故障檢查與技術(shù)維護

柴油發(fā)電機積碳多的原因、易出現部位和處理法

 

摘要：所謂柴油機積碳實(shí)際上是柴油和竄入燃燒室的機油不完全燃燒的產(chǎn)物，在柴油機活塞的頂部、燃燒室壁和氣門(mén)周?chē)a(chǎn)生積炭是較為常見(jiàn)的現象。本文簡(jiǎn)要介紹了柴油機積碳的形成機理，從柴油和機油油品，保養不及時(shí)，操作不當等幾個(gè)方面對積碳形成進(jìn)行分析，說(shuō)明了積碳對柴油發(fā)電機的危害，通過(guò)制定減少積碳的預防措施，抑制柴油機積碳的形成取得了良好的效果。

 

一、積碳形成原理

 

      柴油機運轉一段時(shí)間后，汽缸蓋、缸套、活塞、活塞環(huán)、氣門(mén)、噴油器等零件以及燃燒室表面會(huì )黏著(zhù)一層積碳，它是柴油機運轉中燃料和潤滑油高溫氧化作用的產(chǎn)物。在柴油機運轉中，燃燒室內因氧氣供應不足，柴油和竄入的潤滑油不能完全燃燒而產(chǎn)生油煙和焦油微粒，它們同潤滑油混合在一起氧化成膠狀液體——羥基酸，羥基酸進(jìn)一步氧化成樹(shù)脂狀膠質(zhì)物牢固地附著(zhù)在機器零件上，在高溫不斷作用下，膠質(zhì)物聚合成硬質(zhì)膠結物，即積碳。積碳主要成分有潤滑油、羥基酸、瀝青質(zhì)、油膠質(zhì)、硫酸鹽、硅化物等。柴油機溫度越高，形成的積碳越硬越緊密，與金屬粘結越牢固。

      在柴油發(fā)電機積碳生成機理中我們得知，積碳產(chǎn)生的溫度在195-290℃之間，而在200℃的條件下，積碳的生成速度最快。所以當缸內局部溫度達到200℃左右的時(shí)候，積碳就會(huì )瘋狂形成。有人會(huì )說(shuō)，柴油發(fā)電機的工作溫度不是90℃左右嗎，怎么會(huì )達到那么高？這里我們要明確90攝氏度指的是冷卻液溫度，而燃燒溫度指的是柴油發(fā)電機缸內油氣混合氣燃燒時(shí)的溫度，溫度可是要遠遠高于90℃的。而當某些特定的部位的溫度區間剛好在195-290℃之間時(shí)，多多少少就會(huì )有積碳在這些部位生成。柴油機行業(yè)對于積碳的定義是，柴油不完全燃燒產(chǎn)生的碳，其實(shí)更準確的說(shuō)，這些不完全燃燒產(chǎn)生的碳在這個(gè)特定溫度下，和缸壁的金屬發(fā)生化學(xué)反應，這些炭（Carbon）十分牢固地粘在了缸壁上，這才產(chǎn)生了我們所說(shuō)的積碳。

      大量的積炭會(huì )對柴油發(fā)電機組的性能是由一定的影響的，其最終的表現是使燃燒不良、傳熱惡化并降低噴油器工作的可靠性。

 

二、積碳容易出現的區域

 

1、進(jìn)氣歧管積碳

      很多用戶(hù)都不太重視進(jìn)氣道的積碳，其實(shí)進(jìn)氣歧管的積碳也是影響很大的，部位如圖1所示。積碳多了就會(huì )導致混合氣體比列不均，從而造成進(jìn)氣量不足、油耗增加的情況，進(jìn)氣歧管積碳的積碳也大多是以一些油泥為主。

2、噴油嘴積碳

      噴油嘴積碳一般不會(huì )太嚴重，但是也會(huì )有，主要是一些柴油里面雜質(zhì)過(guò)多引起的，原因是我們熄火后，發(fā)動(dòng)機的溫度依然還會(huì )很高，這個(gè)時(shí)候噴油嘴上殘留的柴油就會(huì )揮發(fā)掉，但是一些劣質(zhì)柴油剩下的雜質(zhì)是無(wú)法揮發(fā)的，所以日積月累就形成了積碳。

3、進(jìn)氣閥積碳

      進(jìn)氣門(mén)背面是最容易形成積碳的，區域如圖2所示。主要來(lái)源就是曲軸箱廢氣里的機油蒸汽，這些機油蒸汽在經(jīng)過(guò)進(jìn)氣閥時(shí)其中的機油蒸汽會(huì )吸附在進(jìn)氣閥上。還有一部分來(lái)自柴油中的雜質(zhì)和重質(zhì)成分。這些機油顆粒和雜質(zhì)粘在進(jìn)氣閥上在高溫下逐漸碳化，形成堅硬的積碳。

 

圖1  柴油機進(jìn)氣歧管積碳部位

圖2  柴油機進(jìn)氣門(mén)積碳部位示意圖

 

4、氣缸套和缸體表面積碳

      氣缸內外的積碳主要是來(lái)自與燃料的殘留物，一般都是由于燃燒不充分、雜質(zhì)過(guò)多、燒機油等情況造成的。

5、活塞頂部積碳

      活塞頂部積碳主要是混合氣體不完全燃燒造成的，其積碳部位如圖3所示。

6、活塞環(huán)積碳

      活塞環(huán)積碳是一種常見(jiàn)的問(wèn)題，它發(fā)生的部位如圖4所示。由于燃油和機油的不完全燃燒，會(huì )在活塞環(huán)上形成沉積物，這些沉積物最終硬化成積碳。

 

圖3  活塞頂部積碳部位示意圖

圖4  活塞環(huán)積碳部位示意圖

 

三、積碳形成原因分析

 

      柴油機積碳產(chǎn)生原因比較復雜，與柴油機結構、燃油和潤滑油的種類(lèi)、所處工作條件、工況等密切相關(guān)，以下從柴油機柴油和潤滑油油品、操作、保養等方面進(jìn)行分析。

1、柴油油品差

      柴油品質(zhì)越差，含殘碳值越高，越易誘發(fā)柴油機形成積碳。同時(shí)，油品較差的柴油中酸性物質(zhì)和水分使噴油器早期磨損，導致其工作不正常，使燃燒室內柴油燃燒不充分而形成積碳;柴油中的雜質(zhì)在柴油機工作時(shí)不能燃燒，雖然大部分被排出機外，但仍有少量殘留物不斷累積在噴油嘴噴孔、燃燒室、氣門(mén)口及傳感器表面形成附著(zhù)，在高溫氧化作用下形成積碳。

      根據柴油機工作環(huán)境和季節，選擇柴油牌號不當，最低氣溫低于柴油凝固點(diǎn)時(shí)，柴油結蠟而堵塞柴油濾清器，導致燃油系統供油不暢，噴油器霧化不良而形成積碳。

2、噴油器工作不正常

      在柴油機運轉過(guò)程中，噴油器向燃燒室內噴入均一、細微、均勻的柴油，當噴油器發(fā)生霧化不良、噴油壓力過(guò)高或過(guò)低、噴油時(shí)間提前或延遲、噴油過(guò)多等某一故障時(shí)，使進(jìn)入燃燒室內的柴油達不到要求而燃燒不充分或來(lái)不及燃燒而形成積碳。

3、機油粘度低或加注過(guò)多

      在柴油機運轉過(guò)程中，機油除潤滑運動(dòng)件表面之外，還不斷清洗、清潔運動(dòng)件表面，在潤滑系統循環(huán)過(guò)程中燃燒室內不可避免地進(jìn)入少量機油，因機油品質(zhì)差致使進(jìn)入燃燒室內的機油不能完全燃燒而形成積碳。機油粘度低、加注過(guò)多均使進(jìn)入燃燒室內的機油增多而形成積碳。

4、 柴油機竄機油

      當柴油機活塞環(huán)磨損、活塞與缸套間隙過(guò)大、氣門(mén)與氣門(mén)導管間隙超過(guò)允許尺寸或機油壓力過(guò)大時(shí)，均使進(jìn)入燃燒室內的機油量增多，不能充分燃燒而生成積碳。

5、 柴油機漏氣

      當汽缸螺母松動(dòng)、汽缸墊破損、噴油器與汽缸蓋密封不良均導致汽缸漏氣，造成汽缸內混合氣體壓力不足，難以產(chǎn)生高溫使柴油完全燃燒而生成積碳;進(jìn)、排氣門(mén)漏氣、配氣相位不正確或氣門(mén)堵塞，進(jìn)入汽缸內的空氣量減少造成柴油燃燒不完全而生成積碳。柴油機氣門(mén)與氣門(mén)座的配合部位磨損、燒蝕或粗糙等密封不良，氣門(mén)間隙過(guò)小，氣門(mén)積碳過(guò)多，氣門(mén)在導管內上下往復運動(dòng)發(fā)澀或卡滯、汽缸蓋螺栓緊固力矩不一致等導致氣門(mén)漏氣。

6、氣門(mén)間隙調整過(guò)小

      柴油發(fā)電機的氣門(mén)間隙一般為0.2～0.3 mm，氣門(mén)間隙調整過(guò)小，氣門(mén)桿受熱后膨脹會(huì )被搖臂經(jīng)常頂開(kāi)，使氣門(mén)關(guān)閉不嚴，導致氣門(mén)密封錐面嚴重積碳或燒損。氣門(mén)與氣門(mén)導管間隙過(guò)大，機油吸入燃燒室，嚴重時(shí)約占竄入燃燒室機油量的30%。

7、柴油機長(cháng)時(shí)間超負荷運轉

      燃油泵在調速器作用下增加供油量以提高柴油機輸出扭矩，同時(shí)因外界阻力過(guò)大使柴油機轉速下降，此時(shí)進(jìn)入燃燒室內柴油增多，因轉速下降進(jìn)入空氣量減少，汽缸內油氣混合氣體濃度增大，柴油不能充分燃燒而形成積碳。

 

四、積碳的解決方法及預防措施

 

1、加大負載清除積碳

      如果我們把柴油發(fā)電機積碳這個(gè)現象級事情，理解為一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程的話(huà)，問(wèn)題就會(huì )變得更加清晰。如果積碳的產(chǎn)生速度比積碳消失速度快，柴油發(fā)電機內部的積碳含量必將越來(lái)越多，多到一定程度的時(shí)候，就是時(shí)候做一次全面保養（缸內清洗）。如果積碳的消失速度大于產(chǎn)生速度，那么就完全不必擔心積碳對柴油發(fā)電機壽命和工況的危害。尤其是搭載缸內直噴的柴油發(fā)電機，由于其燃油噴射方式的特殊性，使其缸壁更容易產(chǎn)生積碳。而行家口中所說(shuō)的拉轉速，是指在高負載高轉速的條件下，柴油發(fā)電機由于快速做功，在短時(shí)間內產(chǎn)生大量熱量，將缸內積碳燒掉，以達到清除積碳的目的。

      積碳自動(dòng)脫落的原理是一旦溫度低于195℃或高于290℃，這些碳不容易與金屬發(fā)生粘連，因此會(huì )隨著(zhù)尾氣排出柴油發(fā)電機。簡(jiǎn)短總結一下，溫度在195-290℃之間，最容易產(chǎn)生積碳。而一旦碳和柴油發(fā)電機內部機件發(fā)生粘連，頑固的積碳就真真正正形成了。根據康明斯公司的柴油發(fā)電機機活塞積碳影響因素這篇論文中提到：當局部溫度達到325℃以后，柴油發(fā)電機內附著(zhù)的頑固積碳會(huì )被剝離，相當于此時(shí)柴油發(fā)電機產(chǎn)生的熱量，足以讓積碳滾蛋。而且，一旦溫度高于325℃，完全不會(huì )有積碳產(chǎn)生，而且這些掉下來(lái)的積碳會(huì )隨著(zhù)柴油發(fā)電機尾氣排出缸體。

2、專(zhuān)業(yè)清理方法

（1）堿洗法：使用專(zhuān)門(mén)的氫氧化鈉溶液或堿性添加劑，通過(guò)溶解堿性溶液中的堿性離子來(lái)清除積碳。

（2）機械物理法：將氣缸拆卸下來(lái)，使用機械工具（如刷子、清洗液等）進(jìn)行物理清理，清除氣缸內的積碳。

① 如圖5所示，使用刮刀或 Scotch-Brite™ 7448及溶劑清潔缸蓋上表面。

② 如圖6所示，使用 Scotch-Brite™ 7448及溶劑清潔缸套座和下部缸套密封表面。

 

（3）氫氣清洗法：通過(guò)向氣缸內注入氫氣來(lái)清除積碳。氫氣可以在高溫下與碳結合，形成易揮發(fā)的化合物，從而清潔氣缸。

2、正確使用柴油機

      在柴油機運轉過(guò)程中，應監視機油壓力和溫度的變化，防止柴油機過(guò)熱工作，不得使柴油機超負荷長(cháng)時(shí)間工作和長(cháng)時(shí)間怠速運轉。柴油機停機時(shí)，應先卸除負荷，降低油門(mén)，怠速運轉2 min左右再停機。在低溫環(huán)境下，防止柴油機過(guò)冷工作。每天首次啟動(dòng)柴油機時(shí)，首先須檢查機油壓力，待機油壓力顯示正常，才可適當提升轉速以滿(mǎn)足發(fā)電機發(fā)電之用，當發(fā)電機正常發(fā)電時(shí)，以中等轉速運轉預熱柴油機，機體溫度升至40℃以上方可帶負載運轉。

3、對柴油機檢查保養

（1）檢查進(jìn)氣系統的配置是否齊全、正確，空氣濾、增壓器總成與進(jìn)氣管系統各連接部分卡箍是否緊固到位，是否有漏氣現象，發(fā)現異常及時(shí)處理。

（2）及時(shí)清洗或更換空氣濾清器濾清器。根據柴油機工作環(huán)境，縮短空氣濾清器清理和濾清器更換周期，當發(fā)現濾清器臟污報警時(shí)，應及時(shí)清理或更換空氣濾清器。

（3）檢查冷卻風(fēng)扇進(jìn)氣通道暢通，確保冷卻風(fēng)扇傳動(dòng)系統工作正常和冷卻室密封性良好，定期清理機油散熱器、中冷器，汽缸套等散熱部件表面異常附著(zhù)的油污，保證柴油機散熱性能良好。

（4）檢查燃油系統，及時(shí)排除進(jìn)入燃油系統內的空氣，定期清洗或更換柴油濾清器，發(fā)現滲油處所及時(shí)處理，尤其是噴油器、高壓油泵與高壓油管的連接處。

（5）按季節、柴油機工作時(shí)間及時(shí)更換機油和機油濾清器濾清器，防止機油變質(zhì)而導致積碳的生成。柴油機運轉中應監視機油壓力變化，發(fā)現異常及時(shí)處理，防止過(guò)多的機油進(jìn)入燃燒室。

 

圖5  柴油機缸體表面積碳清理

圖6  柴油機缸套座和密封表面積碳清理

 

總結：

      為降低柴油機積碳的生成速度，減少積碳對柴油機的影響，提高柴油機的動(dòng)力性能，我們通過(guò)對在惡劣環(huán)境中運轉柴油機空氣濾清器的改造，制定減少柴油機積碳的預防措施，培訓操作人員提高其使用和維護保養柴油機技能，達到了抑制積碳生成的速度、延長(cháng)柴油機使用壽命的目的。

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