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故障檢查與技術(shù)維護(hù) |
康明斯K38系列柴油發(fā)電機(jī)活塞燒蝕現(xiàn)象 |
導(dǎo)讀：活塞燒蝕是柴油發(fā)電機(jī)使用中較常見的現(xiàn)象，燒蝕部位大多發(fā)生在活塞頂部和第一、第二道活塞環(huán)槽處及活塞頭部圓周處，一般以活塞頂而熔洞、穿孔和頭部圓周處鍵槽狀缺口、蜂窩眼為主要形式，故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)下排氣增大，甚至機(jī)油從呼吸孔沖出。活塞燒蝕將導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)工作不正常，直接導(dǎo)致缸壓降低，動(dòng)力下降，間接引起拉缸、抱瓦等，并損壞渦輪增壓器、缸蓋等機(jī)件。下面，根據(jù)我們康明斯K38發(fā)電機(jī)活塞燒蝕的維修經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合相關(guān)相關(guān)技術(shù)資料后，對(duì)康明斯K38系列發(fā)電機(jī)活塞燒蝕的原因作分析。
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一、活塞燒蝕故障特征
1、活塞燒蝕故障產(chǎn)生及外部特征
一般表現(xiàn)為發(fā)動(dòng)機(jī)下排氣明顯增大，運(yùn)轉(zhuǎn)中忽然出現(xiàn)排氣冒白煙且有機(jī)油從廢氣管中竄出，嚴(yán)重?zé)g后，排氣管與缸蓋接口處冒柴油。
2、發(fā)動(dòng)機(jī)拆檢后內(nèi)部特征
表現(xiàn)為（早期）輕微燒蝕，第一道活塞環(huán)上部出現(xiàn)蜂窩眼；（晚期）嚴(yán)重?zé)g，第一道活塞環(huán)鑲槽斷裂或活塞燒缺，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的繼續(xù)使用，這一現(xiàn)象進(jìn)一步擴(kuò)大，最后惡化到活塞環(huán)槽脫落所形成的異物在燃燒室中受活塞的往復(fù)撞擊而導(dǎo)致缸套拉傷、缸蓋底平面和氣門被碎塊打壞、噴油器噴嘴打壞、碎塊進(jìn)入排氣道和增壓器將高速運(yùn)轉(zhuǎn)的增壓器廢氣渦輪打壞。
二、活塞燒蝕故障原因分析
以下歸納分析造成活塞燒蝕的各種原因。
1、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)
（1）水泵失效
水泵作為冷卻系統(tǒng)心臟，它使冷卻水以一定的壓力（KTA38系列康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)最低冷卻水壓力48KPa）和速度在發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)冷卻通道內(nèi)流動(dòng)，將發(fā)動(dòng)機(jī)各部分的熱量帶走，當(dāng)水泵壓力因?yàn)楸脙?nèi)部部件磨損泄露等原因而低于正常值時(shí)，就不能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)（特別是燃燒室）進(jìn)行有效的冷卻，使活塞、缸套始終處于高溫狀態(tài)，活塞受高溫強(qiáng)度降低而造成燒蝕。
（2）將自來水作為冷卻水使用
自來水因?yàn)楹写罅康碾s質(zhì)，高溫時(shí)極易在水箱和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水道生成水垢，水垢一旦形成，一則減小了冷卻水的正常流通面積，二則阻礙了正常的熱傳遞，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室熱量的正常散熱。
（3）節(jié)溫器卡死和動(dòng)作值偏移
節(jié)溫器的初開啟溫度為80℃,全開溫度為90℃,無論是卡死和動(dòng)作值變化，都會(huì)影響冷卻水在流往水箱這一冷卻大循環(huán)的流通性，而使發(fā)動(dòng)機(jī)得不到及時(shí)冷卻。
（4）機(jī)油冷卻噴嘴堵塞或角度變化
柴油膨脹沖程所產(chǎn)生的熱量，一方面以膨脹爆發(fā)的形式將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能推動(dòng)活塞作功，另一方面通過排氣、活塞—活塞環(huán)一缸套一冷卻水、機(jī)油冷卻將多余的熱量傳散出去。冷卻噴嘴與機(jī)油主油道直接連通的機(jī)油通過冷卻噴嘴噴入活塞底面的一側(cè)，從活塞底面另一側(cè)流出，以達(dá)到冷卻高溫活塞的目的。（拆裝噴嘴時(shí)一定要仔細(xì)，千萬別碰撞噴嘴，同時(shí)裝配時(shí)要充分保證其暢通性和緊固螺栓25磅的扭緊力矩。)
2、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)
（1）噴油器噴油量過大或霧化不良
噴孔直徑超過標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，過多的柴油噴入汽缸，在某工況下，因?yàn)檫M(jìn)氣量一定，同時(shí)過量空氣系數(shù)也一定，從而無法保證噴入缸內(nèi)的柴油都能夠完全燃燒，甚至出現(xiàn)柴油附在活塞上燃燒，造成積炭和活塞過熱。嚴(yán)重時(shí)可以在活塞頂部看見一個(gè)個(gè)與噴孔數(shù)量相同的噴油痕跡，活塞頭部也會(huì)有一層厚厚的不規(guī)則的積炭，造成活塞高溫?zé)g。
（2）PT泵油量過大
PT泵油量過大也會(huì)使過多的柴油噴入汽缸而無法完全燃燒，而出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)冒黑煙，工作粗暴，缸內(nèi)異常高溫。
（3）噴油提前角不正確
提前角過大，發(fā)動(dòng)機(jī)工作粗暴，提前角過小，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒滯后引起后燃，極易造成活塞因過熱而燒蝕。KTA38系列康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)噴油正時(shí)由靜態(tài)噴油正時(shí)和動(dòng)態(tài)噴油正時(shí)構(gòu)成。靜態(tài)噴油正時(shí)由齒輪室內(nèi)曲軸齒輪和左、右排凸輪軸齒輪（以及偏心鍵）的相對(duì)位置而確定，對(duì)它的檢查須借助專門的正時(shí)測(cè)量工具來完成。而其獨(dú)特的動(dòng)態(tài)噴油正時(shí)功能能夠使發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中根據(jù)外界負(fù)荷情況自動(dòng)調(diào)節(jié)噴入汽缸的柴油油量，以達(dá)到最佳的燃燒效果。動(dòng)態(tài)噴油正時(shí)機(jī)構(gòu)主要由：STC控制閥、STC油管、帶STC的噴油器組成。簡(jiǎn)單的控制原理為：不同工況時(shí)，STC控制閥根據(jù)檢測(cè)到的PT燃油泵柴油壓力一控制STC閥內(nèi)柱塞的位置一機(jī)油進(jìn)入噴油器的STC油腔形成一段液力柱塞一改變噴油器柱塞的總行程一改變噴油器的開啟和關(guān)閉時(shí)間這一過程來達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)整噴油正時(shí)的目的。如果因?yàn)闄C(jī)油里混有機(jī)械雜質(zhì)等原因造成STC閥柱塞磨損或卡死以及STC機(jī)油油路有泄露存在，就會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)喪失這一功能而導(dǎo)致噴油正時(shí)紊亂，燃燒不好，活塞積炭，活塞高溫而燒蝕。
3、活塞組件磨損
（1）劣質(zhì)活塞
活塞在高溫、高壓、高速、潤(rùn)滑不良的惡劣條件下作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，直接與高溫氣體接觸，瞬時(shí)溫度可達(dá)2500℃以上，受熱嚴(yán)重、散熱條件差，所以活塞工作時(shí)溫度很高頂部可達(dá)600～700℃，且溫度分布很不均勻；活塞頂部承受氣體壓力很大，特別是做功行程壓力最大，柴油發(fā)電機(jī)高達(dá)6～9MPa，這就使得活塞產(chǎn)生沖擊，并承受側(cè)玨力的作用活塞在氣缸內(nèi)以很高的速度（8～12m/s）往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且速度在不斷地變化，產(chǎn)生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷。活塞在這種惡劣的條件下工作，會(huì)產(chǎn)生變形并加速磨損，還會(huì)產(chǎn)生附加載荷和熱應(yīng)力。若活塞質(zhì)量不過關(guān)，鑄造時(shí)存在氣孔、疏松、微裂紋、夾渣等缺陷，則在高溫高壓作用下，這些氣孔、疏松、微裂紋會(huì)導(dǎo)致疲勞損壞；活塞中的夾渣首先熔化，誥成活塞燒熔，導(dǎo)致活塞燒蝕故障。
（2）活塞積碳嚴(yán)重
積碳的生成比較復(fù)雜，它與發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)以及使用燃科、潤(rùn)滑油科的種類及發(fā)電機(jī)所處工作條件、工況等密切相關(guān)。在燃燒室中，氧氣供給不足，燃料和竄入燃燒室的潤(rùn)滑油料不能完全燃燒，而產(chǎn)生油煙和焦油微粒，它們和潤(rùn)滑油混合在一起后，進(jìn)一步氧化成為稠性膠狀液體羥基酸，羥基酸又進(jìn)一步氧化變成一種半流體樹脂狀膠質(zhì)，牢因地粘附在零件上，隨后在高溫的不斷作用下膠質(zhì)又聚合成更復(fù)雜的聚合物，成為一種硬質(zhì)膠結(jié)碳，即形成了積碳。
積碳的組成成分有潤(rùn)滑油、輕基酸、瀝清質(zhì)、油焦質(zhì)、碳青質(zhì)、硫酸鹽、硅化合物（來自進(jìn)氣中的灰沙）和微量金屬到及其化合物等。發(fā)電機(jī)溫度越高，形成的積碳也越硬越緊密，與金屬粘接越牢固。活塞環(huán)槽中的積碳會(huì)使活塞環(huán)失去彈性而卡死，活塞環(huán)密封性下降，引起燒枳油現(xiàn)象，進(jìn)而加劇了積碳的生成，進(jìn)、排氣門上的積碳會(huì)使氣門關(guān)閉不嚴(yán)，高溫顆粒積碳附著在氣門上也會(huì)使氣門及氣門座燒蝕，加劇氣門漏氣。氣門漏氣，又使高溫氣沖氣門及氣門座，進(jìn)一步使氣門及氣門座燒蝕出現(xiàn)漏氣，最終導(dǎo)致缸床降低，燃燒黑煙大促使活塞積碳的生成。活塞積碳使其散熱作用減弱，溫度升高，當(dāng)溫度超出活塞的熱承受極限時(shí)，將引發(fā)活塞燒蝕。造成發(fā)電機(jī)燃燒黑煙大、積碳嚴(yán)重的主要原因是過氣門密封不嚴(yán)進(jìn)、排氣門關(guān)閉不嚴(yán)，會(huì)誥成高溫、高壓的可燃混合氣沖蝕氣門及氣門座工作面，使二者工作面出現(xiàn)嘛點(diǎn)、積碳、燒蝕，麻點(diǎn)、積碳、燒蝕又會(huì)加速進(jìn)、排氣門關(guān)閉不嚴(yán)，形成惡性循環(huán)。氣門關(guān)閉不嚴(yán)，缸壓降低，燃燒不好，造成缸內(nèi)積炭過多，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)動(dòng)力性，經(jīng)濟(jì)性下降。
若活塞環(huán)槽內(nèi)會(huì)形成積炭，將活塞環(huán)嵌在活塞環(huán)槽中不能轉(zhuǎn)動(dòng)。可將活塞總成浸泡在煤油中，待其軟化后再進(jìn)行清除或拆卸，如圖1 所示。
注意∶不可用刮刀、一字旋具等工具硬撬。
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圖2 清除活塞環(huán)槽積碳 |
圖3 活塞銷孔直徑檢查示意圖 |
（3）活塞環(huán)磨損
活塞環(huán)槽的磨損較大，通常第一道活塞環(huán)槽的磨損最為嚴(yán)重，以下幾道環(huán)槽的磨損依次減輕。其原因是由于燃燒室高壓燃?xì)獾淖饔煤突钊咚偻鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，使活塞環(huán)對(duì)環(huán)槽沖擊增大。磨損后的環(huán)槽斷面成梯形，外寬里窄，側(cè)隙增大 ，導(dǎo)致氣缸漏氣、室油，使發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性下降，潤(rùn)滑惡化，燃燒室大量積炭等。活塞出現(xiàn)上述現(xiàn)象，在發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)應(yīng)全部更換。
表1 活塞磨損檢測(cè)表單
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檢測(cè)項(xiàng)目
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缸
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缸
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缸
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群部直徑D0
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y1-y2
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銷孔直徑E1
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x-x
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y-y
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銷孔直徑E2
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x-x
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y-y
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環(huán)槽寬度1
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x1-x2
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y1-y2
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環(huán)槽寬度2
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x1-x2
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y1-y2
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環(huán)槽寬度3
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x1-x2
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y1-y2
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（4）活塞裙部磨損
活塞裙部雖與氣缸壁直接接觸，但接觸面積較大，潤(rùn)滑條件較好，所以磨損也較輕。通常只在側(cè)壓力較大的一側(cè)發(fā)生輕微的磨損和擦傷。當(dāng)活塞裙部與氣缸壁間隙過大時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)工作易出現(xiàn)敲缸，并出現(xiàn)嚴(yán)重的竄油現(xiàn)象。檢查裙部磨損時(shí)，用千分尺測(cè)量與活塞銷垂直方向的活塞裙部直徑，如圖4所示；千分尺的使用方法如圖5所示。測(cè)得的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)尺寸的最大偏差量不得超過0.04 mm。超過規(guī)定值時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)大修時(shí)應(yīng)更換全部活塞。
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圖4 測(cè)量活塞裙部尺寸示意圖 |
圖5 活塞直徑測(cè)量步驟（轉(zhuǎn)動(dòng)千分尺棘輪） |
4、排氣背壓過大
排氣背壓是指發(fā)電機(jī)排氣的阻力壓力。例如K38康明斯柴油發(fā)電機(jī)排氣壓力小于0.09kPa，若消聲器發(fā)生堵塞或排氣管改裝不當(dāng)，將會(huì)增大排氣阻力，導(dǎo)致排氣背壓過大。由于發(fā)電機(jī)排氣背壓過高，汽缸內(nèi)混合氣燒后生成的廢氣難以排出，廢氣只能返流，熱量相對(duì)積聚在缸內(nèi)，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度過高，最終引起活塞燒蝕。
5、其他
（1）空氣系統(tǒng)中進(jìn)入含磷或硫等酸性物質(zhì)。
這些酸性物質(zhì)隨空氣進(jìn)入汽缸并與柴油一起參與燃燒，在燃燒中會(huì)形成磷酸和硫酸等酸性化學(xué)物質(zhì)，而腐蝕缸套、活塞。
（2）柴油里面混有水。
水分在缸內(nèi)高溫燃燒作用下，迅速形成水蒸氣，對(duì)活塞、汽缸造成氣蝕破壞。
（3）活塞和缸套存在質(zhì)量問題。
如果活塞和缸套鑄造時(shí)存在氣孔、疏松、微裂紋及夾渣等缺陷，這些缺陷就會(huì)作為疲勞源而導(dǎo)致疲勞損壞，活塞中的夾渣會(huì)引起活塞燒熔。鑄造材質(zhì)及工藝也關(guān)系到活塞和缸套的機(jī)械強(qiáng)度以及耐高溫能力。
（4）裝配上。
如活塞頂隙調(diào)整不當(dāng)，就會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比，而導(dǎo)致活塞拉缸或活塞燒蝕。
（5）操作不當(dāng)。
如啟動(dòng)怠速、熄火怠速時(shí)間過短，超負(fù)荷等，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)造成損害。
總結(jié)：
康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)在使用過程中，出現(xiàn)活塞燒蝕故障，在日常維護(hù)保養(yǎng)工作中一般不易發(fā)現(xiàn)，但一旦出現(xiàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)則是致命的損壞。為了保證發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)周期安全運(yùn)行，除操作員工的精心操作、細(xì)心維護(hù)外，按要求做好康明斯推薦的發(fā)動(dòng)機(jī)A、B、C、D級(jí)保養(yǎng)工作顯得十分重要，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)的C、D級(jí)保養(yǎng)。不論是對(duì)噴油器、氣門間隙的就機(jī)檢查調(diào)整，還是將噴油器、PT泵、STC控制閥送外校檢，都要遵循康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，不能一味的片面追求發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力，而忽視發(fā)動(dòng)機(jī)本身的實(shí)際工況。
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