故障檢修與技術(shù)維護

康明斯發(fā)電機組排氣管冒黑煙的故障診斷案例

 

摘要：康明斯公司是當今世界設計、生產(chǎn)和銷(xiāo)售柴油發(fā)動(dòng)機的最大企業(yè)之一。目前康明斯柴油機共有B、C、L、N、M、K、V、Q等8個(gè)系列，其中B系列柴油機以其可靠的穩定性、良好的經(jīng)濟性和動(dòng)力性，廣泛地用做發(fā)電機組的動(dòng)力系統。針對6BT5.9康明斯柴油機的冒黑煙故障，闡述了柴油機冒黑煙的機理，分析了故障原因。按照“由表至里，從簡(jiǎn)到繁”的診斷原則，排查出噴油器噴油壓力過(guò)低導致排氣冒黑煙。最后給出了減少柴油機冒黑煙故障的幾點(diǎn)建議。

 

一、故障現象

 

      排氣管冒黑煙是一種柴油發(fā)電機組故障癥狀，排氣管冒黑煙說(shuō)明柴油發(fā)動(dòng)機混合氣過(guò)濃導致燃燒不充分。當空氣濾清器過(guò)臟、噴油器霧化不良、燃油泵堵塞等，均會(huì )造成發(fā)動(dòng)機排氣冒黑煙等問(wèn)題。下面是小編收集整理的某用戶(hù)康明斯發(fā)電機組的排氣管冒黑煙故障診斷案例。

      某用戶(hù)裝配康明斯6BT5.9型柴油機的發(fā)電機組，剛啟動(dòng)時(shí)，排氣管黑煙滾滾，在柴油機正常運轉后，還繼續冒黑煙，甚至還愈加明顯。同時(shí)伴隨功率嚴重下降的現象。通常排氣管排濃黑煙霧的現象有兩種：一種是連續排黑煙，另一種是斷續排黑煙，且發(fā)動(dòng)機抖震。

 

圖1  6BT5.9-G2康明斯發(fā)電機組

圖2  柴油發(fā)電機冒黑煙現象

 

 

二、故障機理與分析

 

      該柴油機是帶廢氣渦輪的增壓型柴油機，在剛啟動(dòng)時(shí)冒黑煙，有可能是增壓器缺少排氣能量驅動(dòng)，造成氣缸內新鮮空氣嚴重缺少，燃氣比不符合要求所致。但是，機組運轉正常后仍冒黑煙，則說(shuō)明機器必然出現了故障。

      柴油機燃燒所用的柴油是一種包含多種碳氫化合物的混合物。在實(shí)際工作過(guò)程中，柴油機排氣顏色受到氣缸內氧氣濃度、燃燒溫度、柴油質(zhì)量、油氣混合比重等諸多因素影響。這些因素最終導致燃油的燃燒出現完全燃燒與不完全燃燒兩種情況。在燃油完全燃燒時(shí)，其過(guò)程見(jiàn)公式（1），燃燒產(chǎn)物只有二氧化碳和水蒸汽，排氣顏色為無(wú)色或淡灰色。但在燃油不完全燃燒時(shí)，還有一部分柴油在高溫、極度缺氧環(huán)境中易分解、聚合形成炭煙，如公式（2），這些碳煙排出氣缸，就會(huì )出現冒黑煙現象。

C_mH_n+O2→CO₂+H₂O.............（公式1）

C_mH_n+O2→CO₂+H₂O+C+CO+C_xH_y.............（公式2）

1、柴油機的有害排放物

      柴油機的主要排放物包括：微粒、氮氧化合物、一氧化碳、碳氫化合物。燃燒過(guò)程演示如圖3所示，柴油機特性曲線(xiàn)如圖4所示。

（1）微粒

      微粒是指溫度在52℃以上時(shí)，排氣中除水以外的固態(tài)和液態(tài)物質(zhì)，柴油機廢氣中的微粒主要由碳微粒（碳煙粒子）和吸附與凝聚其上的碳氫化合物組成。碳煙粒子主要是在高溫、極度缺氧的條件下生成的，當過(guò)量空氣系數減小到一定程度后，微粒的排放量隨過(guò)量空氣系數的下降而較快的增長(cháng)。

（2）氮氧化物

      氮氧化合物主要是在高溫富氧、相對由較充裕反應時(shí)間的條件下生成的。柴油機廢氣中NOx與汽油機的有所不同，其中NO2占5%～15%。直噴式燃燒室排放NOx高于分隔式燃燒室。

（3）一氧化碳

      CO是不完全燃燒的產(chǎn)物，由于柴油機的過(guò)量空氣系數較大，產(chǎn)生的CO又有可能有足夠的空氣在膨脹過(guò)程中氧化為CO2，因此柴油機廢氣中的CO含量很低，僅在接近全負荷附近，即過(guò)量空氣系數過(guò)小時(shí)，CO的排放量才有所上升。

（4）碳氫化合物

      柴油機廢氣中HC主要是在混合氣過(guò)稀的情況下產(chǎn)生的。特別是在低負荷時(shí)過(guò)量空氣系數過(guò)大，由于溫度過(guò)低，反應不能及時(shí)進(jìn)行，從而使HC的排放量有所增大。

2、排氣的黑煙、白煙與藍煙

（1）黑煙

      主要在柴油機大負荷和加載時(shí)產(chǎn)生，主要因為燃燒室內缺氧，燃燒不充分而產(chǎn)生的。

（2）白煙與藍煙

      白煙與藍煙是柴油機冷起動(dòng)后怠速或低負荷下暖機過(guò)程中產(chǎn)生，由于燃燒室內工質(zhì)溫度低，燃油不能完全蒸發(fā)燃燒，未燃燒或部分氧化的燃油以液態(tài)微粒的形式隨廢氣排出，冷凝形成白煙與藍煙，白煙與藍煙主要區別是白煙的微粒直徑較大。

 

圖3  柴油機燃燒過(guò)程演示圖

圖4  柴油發(fā)動(dòng)機特性曲線(xiàn)場(chǎng)（虛線(xiàn)為全負荷特性）

 

三、故障的診斷與排除

 

1、故障的診斷

      柴油機冒黑煙，主要是因為燃燒不完全，或者是進(jìn)氣不足，或者就是供油過(guò)多。因此其故障可歸納為以下兩類(lèi)：一是氣路故障，一是油路故障。

（1）氣路故障

① 進(jìn)氣系統漏氣如果進(jìn)氣管損壞，或者連接軟管開(kāi)裂，或是緊固長(cháng)箍松脫都會(huì )使進(jìn)氣泄露，進(jìn)入氣缸的空氣量減少，柴油燃燒不完全會(huì )使排氣冒黑煙。

② 空氣濾清器堵塞康明斯B系列柴油機空氣濾清器采用二級干式空氣濾清器（帶安全濾芯），如圖2。濾清器長(cháng)時(shí)間工作后，濾芯上不可避免堆積大量灰塵雜質(zhì)，阻礙空氣流通，同時(shí)金屬板網(wǎng)上的機油也會(huì )出現老化板結，堵塞網(wǎng)眼，也會(huì )造成進(jìn)氣阻力增大，最終使得氣缸內新鮮空氣量不足。

（2）油路故障

① 柴油牌號不對十六烷值過(guò)高的柴油在高溫下會(huì )裂解出游離碳，使得柴油不能及時(shí)得到充分的燃燒，造成排氣冒黑煙。

② 供油時(shí)間不準供油過(guò)早，缸內溫度壓力低，部分燃油燃燒不完全形成炭粒，隨排氣排出排氣管，使得排氣呈黑色；供油過(guò)遲，部分柴油會(huì )在排氣管中燃燒，燃燒同樣不完全冒黑煙。

③ 燃油霧化不良若噴油器噴油壓力過(guò)低，或針閥偶件磨損等，都會(huì )使噴油器霧化不良，柴油和空氣無(wú)法充分混合，引起排氣冒黑煙。

④ 燃油回油油路受阻因油管的變形，或雜質(zhì)堵塞都會(huì )使回油油路受阻，回油不通暢，影響噴油器的噴射性能，出現二次噴射或者滴油現象，使得排氣冒黑煙。

2、故障診斷原則

      按照“由表至里，從簡(jiǎn)到繁”的故障診斷原則，逐項排查。

① 檢查進(jìn)氣系統的密封經(jīng)檢查發(fā)現進(jìn)氣管和連接軟管完好，緊固長(cháng)箍并無(wú)松脫，進(jìn)氣系統密封良好。

② 檢查清洗空氣濾清器使用不超過(guò)689kPa的壓縮空氣從濾芯里面向外吹，清洗完后檢查濾芯完好，裝回柴油機，啟動(dòng)發(fā)現依舊冒黑煙。

③ 檢查柴油因該柴油發(fā)電機組并非獨立油箱供油，而是和其他多臺機組一起由一外置大油柜統一供油，其他機組運行正常，說(shuō)明柴油沒(méi)有問(wèn)題。

④ 檢查調整供油提前角由于柴油機長(cháng)時(shí)間運行，噴油泵聯(lián)軸器上主動(dòng)凸輪盤(pán)和主動(dòng)凸緣盤(pán)上的鎖緊螺釘會(huì )發(fā)生松動(dòng)，使得供油提前角發(fā)生變化。但是，6BT5.9康明斯柴油機沒(méi)有聯(lián)軸器，而是由定時(shí)齒輪直接控制，所以一般不調整供油提前角。

⑤ 檢查回油油路更換新的回油油管，故障依然存在。

⑥ 檢查噴油器的質(zhì)量拆卸各缸的噴油器進(jìn)行逐一檢查，并在噴油器試驗儀上進(jìn)行調試校驗（如圖4），結果發(fā)現，第1、2、3、5、6缸的噴油器噴射壓力均能達到技術(shù)規范（24.5~25.3 MPa），且霧化良好，但是第4缸的噴油壓力只有12.0 MPa，如圖所示，明顯低于標準值。6BT5.9康明斯柴油機所用的是一種低慣量孔式噴油器（如圖5），其噴油壓力的調整，由改變氣調整墊片的厚度來(lái)實(shí)現。選用更厚點(diǎn)的墊片放入4缸噴油器后使得噴油壓力恢復了正常，且霧化良好。把所有校驗好的噴油器裝回機器，開(kāi)機運行，發(fā)現柴油機排氣恢復正常，故障被排除。

3、故障診斷步驟

      發(fā)動(dòng)機動(dòng)力不足且連續排黑煙，是發(fā)動(dòng)機大多數缸或所有的缸均供油量過(guò)多，燃油與空氣混合比例失調，燃燒時(shí)嚴重缺氧，柴油燃燒不完全，懸浮游離狀的碳元素隨廢氣一同排出而形成的。若排氣管是斷續排黑煙，且伴有“突突”聲，說(shuō)明個(gè)別缸燃燒不完全。

（1）根據上述故障現象分析，初步懷疑為某缸噴油器有故障。當采用斷缸法檢查時(shí)，發(fā)現第4缸高壓油管接頭緊固螺母擰松后，柴油發(fā)電機工作狀況發(fā)生了變化，排氣管冒黑煙的現象消除，說(shuō)明4缸有問(wèn)題。

（2）仔細觀(guān)察，該缸高壓油管口沒(méi)有氣體排出，初步判斷噴油器針閥卡在開(kāi)啟位置。將該缸噴油器總成拆下并清洗后在噴油器試驗臺上進(jìn)行測試，結果發(fā)現噴油器霧化不良，燃油呈線(xiàn)狀流出，壓力表上無(wú)噴油壓力顯示。

（3）拆下噴油器進(jìn)行檢查，針閥在閥體內活動(dòng)自如，沒(méi)有卡滯現象，懷疑可能是因針閥偶件磨損嚴重而引起此故障。換用一只新噴油器，裝好后在噴油器試驗臺上進(jìn)行試驗，結果故障依舊。

（4）又懷疑到噴油器調壓彈簧力不夠，以致無(wú)噴油壓力。在噴油器內加上了厚度為0.5mm的墊圈，以增加調壓彈簧的預緊力，結果故障現象仍未消失。

（5）進(jìn)一步分析認為，故障原因應該是該缸噴油器有故障。經(jīng)過(guò)上述檢修都沒(méi)有故障，說(shuō)明可能是噴油器總成內沒(méi)有檢查到的其他機件存在問(wèn)題。

（6）進(jìn)一步檢查噴油器發(fā)現，噴油器針閥上的頂桿凹坑嚴重磨損。查維修手冊，該凹坑深度應為1.5mm，測量發(fā)現其實(shí)際值為3.2mm。換一個(gè)新的噴油器后試車(chē)，故障消除。

 

總結：

      排氣冒黑煙是柴油機常見(jiàn)的故障之一，為了減少此類(lèi)故障的發(fā)生率，提高機組運行的可靠性，作為操作人員應該做到以下幾點(diǎn)：首先，定期檢查更換空氣濾清器濾芯，確保充分的空氣進(jìn)入柴油機氣缸。其次，在機組運行過(guò)程中，經(jīng)常檢查柴油機的技術(shù)參數，做到勤看、勤嗅、勤摸、勤聽(tīng)。最后，遇到柴油機的冒黑煙的故障時(shí)，要耐心分析故障原因，仔細按照“由表至里，從簡(jiǎn)到繁”的原則，逐項排查。

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