故障檢查與技術(shù)維護

康明斯柴油發(fā)電機冒黑煙的原因分析與解決措施

 

摘要：柴油發(fā)電機組排氣時(shí)冒黑煙現象的存在，會(huì )造成燃料浪費和大氣污染，同時(shí)會(huì )對柴油機各系統產(chǎn)生不良影響，降低康明斯發(fā)電機組的使用效率。柴油機排氣時(shí)冒黑煙是一個(gè)綜合問(wèn)題，可由進(jìn)氣系統故障、壓縮壓力問(wèn)題、功率超載等造成。應首先從進(jìn)氣系統的空氣濾清器、增壓器、中冷器展開(kāi)技術(shù)分析，其次從影響壓縮壓力的壓縮比調整墊、活塞環(huán)、氣缸套、氣門(mén)等幾個(gè)方面加以分析；再次從造成功率超載的聯(lián)合調節器、可調電阻等角度進(jìn)行探討。因此，康明斯公司通過(guò)對柴油發(fā)電機組排氣時(shí)冒黑煙現象的技術(shù)分析與處理，解決了在進(jìn)氣系統、壓縮壓力、功率調節方面存在的問(wèn)題。

 

一、排氣冒黑煙現象原因的分析

 

1、進(jìn)氣系統發(fā)生故障而引起的

      康明斯系列柴油發(fā)電機組進(jìn)氣系統由空氣濾清器、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。

      當空氣濾清器被灰塵堵塞導致氣流通行不暢時(shí)，會(huì )使進(jìn)入柴油機各氣缸內參與燃燒的空氣量減少。在一般情況下，當柴油機轉速達到1000r/min，在柴油機氣缸內燃料爆發(fā)前，燃燒室應充滿(mǎn)體積為0.0029m³、壓強值約在280.33 kPa的壓縮空氣。當經(jīng)由空氣濾清器實(shí)際提供的空氣量下降幅度很大時(shí)，就會(huì )使后續步驟可提供的壓縮空氣量下降，從而導致柴油機柴油機出現排氣冒黑煙的現象。

（2）增壓器方面原因。

      作為進(jìn)氣系統的增壓機構，以ZN250C為例，當轉速達到2500r/min時(shí)，一般進(jìn)口壓力為95kPa，而出口壓力為250kPa，增壓倍數為2.63，原理如圖1所示。當增壓器出現油封漏油或轉子彎曲時(shí)，會(huì )導致增壓效果下降，造成進(jìn)入氣缸內空氣質(zhì)量下降且數量減少，導致柴油機柴油機出現嚴重冒黑煙。

（3）中冷器方面原因。

      中冷器結構如圖2所示。作為壓縮空氣進(jìn)入柴油機氣缸前的冷卻機構，中冷器起著(zhù)降低溫度并增加氣缸進(jìn)氣量的作用，如果中冷器水腔結垢及氣腔有污物時(shí)，會(huì )導致進(jìn)入氣缸內的氣量減少，從而也會(huì )引起柴油機柴油機冒黑煙現象出現。

2、各缸壓縮壓力降低而引起的

      造成柴油機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(lái)。這個(gè)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)、缸套內壁各自的不規則磨損變化。在一般情況下，缸套內徑的圓度應保持在0.005mm范圍內，而圓柱度應保持在0.015mm；活塞環(huán)應無(wú)變形和磨損。當此條件無(wú)法達到時(shí)，會(huì )降低壓縮壓力，也會(huì )引起燃燒惡化。

（3）氣門(mén)關(guān)閉不嚴。此現象由氣門(mén)間隙發(fā)生變化、氣門(mén)座脫落、氣閥機構彈簧彈力不足等原因引起，也會(huì )導致柴油機柴油機排氣時(shí)冒黑煙。

3、由柴油機超載而引起的

      在發(fā)電機組進(jìn)行水阻試驗時(shí)，各轉速下功率范圍是固定的。當聯(lián)合調節器出現故障或CF勵磁調整管電阻、油壓馬達工作調整管電阻、勵磁調整管電阻的阻值發(fā)生變化時(shí)，就有可能使各轉速下的功率值向增大方向轉變，從而導致柴油機超載而冒黑煙。

（1）聯(lián)合調節器方面原因。

       動(dòng)力活塞向增大方向持續變化時(shí)，會(huì )使柴油機出現超載冒黑煙現象；另外，功調電阻卡在較小阻值位置時(shí)，也會(huì )導致排氣冒黑煙的情況。

（2）CF勵磁調整管電阻、勵磁調整管電阻方面原因。

      勵磁調整管電阻的阻值一般在20Ω±2Ω，當它降到18Ω以下時(shí)，由于勵磁機勵磁電流過(guò)大，就會(huì )出現主發(fā)電機功率過(guò)大并導致柴油機超載冒黑煙；CF勵磁調整管電阻的阻值一般在400Ω左右，當其阻值過(guò)分降低，會(huì )引起測速發(fā)電機勵磁電流過(guò)大，從而也會(huì )導致主發(fā)電機功率過(guò)大和柴油機冒黑煙。

（3）勵磁調節器方面原因。

      康明斯系列柴油發(fā)電機組轉速為800r/min以下的功率調節，是依靠勵磁調節器來(lái)實(shí)現的，而且柴油機轉速為800~1000r/min范圍內，勵磁調節器也協(xié)助油馬達共同完成勵磁。但當勵磁調節器出現故障時(shí)，柴油機在個(gè)別轉速下超載冒黑煙的情況就有可能出現。

 

圖1  柴油機增壓器工作原理圖

圖2  柴油機中冷器結構示意圖

 

二、解決排氣冒黑煙的系統性措施

 

1、柴油機空氣消耗量與進(jìn)氣密度校驗

（1）柴油機空氣消耗量估算

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為柴油機單缸功率，kW；g_e為柴油機燃油消耗率，（g.kW^-1·h^-1）；α為過(guò)量空氣系數，α=2.1；η_s為掃氣系數，η_s=1.02；L₀ 為空燃比，L₀ =14.3。

      按110%負荷要求，將N_e=165kW和g_e=203（g·kW^-1.h^-1）等數據代入式（1），得G_e=0.2878（kg.s^-1）。又由柴油機轉速1000（r/min^-1）和沖程數求得每工作循環(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為標準大氣壓，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 ℃。

      將數據代入式（2），算得ρ’=3.3（kg·m^-3）。

（3）對進(jìn)氣系統進(jìn)行調整

① 空氣濾清器的調整

      檢修時(shí)在空氣濾清器拆下來(lái)后，發(fā)現濾膜上灰塵很多，應采取更換濾清器的辦法來(lái)解決。

② 增壓器的調整

      增壓器檢修后應達到的技術(shù)標準見(jiàn)表1。

表1    增壓器檢修后應達到的技術(shù)標準

③ 中冷器的調整

      中冷器解體后，在氣腔的冷卻片上，發(fā)現有許多污物，應采取高溫清洗等辦法處理清潔。

2、柴油機各缸壓縮壓力的修正

（1）壓縮間隙調整方面，應以16.2~16.3mm標準值進(jìn)行調整，壓縮比調整墊有損壞或尺寸超差的應全部更換。

（2）氣缸應測尺檢定，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)應全部更換。

（3）對所有氣門(mén)座及彈簧進(jìn)行檢查確認，所有氣門(mén)都需進(jìn)行研磨，氣門(mén)冷態(tài)間隙應按進(jìn)氣0.4mm、排氣0.5mm進(jìn)行調整。

4、 配氣相位優(yōu)化設計

      合理的配氣相位可以最大限度地提高柴油機的進(jìn)排氣效率和進(jìn)排氣質(zhì)量，對柴油機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性和排放產(chǎn)生直接影響。最佳配氣相位隨轉速與負荷的改變而變化。采用BMEP CONTROL模塊控制模型的噴油量，分別設定柴油機工作轉速為450(r/min^-1)和1500(r/min^-1)，并使之達到規定的輸出功率值；再根據配氣相位的相互影響，通過(guò)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(jiàn)表2。

 表2    配氣相位優(yōu)化設計值

5、氣門(mén)升程優(yōu)化設計

      氣門(mén)升程直接影響柴油機的換氣性能，從而對柴油機的動(dòng)力、經(jīng)濟和排放性能產(chǎn)生重要影響。而最佳的升程隨著(zhù)轉速與負荷的改變而變化。針對柴油機工況，通過(guò)對氣門(mén)升程進(jìn)行優(yōu)化，在提高柴油機低工作轉速時(shí)的扭矩輸出能力的同時(shí)，適當兼顧高轉速工況時(shí)的動(dòng)力性和經(jīng)濟性的需求。柴油機工作段的氣門(mén)升程、缸壓及進(jìn)氣壓力曲線(xiàn)如圖4所示。

6、對功率重新整定

      聯(lián)合調節器進(jìn)行清洗，同時(shí)在水阻試驗臺上對動(dòng)力活塞位置和懸掛點(diǎn)進(jìn)行調整，功調電阻也要進(jìn)行檢測。測量勵磁調整管電阻并根據測速發(fā)電機的勵磁電流對CF勵磁調整管電阻、油壓馬達工作調整管電阻進(jìn)行調整。

      對優(yōu)化前后的凸輪軸方案進(jìn)行柴油機性能對比試驗(外特性+極限負荷試驗)，測功數據見(jiàn)圖5、圖6。經(jīng)比較可以看出：優(yōu)化后凸輪軸在低轉速工況的輸出能力明顯優(yōu)于優(yōu)化前，高轉速工況未見(jiàn)明顯惡化。柴油機突加負荷能力提升20%。

 

圖3  柴油機氣門(mén)時(shí)面值圖	圖4  柴油機工作段的氣門(mén)升程、缸壓及進(jìn)氣壓力
圖5  柴油發(fā)電機優(yōu)化前測功圖	圖6  柴油發(fā)電機優(yōu)化后測功圖

 

總結：

      柴油發(fā)電機黑煙是燃燒不充分的表現，能看見(jiàn)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(huì )產(chǎn)生一氧化碳的，會(huì )對空氣造成污染，一氧化碳會(huì )使人中毒。通過(guò)上述對康明斯系列發(fā)電機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，柴油機冒黑煙問(wèn)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)和結構進(jìn)行具體分析，找出問(wèn)題原因，采取相應防范措施，才能保證設備安全運行。

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