故障檢查與技術(shù)維護

柴油發(fā)電機“積碳”的形成、影響及清除手段

 

摘要：積碳容易引起柴油機發(fā)抖、冷啟動(dòng)困難、帶載無(wú)力、燃油油耗高、機油消耗量大、尾氣排放超標。積碳嚴重時(shí)，可能引起氣門(mén)燒蝕、活塞燒頂、粘氣門(mén)、早燃、爆燃、拉缸等故障，甚至導致柴油發(fā)電機報廢。柴油發(fā)電機組積碳故障是由好多原因造成的，如果發(fā)現后仍然不去處理，慢慢的都會(huì )成大問(wèn)題的。因此，康明斯公司在本文中論述了柴油發(fā)電機在使用過(guò)程中積碳的生成機理，并詳細介紹了積碳對柴油機的影響、防治積碳的注意事項及清除積碳的方法。

 

一、積碳的生成機理與預防措施

 

1、積碳的形成

      積碳產(chǎn)生的原因比較復雜，與柴油發(fā)電機的結構以及使用燃料和潤滑油的種類(lèi)、所處工作條件及工況等密切相關(guān)。目前國內由于試驗設備條件的限制，對其生成機理并未形成很完善的系統理論。目前為人們所普遍接受的一種觀(guān)點(diǎn)是：積碳是燃料及潤滑油在高溫氧化作用下的產(chǎn)物。在燃燒室中，氧氣供應不足，燃料和竄入燃燒室的潤滑油料不能完全燃燒，而產(chǎn)生油煙和焦油微粒，它們和潤滑油混合在一起后，進(jìn)一步氧化成為稠性膠狀液體——羥基酸（如圖1所示）。羥基酸又進(jìn)一步氧化變成一種半流體樹(shù)脂狀膠質(zhì)，牢固地粘附在零件上，并在高溫的不斷作用下，膠質(zhì)又聚合成更復雜的聚合物——硬質(zhì)膠結碳，即成了積碳（如圖2所示）。積碳的組成成分有潤滑油、羥基酸、瀝青質(zhì)、油膠質(zhì)、碳青質(zhì)、硫酸鹽、硅化合物等，并且柴油發(fā)電機溫度越高，形成的積碳也越硬越緊密，與金屬粘結越牢固。

2、減少積碳的措施

      柴油發(fā)電機在工作過(guò)程中，積碳不可避免的要生成，應根據其生成機理及日常使用經(jīng)驗，采取措施，控制積碳的生成。具體方法是：

（1）合理調整柴油發(fā)電機，使柴油發(fā)電機燃料系統處于良好的工作狀態(tài)。

（2）及時(shí)清理水套水垢，防止冷卻水溫及潤滑油溫過(guò)高。

（3）按規定牌號使用燃油及潤滑油。

（4）作好保修工作，如柴油發(fā)電機“三濾”的保養、潤滑油的檢查與更換、燃燒室積碳的清除以及活塞環(huán)的適時(shí)更換等。

（5）正確使用柴油發(fā)電機，防過(guò)冷、過(guò)熱、大負荷長(cháng)時(shí)間工作。

 

圖1  柴油機燃燒不完全構成稠性膠狀液體殘留物

圖2  柴油機氣缸積碳形成示意圖

 

二、產(chǎn)生積碳具體原因

 

            柴油發(fā)電機積碳多的原因是柴油品質(zhì)差，含有雜質(zhì)；柴油發(fā)電機內的潤滑油使用時(shí)間過(guò)長(cháng)，膠狀物含量高；活塞環(huán)松曠、開(kāi)口過(guò)大、氣門(mén)導管與氣門(mén)桿之間的間隙過(guò)大，導致機油竄入燃燒室內燃燒；點(diǎn)火正時(shí)過(guò)早或過(guò)遲，噴油泵供油量過(guò)大；柴油發(fā)電機長(cháng)時(shí)間低溫運轉或氣缸密封件磨損、損壞，使燃油燃燒不完全；噴油器壓力過(guò)低，霧化不良，有滴油、漏油現象；柴油發(fā)電機長(cháng)時(shí)間超負荷作業(yè)。產(chǎn)生積碳具體原因如下：

1、噴油器工作不正常

      如霧化不良、噴油壓力過(guò)高或過(guò)低及噴油時(shí)間過(guò)早或過(guò)遲、噴油過(guò)多等，均會(huì )使進(jìn)入汽缸的燃料燃燒不充分，形成積碳。其原因主要是：

（1）噴油器霧化不良

      噴入汽缸內的柴油要求均一、細微、均勻，否則就不能充分燃燒，排氣管冒黑煙，缸內容易形成積碳。解決的辦法為：檢查、調整噴油器噴針開(kāi)啟壓力，必要時(shí)更換噴油器偶件。

（2）噴油壓力過(guò)高或過(guò)低

      這都會(huì )使噴入缸內的柴油來(lái)不及充分燃燒或不能完全燃燒。解決的辦法為檢查、調整噴油器噴針開(kāi)啟壓力，必要時(shí)更換噴油器偶件。

（3）噴油過(guò)多

      一般是由于高壓泵及操作裝置調整不當或因故障所至。解決的辦法是校正高壓柴油泵，檢查調整高壓泵操作裝置。

（4）供油錯時(shí)

      所謂供油錯時(shí)，指的是供油時(shí)刻所對應的曲軸轉角產(chǎn)生了變化，即供油過(guò)晚或過(guò)早。這都會(huì )使噴入缸內的柴油不能完全燃燒，容易形成積碳。使用中應定期檢查調整供油提前角。

2、油質(zhì)差或用錯牌號

      柴油與機油質(zhì)量差或牌號不對，影響柴油在缸內的充分燃燒，容易形成碳渣。

      燃油在貯存、運輸過(guò)程中，容易發(fā)生氧化反應，生成膠狀物質(zhì)。這些膠狀物質(zhì)按柴油的溶解性可分為：可溶膠質(zhì)和不可溶膠質(zhì)。不可溶膠質(zhì)又稱(chēng)為沉積物，它和燃油一起加入油箱后，就會(huì )粘附在燃油濾清器上，堵塞過(guò)濾介質(zhì)，使供油量減少，輸油量不足，燃油霧化不良，致使可燃混合氣變稀，柴油發(fā)電機動(dòng)力性和經(jīng)濟性下降。

      可溶膠質(zhì)進(jìn)入燃燒室和柴油一起燃燒后，就會(huì )在活塞頂部、活塞環(huán)槽、燃燒室等部位形成許多堅硬的積碳，如圖3所示。而且會(huì )造成氣門(mén)關(guān)閉不嚴，柴油發(fā)電機性能下降，如加速不順，怠速不穩，失速、抖動(dòng)、爆震等一系統列故障。

3、長(cháng)時(shí)間超負荷運行

      柴油機長(cháng)時(shí)間超負荷運轉，溫度過(guò)高，著(zhù)火過(guò)早，使噴入缸內的柴油過(guò)多來(lái)不及燃燒，形成積碳。當柴油機的負荷超過(guò)額定功率后，工作十分吃力，聲音也變得沉重，同時(shí)排氣管冒黑煙，轉速相應下降。負荷過(guò)重時(shí)，柴油機還會(huì )有一種被迫要熄火的趨勢。

（1）如果是短時(shí)間超負荷，燃油泵可在調速器作用下，自然增加供油量，來(lái)使柴油機提高扭矩，克服外界過(guò)大的阻力，并繼續維持運轉狀態(tài)。不過(guò)，由于此時(shí)進(jìn)入缸內的柴油太多，而轉速下降又導致空氣供給量的銳減，因而柴油機工作粗暴，震動(dòng)加劇。

（2）如果是長(cháng)時(shí)間超負荷，柴油機粗暴的工作狀況必然加劇機件的磨損，有時(shí)還會(huì )因曲軸連桿機構或配氣機構的主要零件損壞而引起大事故的發(fā)生。缸內來(lái)不及充分燃燒的柴油，一部分則形成積碳，并造成柴油機功率降低、油耗上升的不良后果。

      因此，當柴油機超負荷工作時(shí)，應盡快減輕負荷，以恢復其正常的運轉狀態(tài)。技術(shù)狀況良好的柴油機，在額定功率下運轉時(shí)，排煙應是無(wú)色或淡色的，此時(shí)機械聲輕快柔和，耗油省，工效高，作業(yè)成本也最低。

4、竄機油嚴重

      如果機油竄入燃燒室，也會(huì )增加缸內的積碳。因此，當活塞環(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)高時(shí)，都應予以更換、檢修和調整。

（1）活塞環(huán)磨損

      當活塞環(huán)開(kāi)口間隙超過(guò)允許尺寸后，活塞在壓縮時(shí)嚴重漏氣，缸內壓縮力明顯下降，噴人的柴油就不能充分燃燒，因而形成積碳。此時(shí)應更換活塞環(huán)，恢復汽缸的正常壓縮力。

（2）活塞與缸套磨損，長(cháng)時(shí)間低溫運轉

      此時(shí)，加速氣缸套磨損有兩個(gè)原因：一是由于低溫而造成燃燒不良，積碳從汽缸套上部開(kāi)始整延，使汽缸套上部產(chǎn)生嚴重磨料磨損；另一原因則是電化學(xué)腐蝕作用，活塞與缸套的配合間隙因磨損而超過(guò)允許尺寸后，即使更換活塞環(huán)也不能恢復缸內應有的壓縮力。此時(shí)應更換缸套活塞組。

5、柴油發(fā)電機漏氣嚴重

      配氣機構漏氣嚴重會(huì )引起缸內空氣不足，燃料燃燒不充分，造成配氣機構表面形成積碳，如圖4所示。

6、操作或維護保養不正確

（1）在活塞頂部倒機油

      有些修理工在檢修柴油機時(shí)，總要在活塞頂部倒些機油，然后再裝缸蓋，以為這樣有利于缸套活塞的潤滑，實(shí)際是適得其反，柴油機運轉后只會(huì )增加缸內積碳。

（2）柴油發(fā)電機高負荷工作后，立即熄火。

      這種做法致使缸內燃料燃燒不充分，積聚在汽缸內，當再次發(fā)動(dòng)時(shí)，停留在缸內的燃料和噴入缸內的燃料混合，造成空氣稀少（氧氣少），形成積碳。

 

圖3  活塞表面積碳示例

圖4  柴油機配氣機構積碳示意圖

 

三、積碳對柴油發(fā)電機的影響

 

      柴油發(fā)電機的某些零件（如噴油嘴、節氣門(mén)、排氣門(mén)、燃燒室等部位，如圖5所示）在使用一段時(shí)間后，零件表面粘著(zhù)一層牢固的積炭。它具有密實(shí)、疏松、柔軟等形態(tài)，顏色從黑至灰白，形成部位的溫度約為200℃。積炭的產(chǎn)生是由于柴油及滲入氣缸中的機油燃燒不完全，而形成的一種復雜混合物。由于炭的導熱性較差，零件表面大量炭的聚積，將導致零件局部過(guò)熱，使其剛度、強度下降，嚴重時(shí)還會(huì )造成噴油嘴燒結、氣門(mén)燒蝕、活塞環(huán)卡死、拉缸等嚴重事故。同時(shí)，高溫顆粒的炭聚積在燃燒室內還會(huì )引起表面點(diǎn)火、造成功率下降（據有關(guān)實(shí)驗數據，功率下降2%~15%）以及燃燒室的容積減小，實(shí)際壓縮比增大，形成早燃和爆燃等不良現象。此外，積炭的大量聚積，還會(huì )污染潤滑系統，堵塞油路和濾清器，縮短柴油發(fā)電機的使用壽命，因此在修理時(shí)必須清除。積碳對柴油機影響如圖6所示。

1、積碳對各機件的影響

      對于柴油機，在噴油嘴處形成積碳極易堵塞噴孔，使燃油霧化不良，燃燒惡化。在氣門(mén)頭部形成積碳，減少了進(jìn)氣通道斷面，影響柴油發(fā)電機的充氣值。氣缸蓋部位有了積碳，會(huì )降低柴油發(fā)電機的冷卻效果，使柴油發(fā)電機的動(dòng)力性和經(jīng)濟性都大大降低。氣門(mén)及其座圖工作面上聚有積碳，會(huì )引起氣門(mén)關(guān)閉不嚴而漏氣，出現柴油發(fā)電機難啟動(dòng)、工作無(wú)力轉速快慢不均以及氣門(mén)易燒蝕等故障。氣門(mén)導管和氣門(mén)桿部積碳結膠，將加速氣門(mén)桿與氣門(mén)導管的磨損，甚至氣門(mén)桿在氣門(mén)導管內運動(dòng)發(fā)澀而卡死。沉積在柴油發(fā)電機進(jìn)氣門(mén)、進(jìn)氣道當中的積碳會(huì )破壞進(jìn)氣管內的光滑度，阻礙氣體的流動(dòng)性能，降低氣體的流動(dòng)速度，形成進(jìn)氣阻力。充氣量的降低會(huì )使進(jìn)入燃燒室的空氣大量減少，直接導致柴油發(fā)電機功率的下降?；钊h(huán)槽中的積炭會(huì )使活塞環(huán)失去彈性而卡死，一方面使活塞環(huán)密封性下降，引起燒機油現象進(jìn)而加劇了積炭的生成；另一方面也使活塞環(huán)的散熱作用減弱，使活塞可能會(huì )因高溫而燒熔。排氣門(mén)上的積炭可使氣門(mén)關(guān)閉不嚴，出現漏氣，柴油發(fā)電機功率下降，排氣管放炮；高溫顆粒積炭附著(zhù)在排氣門(mén)及氣門(mén)座上，加劇氣門(mén)漏氣。氣門(mén)漏氣，又使高溫燃氣沖刷氣門(mén)及氣門(mén)座，進(jìn)一步使氣門(mén)及氣門(mén)座燒蝕。

2、積碳對潤滑系統的影響

      由于柴油發(fā)電機機械振動(dòng)和熱應力，沉積的積碳會(huì )發(fā)生碎裂剝落現象，其中硬質(zhì)顆粒將成為外來(lái)磨料，引起柴油發(fā)電機內部各摩擦副之間的摩擦磨損，縮短了活塞、活塞環(huán)、氣缸套及曲軸軸承等部件的使用壽命。在柴油發(fā)電機工作過(guò)程中，潤滑油不斷被積碳粘污，使其加快變質(zhì)。進(jìn)入潤滑油中的積碳會(huì )堵塞油路和油孔，破壞潤滑系統的正常工作，嚴重時(shí)會(huì )發(fā)生燒瓦抱軸事故。

 

圖5  積碳易在柴油機上產(chǎn)生的部位

圖6  積碳對柴油機的影響

 

四、積碳的清除方法

 

      積碳的清除其實(shí)就是把日積月累附著(zhù)沉積在氣門(mén)、柴油發(fā)電機汽缸內的膠質(zhì)與積碳清洗掉，使柴油發(fā)電機“返老還童”。主要有兩種方法來(lái)清除——"免拆"和"解體"。使用燃油系統清洗保護劑來(lái)清洗柴油發(fā)電機相當簡(jiǎn)單。燃油添加清洗劑在柴油發(fā)電機工作時(shí)，被燃油泵隨同燃油一起吸入供油管路內。隨著(zhù)燃油的流動(dòng)，它不僅能清洗掉油箱內、油泵濾網(wǎng)上的膠質(zhì)和噴油嘴上的膠質(zhì)與積碳，還可以在柴油發(fā)電機正常工作時(shí)，自動(dòng)清洗掉氣門(mén)上和柴油發(fā)電機氣缸內的積碳。由于從油箱、燃油泵濾網(wǎng)以及燃油管道內清潔下來(lái)的膠質(zhì)會(huì )沉積在燃油濾清器內，所以“免拆”清洗后，必須及時(shí)更換燃油濾清器。由于清洗劑中的化學(xué)清洗成份對橡膠供油管路有一定腐蝕作用，使用該方法時(shí)，一定要注意使用周期與間隔時(shí)間，不然會(huì )加快燃油橡膠供油管路的老化和腐蝕。

      對于積碳嚴重的柴油發(fā)電機，經(jīng)“免拆清洗”后工作性能仍舊惡劣，而問(wèn)題又是由氣門(mén)和缸內積碳太多引起時(shí)，那就不得不采用“拆解”的方法來(lái)解決了。氣門(mén)積碳的清洗較為簡(jiǎn)單，在拆下進(jìn)氣管后，用手工或采用清潔藥物浸泡即可清除。至于缸內積碳的清潔，則必須“大動(dòng)干戈”。由于柴油發(fā)電機拆卸重新裝配后，其動(dòng)力和密封性能會(huì )遜色于原裝，所以一般情況下，清潔氣缸內的積碳不宜進(jìn)行。在萬(wàn)不得已時(shí)，也必須到正規的維修廠(chǎng)進(jìn)行，否則性能將大打折扣。具體方法有以下幾種：

1、機械刮除法

      機械法是采用鋼絲刷、刮刀、竹片或砂布打磨等清除積炭的方法，可按照零件清洗部位的形狀做成專(zhuān)用刷子和刮刀。以清除氣缸套上端積碳為例，如圖7所示。具體步驟如下：

（1）首先用用刮刀或類(lèi)似的鈍邊工具松動(dòng)積碳。如圖8所示，以用研磨尼龍墊（如 Scotch-Brite ™ 7448）和溶劑去除殘留的積碳。積碳必須清除掉，但不必使表面看上去光潔如新。

（2）清除積碳的另一方法是使用安裝在電鉆上的優(yōu)質(zhì)鋼絲輪刷。在活塞環(huán)行程區域不要使用鋼絲輪，按圓周方向移動(dòng)鋼絲輪清除積碳。 不要使用劣質(zhì)的鋼絲輪刷，因為在操作中鋼絲會(huì )掉落，造成附加的污染。

2、化學(xué)法

       目前多被一些大的柴油發(fā)電機組保修廠(chǎng)點(diǎn)使用?；瘜W(xué)法除碳是用退碳劑將零件上的積碳軟化，軟化后的積碳很容易除去。退碳劑與積碳接觸后，積碳層表面形成吸附層，退碳分子與積碳分子極性基的相互作用會(huì )使退碳劑分子逐漸向積碳層內部擴散，并能在積碳網(wǎng)狀分子的極性基間生成聚合，使網(wǎng)狀分子之間極性力減弱，破壞網(wǎng)狀聚合物的有序排列，使聚合物的排列逐漸變松。退碳劑通常有下列配方：

（1）配方一（適合于鋼、Fe、Al件）:

      退碳劑60%（成分為：醋醇乙脂7.5%，丙酮2.5%，乙醇20%，苯68%、石蠟2%）；氨水30%；乙醇10%。使用方法：室溫下浸泡2~3h。

（2）配方二（適合于鋼、Fe、Al件）:

     煤油22%；氨水15%；汽油8%；苯酚30%；油酸8%；松節油17%。使用方法：常溫下浸泡2h。

（3）配方三（適用于鋼鐵件）:

      苛性鈉（濃度為20%）79%；水玻璃5%、磷酸三鈉（濃度為20%）15%；軟肥皂1%。使用方法：加熱至90-100℃，浸泡2~3h。

       上述退碳劑都是在對柴油發(fā)電機進(jìn)行解體之后才能使用。目前，對柴油發(fā)電機不解體即能除碳的退碳劑已經(jīng)面世，這些退碳劑從供油系統進(jìn)入，使柴油發(fā)電機在無(wú)負荷而連續加速的情況下運轉一段時(shí)間，即可清除積碳。使用這些退碳劑除去積碳后，應及時(shí)更換柴油發(fā)電機潤滑油。

3、噴射核屑法

      噴核法是利用高速氣流將粉碎后的核桃、桃、杏的核殼顆粒噴向零件表面以去除積炭的方法。此法除積炭的效率高、徹底干凈，但需要專(zhuān)用設備形成高速氣流，相對成本比較高，因此也不宜廣泛采用。其步驟是將桃、李、杏、核桃等果仁干燥壓碎，經(jīng)篩選按大小分類(lèi)作噴料，使用400～500kPa壓縮空氣，將其噴射到零件表面。由于噴射物比金屬軟，本身又易粉碎，故不會(huì )損傷零件表面，此法效率很高，清除一個(gè)缸蓋上的積碳只需10min左右。

4、液體噴砂法

       以液體和石英砂的混合物作為噴射物，用壓縮空氣將其送到噴嘴，向零件噴射。噴射軟的有色金屬零件時(shí)，砂含量為15%～18%；噴射硬的有色金屬零件時(shí)，砂含量為18%-20%；噴射鋼件時(shí)，砂含量為20%~30%；噴鑄鐵件時(shí)，砂含量為30‰～45%，噴嘴與積碳距離為80～100mm，噴角為37°~40°，混合物壓力為180～500kPa，石英砂粒度不小于320目。

 

圖7  柴油機氣缸套積碳示意圖

圖8  用研磨尼龍墊清除氣缸套積

 

總結：

      柴油發(fā)電機積碳的形成，嚴重影響柴油發(fā)電機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性和使用壽命。正確使用和維護柴油發(fā)電機，可抑制但不能避免積炭的生成。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在柴油發(fā)電機本體材料使用上、輔助系統機件的性能上都將有很大的改善，必將研制出更好的預防和清除積碳的方法。

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