故障檢查與技術(shù)維護(hù)

康明斯柴油發(fā)電機(jī)冒黑煙的原因分析與解決措施

 

摘要：柴油發(fā)電機(jī)組排氣時冒黑煙現(xiàn)象的存在，會造成燃料浪費(fèi)和大氣污染，同時會對柴油機(jī)各系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，降低康明斯發(fā)電機(jī)組的使用效率。柴油機(jī)排氣時冒黑煙是一個綜合問題，可由進(jìn)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(jìn)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(jìn)行探討。因此，康明斯公司通過對柴油發(fā)電機(jī)組排氣時冒黑煙現(xiàn)象的技術(shù)分析與處理，解決了在進(jìn)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(jìn)氣系統(tǒng)發(fā)生故障而引起的

      康明斯系列柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)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(jìn)入柴油機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1000r/min，在柴油機(jī)氣缸內(nèi)燃料爆發(fā)前，燃燒室應(yīng)充滿體積為0.0029m³、壓強(qiáng)值約在280.33 kPa的壓縮空氣。當(dāng)經(jīng)由空氣濾清器實(shí)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(jī)柴油機(jī)出現(xiàn)排氣冒黑煙的現(xiàn)象。

（2）增壓器方面原因。

      作為進(jìn)氣系統(tǒng)的增壓機(jī)構(gòu)，以ZN250C為例，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2500r/min時，一般進(jìn)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(jìn)入氣缸內(nèi)空氣質(zhì)量下降且數(shù)量減少，導(dǎo)致柴油機(jī)柴油機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)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(jìn)入柴油機(jī)氣缸前的冷卻機(jī)構(gòu)，中冷器起著降低溫度并增加氣缸進(jìn)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(jìn)入氣缸內(nèi)的氣量減少，從而也會引起柴油機(jī)柴油機(jī)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(jī)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(dá)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(yán)。此現(xiàn)象由氣門間隙發(fā)生變化、氣門座脫落、氣閥機(jī)構(gòu)彈簧彈力不足等原因引起，也會導(dǎo)致柴油機(jī)柴油機(jī)排氣時冒黑煙。

3、由柴油機(jī)超載而引起的

      在發(fā)電機(jī)組進(jìn)行水阻試驗(yàn)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(dá)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(jī)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(jī)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(jī)勵磁電流過大，就會出現(xiàn)主發(fā)電機(jī)功率過大并導(dǎo)致柴油機(jī)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(jī)勵磁電流過大，從而也會導(dǎo)致主發(fā)電機(jī)功率過大和柴油機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)的，而且柴油機(jī)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(dá)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(jī)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(jī)增壓器工作原理圖

圖2  柴油機(jī)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(jī)空氣消耗量與進(jìn)氣密度校驗(yàn)

（1）柴油機(jī)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(jī)單缸功率，kW；g_e為柴油機(jī)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(fù)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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)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(dá)到的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1    增壓器檢修后應(yīng)達(dá)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(jī)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(jìn)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(jìn)行檢查確認(rèn)，所有氣門都需進(jìn)行研磨，氣門冷態(tài)間隙應(yīng)按進(jìn)氣0.4mm、排氣0.5mm進(jìn)行調(diào)整。

4、 配氣相位優(yōu)化設(shè)計(jì)

      合理的配氣相位可以最大限度地提高柴油機(jī)的進(jìn)排氣效率和進(jìn)排氣質(zhì)量，對柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放產(chǎn)生直接影響。最佳配氣相位隨轉(zhuǎn)速與負(fù)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(jī)工作轉(zhuǎn)速為450(r/min^-1)和1500(r/min^-1)，并使之達(dá)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(jì)值

5、氣門升程優(yōu)化設(shè)計(jì)

      氣門升程直接影響柴油機(jī)的換氣性能，從而對柴油機(jī)的動力、經(jīng)濟(jì)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(fù)荷的改變而變化。針對柴油機(jī)工況，通過對氣門升程進(jìn)行優(yōu)化，在提高柴油機(jī)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(jì)性的需求。柴油機(jī)工作段的氣門升程、缸壓及進(jìn)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(jìn)行清洗，同時在水阻試驗(yàn)臺上對動力活塞位置和懸掛點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，功調(diào)電阻也要進(jìn)行檢測。測量勵磁調(diào)整管電阻并根據(jù)測速發(fā)電機(jī)的勵磁電流對CF勵磁調(diào)整管電阻、油壓馬達(dá)工作調(diào)整管電阻進(jìn)行調(diào)整。

      對優(yōu)化前后的凸輪軸方案進(jìn)行柴油機(jī)性能對比試驗(yàn)(外特性+極限負(fù)荷試驗(yàn))，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(jī)突加負(fù)荷能力提升20%。

 

圖3  柴油機(jī)氣門時面值圖	圖4  柴油機(jī)工作段的氣門升程、缸壓及進(jìn)氣壓力
圖5  柴油發(fā)電機(jī)優(yōu)化前測功圖	圖6  柴油發(fā)電機(jī)優(yōu)化后測功圖

 

總結(jié)：

      柴油發(fā)電機(jī)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(jī)組排氣冒黑煙原因進(jìn)行技術(shù)分析并采取技術(shù)防范措施，柴油機(jī)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(diǎn)和結(jié)構(gòu)進(jìn)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(yùn)行。

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