口排氣溫度為：≤540℃；排氣管的廢氣溫度為：≤630℃。從這兩個數字看出：

（1）廢氣在氣缸蓋出口和排氣管里的溫度是不同的且排氣管溫度比氣缸蓋出口溫度要高，其原因是廢氣具有的總能量包括勢能(熱能)和動能在氣缸、氣缸蓋出口、排氣管中均保持不變。 由于支管的通道較小，排氣管的容積較大，因此廢氣通過較短的支管時具有較高的流速，到達排氣管后，廢氣的流速有較大幅度的下降，根據能量守恒定律，流速下降的這一局部動能轉變為勢能，即用來增加熱量，使排氣管的廢氣溫度高于氣缸蓋出口溫度；

（2）顯而易見的是在正常情況下，排氣管內的廢氣溫度是比擬高的，一塊鐵加熱到這種溫度以上，也會發紅的。因此，判斷排氣管真正發紅，應該用數據說話。即采用熱電偶測量排氣溫度來確定。如超過技術要求規定的范圍，那么屬于排氣管紅，按故障處理；如沒有超過技術規定的范圍，那么不應該認為排氣管發紅，不應該當作故障對待。但由于現在柴油機上沒有實測排氣溫度的工具，因此，在實際運用中判斷柴油機是否出現排氣管發紅只能用肉眼憑經歷觀察。一般說來在可見度良好的情況下排氣管出現暗紅色和可見度差的情況下排氣管出現發亮的紅色，那么認為出現排氣管發紅的故障。

2、后果

（1）由于排氣管紅的實質是排氣管內的廢氣溫度超高。也就是說，廢氣具有較大的能量，這將使增壓器轉子的轉速提高，在進氣量不變的情況下，造成增壓器出現喘振現象，使得局部空氣與壓氣機葉片之間發生脫離、蝸旋，空氣波動而發生刺兒的尖叫聲，導致增壓器前的進氣管道振動，增壓器轉子軸也產生高頻的軸向顫抖，并使柴油機的工作狀態趨于不穩定，縮短了柴油機和增壓器的使用壽命。

（2）由于排氣管內廢氣溫度超高，排氣管長時間在高溫下工作，容易出現變形、裂損及密封墊破損，產生漏煙和噴火。

（3）排氣管紅也意味著排氣管外圍有較高的輻射熱，給柴油機運用中帶來不平安的因素，一旦柴油機燃油系統〔如高壓油管〕或機油系統發生漏泄，極易發生火災，造成車毀人亡，損失不可估量。

（4）排氣管發紅根本原因是燃燒狀態差，燃油在氣缸內沒有充分燃燒，大局部燃油的燃燒在排氣管內進展，未能完成熱能與機械能的轉換就排入大氣。從而使柴油機的經濟性下降。

 

二、原因分析

 

      柴油機的工作過程是由進氣、壓縮、燃燒膨脹和排氣四個沖程五個工作過程組成。其中進氣、壓縮和排氣是輔助沖程，燃燒膨脹是做功沖程。從理論上分析正常的燃燒膨脹過程應是在氣缸內完成，而排氣管紅說明燃燒沒有完全在氣缸內完成，局部燃燒在氣缸外進展的，即在排氣總管內進展的。從而造成后燃嚴重，使排氣管溫度過高。造成這一現象的原因取決于兩個方面，即燃油和空氣。包括燃油的品質、燃油的壓力、霧化狀態、噴油時機和進入氣缸的空氣量、壓力、溫度以及燃油與空氣的混合程度等。具體分析如下：

1、燃油系統故障

① 由于噴油器針閥偶件不能按25.5MPa的規定壓力開啟，或低或高，一局部出現二次噴射〔易發生在高速重載〕或間隔噴射〔易發生在低速空載〕甚至滴漏〔針閥卡滯在開啟位或密封錐面磨損超限〕等不正常噴射現象，造成噴油器燃油霧化不良，燃燒狀態不好，排溫升高；同時有局部燃油來不及燃燒而到排氣管內燃燒，進一步提高排氣管內的溫度。

② 噴油泵供油量超出標準，噴油泵供油量大，過量空氣系數偏小，導致排氣管紅。

③ 噴油提前角偏小，為使燃燒在上止點開場進展，燃油通常在上止點前噴入氣缸，確保燃油在氣缸內充分燃燒。假設噴油過遲〔針閥彈簧壓力過大、出油閥行程過長等〕造成燃油在上止點以后才開場燃燒，那么燃燒未完時已進入到排氣過程，未燃燒的燃油隨廢氣進入排氣管內繼續燃燒，引起后燃嚴重而增高排溫。

④ 各噴油泵供油量超差。單體式噴油泵各缸供油量與供油提前角的一致性是通過在噴油泵下體與上體之間加減調整墊片來保證的。在一次供油總量不變的情況下各缸齒條刻線的超差直接產生某缸的噴油量增大，供氣量相對缺乏，使某缸燃燒不完全，形成后燃，導致排氣管發紅。

2、進排氣系統故障

      新鮮空氣進入氣缸前需要進展二級濾清〔離心作用的旋風式濾清器和油浴式的板網式濾清器〕，清潔的空氣進入增壓器壓氣機，增壓后的壓縮空氣進入中間冷卻器再經進氣總管、進氣支管進入氣缸；燃燒做功后的廢氣經氣缸蓋出口、排氣支管、排氣總管進入增壓器渦輪機帶動與壓氣機同軸的轉子旋轉；將廢氣的熱能轉換為動能后排入大氣。完成這些任務的設備工作不良，也會出現排氣管紅的現象。如：

① 空氣濾清器臟污，進氣量缺乏，在供油量不變得情況下，造成燃燒不充分，導致排溫高。

② 空氣中間冷卻器臟，冷卻效率差，進入穩壓箱內的空氣溫度高，使空氣密度低，進入燃燒室內的空氣量缺乏，燃燒不充分，造成排氣管發紅。

③ 進氣支管墊漏泄，中冷器密封墊漏泄或中冷器與增壓器軟連接漏泄等造成穩壓箱內的空氣壓力缺乏，進入燃燒室內的空氣量少，使燃燒不充分，造成排氣管發紅。

④ 排氣管漏泄使增壓器渦輪側燃氣量減少，熱能轉換少，使得增壓器轉速低，造成進入氣缸的空氣量減少，導致排氣溫度高。

 

圖1  柴油機進氣系統原理圖

圖2  柴油機進氣系統檢查

 

3、增壓器問題

      廢氣在排入大氣前為進一步利用其能量被送入增壓器渦輪機帶動同軸的壓氣機工作以提高進入壓氣機內新鮮空氣的壓力。因此，渦輪機和壓氣機的正常工作與否直接影響進入氣缸的空氣質量。

（1）喘振原因

      通常在選配增壓器時，已根據采用不同的增壓系統（圖1）的工作特性將壓氣機配合工作線選擇在喘振線B右側的適當位置。此時既可保證柴油發電機達到預定的增壓指標和增壓器在高效率區工作，又保證在柴油發動機全部工作范圍內增壓器不發生喘振。

（2）阻塞因素

      由于供油量增多，廢氣能量增大，必然導致增壓器轉速提高，壓氣機排氣量和排出壓力升高。而此時柴油發電機轉速低，耗氣量少，使增壓器供氣與柴油發電機耗氣之間的供需平衡被打破。壓氣機背壓升高，流量減少，從而引起增壓器溫度過高而發紅。

（3）冷卻變差

      當空冷器冷卻能力下降時，柴油發電機排氣溫度升高，壓氣機轉速升高，配合運行點移向高處，喘振余量減小會造成增壓器溫度過高。

 

圖3  渦輪增壓器原理圖

圖4  增壓器內部高溫及發紅現象

 

4、氣缸內壓縮壓力低

      燃油具有自燃性，即到達一定的壓力、溫度的條件下燃油自行著火燃燒。噴入氣缸的霧狀燃油自行燃燒依靠的是氣缸內被壓縮的新鮮空氣的壓力和氣缸內的溫度來實現。也就是說，壓縮過程終了時氣缸內必須具有足夠大的壓力和足夠高的溫度。一般情況下，壓縮終了時的氣缸內的溫度應在200℃—300℃。

      正常運用油、水溫度下，柴油機轉速400r/min，壓縮壓力達不到2.65—2.84MPa的規定范圍，也就成為造成燃燒不良的一個重要因素。如氣缸串氣，氣門間隙〔進氣0.40mm、排氣0.50mm〕調整不當，氣門彎曲或氣門盤裂損，氣環和油環與環槽間隙超過禁用限度〔氣環 ＞0.30mm，油環＞0.25mm〕也會使排氣管發紅。

 

三、判斷與處理

 

1、檢查與判斷

      根據上述對故障原因的分析總結出判斷及處理的方法。

（1）查漏泄：檢查進氣系統、排氣管的漏泄，發現漏泄及時處理。

（2）測壓力：用壓力表測增壓器的掃氣壓力，壓力過低予以更換；用爆發壓力表測各缸的壓縮壓力，不合標準，及時拆檢。

（3）看齒條：檢查噴油泵齒條是否超差，發現各缸差超過0.5刻線時，及時調整。

（4）對臟污的空氣濾清器按檢修工藝進展清洗。

（5）校驗噴油泵的供油量和噴油器的噴射壓力及霧化質量，不符合要求的及時檢修。

（6）校驗各缸的幾何供油提前角，提前角偏小的通過減少噴油泵墊片及時修正。

（7）觀察中冷器進口水溫，如超過45℃應查找原因，及時處理，無論如何不應高于50℃。

（8）配合調整：使裝機的增壓器與柴油機匹配。最簡單的方法是調整噴嘴環出口截面積或改變擴壓器進口角度和葉片高度。一般情況下采用減小噴嘴環出口截面積或增大擴壓器葉片進口角度和葉片高度以使柴油機的運行線進入增壓器的高效區。

（9）測量壓鉛值：測量活塞到達上止點時，活塞頂面距氣缸蓋底面間的最小距離〔3.8—4.0mm〕。可用撤除局部缸蓋墊片來提高壓縮壓力。

       另外，新配屬的柴油機因產地和使用地的海拔不同，柴油機的功率需進展修正。修正功率的方法是調整聯合調節器中的功調螺栓的載入深度使柴油機的功率略低于標定功率。這主要由于西部地區海拔高，空氣稀薄，等量燃油進入氣缸不能完全燃燒，造成排氣管紅，同時油耗增大，柴油機經濟性變差。或移動懸掛點在聯合杠桿中的位置，調整各轉速下柴油機的功率。注意的時，這些調整須相互配合，單一進展局部調整有時會適得其反。

2、增壓器發紅應急措施

      增壓器燒紅的原因可能是由于使用過度或者故障導致的。如果你的增壓器燒紅了，以下是一些可能的解決方案：

（1）停止使用增壓器，并等待它冷卻。

      如果增壓器已經過度使用，它可能會過熱并導致燃燒。如果增壓器已經燒紅， 那么你需要停止使用它并等待它冷卻，這樣可以避免進一步的損壞。

（2） 檢查增壓器的散熱器。

      散熱器可能會因為灰塵和污垢而阻塞，導致增壓器過熱從而燒紅。因此，你需要檢查并清潔散熱器，這樣可以讓增壓器正常工作。

（3） 檢查電源電壓。

      電源電壓不穩定可能會導致增壓器過載，從而導致燒紅。因此，檢查電源電壓并確保它穩定。

（4）更換故障的部件。

      如果增壓器出現了故障，例如損壞的繼電器或損壞的電容器，那么你需要將這些部件更換掉，這樣可以避免增壓器再次燒紅。

 

      總之，當增壓器燒紅時，需要立刻停止使用，并進行檢查和維修。如果你不確定如何處理，最好請專業人士幫助你修理。

 

圖5  增壓器發紅狀態

圖6  氣缸壓縮壓力檢查方法

 

總結：

      以上對發生排氣管和增壓器發紅的故障原因進展了分析并提出了一些具體的處理方法。上述方法對柴油機運行中發生的此類故障根本得到控制。不過，從中我們也看到，雖然故障原因是針對柴油機自身工作狀態提出的，但設備的檢查是通常由用戶的操作人員完成的。因此，須進一步提高一線操作員的自身素質和技術水平，只有精檢細修、防患于未然，才能保證柴油機平安運行。另外，文中未提但在運用中不容無視的是也有人為因素造成的排氣系統發紅現象。如某段為提高空氣的濾清質量，減少氣缸拉傷，自行在增壓器進口又加裝了一級濾清同時未對功率進展相應調整造成柴油機燃燒惡化、排氣冒黑煙、增壓器喘振甚至排氣管噴火等現象。這不僅使柴油機經濟性差、運行本錢提高而且給行車平安帶來隱患。最后，提到的是造成排氣管和增壓器發紅的因素還有很多，有待我們在實踐中進一步摸索，積累經歷，以使這一難題徹底解決。

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