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故障检查与技术维护

柴油发电机积碳多的原因、易出现部位和处理法

 

摘要：所谓柴油机积碳实际上是柴油和窜入燃烧室的机油不完全燃烧的产物，在柴油机活塞的顶部、燃烧室壁和气门周围产生积炭是较为常见的现象。本文简要介绍了柴油机积碳的形成机理，从柴油和机油油品，保养不及时，操作不当等几个方面对积碳形成进行分析，说明了积碳对柴油发电机的危害，通过制定减少积碳的预防措施，抑制柴油机积碳的形成取得了良好的效果。

 

一、积碳形成原理

 

      柴油机运转一段时间后，汽缸盖、缸套、活塞、活塞环、气门、喷油器等零件以及燃烧室表面会黏着一层积碳，它是柴油机运转中燃料和润滑油高温氧化作用的产物。在柴油机运转中，燃烧室内因氧气供应不足，柴油和窜入的润滑油不能完全燃烧而产生油烟和焦油微粒，它们同润滑油混合在一起氧化成胶状液体——羟基酸，羟基酸进一步氧化成树脂状胶质物牢固地附着在机器零件上，在高温不断作用下，胶质物聚合成硬质胶结物，即积碳。积碳主要成分有润滑油、羟基酸、沥青质、油胶质、硫酸盐、硅化物等。柴油机温度越高，形成的积碳越硬越紧密，与金属粘结越牢固。

      在柴油发电机积碳生成机理中我们得知，积碳产生的温度在195-290℃之间，而在200℃的条件下，积碳的生成速度最快。所以当缸内局部温度达到200℃左右的时候，积碳就会疯狂形成。有人会说，柴油发电机的工作温度不是90℃左右吗，怎么会达到那么高？这里我们要明确90摄氏度指的是冷却液温度，而燃烧温度指的是柴油发电机缸内油气混合气燃烧时的温度，温度可是要远远高于90℃的。而当某些特定的部位的温度区间刚好在195-290℃之间时，多多少少就会有积碳在这些部位生成。柴油机行业对于积碳的定义是，柴油不完全燃烧产生的碳，其实更准确的说，这些不完全燃烧产生的碳在这个特定温度下，和缸壁的金属发生化学反应，这些炭（Carbon）十分牢固地粘在了缸壁上，这才产生了我们所说的积碳。

      大量的积炭会对柴油发电机组的性能是由一定的影响的，其最终的表现是使燃烧不良、传热恶化并降低喷油器工作的可靠性。

 

二、积碳容易出现的区域

 

1、进气歧管积碳

      很多用户都不太重视进气道的积碳，其实进气歧管的积碳也是影响很大的，部位如图1所示。积碳多了就会导致混合气体比列不均，从而造成进气量不足、油耗增加的情况，进气歧管积碳的积碳也大多是以一些油泥为主。

2、喷油嘴积碳

      喷油嘴积碳一般不会太严重，但是也会有，主要是一些柴油里面杂质过多引起的，原因是我们熄火后，发动机的温度依然还会很高，这个时候喷油嘴上残留的柴油就会挥发掉，但是一些劣质柴油剩下的杂质是无法挥发的，所以日积月累就形成了积碳。

3、进气阀积碳

      进气门背面是最容易形成积碳的，区域如图2所示。主要来源就是曲轴箱废气里的机油蒸汽，这些机油蒸汽在经过进气阀时其中的机油蒸汽会吸附在进气阀上。还有一部分来自柴油中的杂质和重质成分。这些机油颗粒和杂质粘在进气阀上在高温下逐渐碳化，形成坚硬的积碳。

 

图1  柴油机进气歧管积碳部位

图2  柴油机进气门积碳部位示意图

 

4、气缸套和缸体表面积碳

      气缸内外的积碳主要是来自与燃料的残留物，一般都是由于燃烧不充分、杂质过多、烧机油等情况造成的。

5、活塞顶部积碳

      活塞顶部积碳主要是混合气体不完全燃烧造成的，其积碳部位如图3所示。

6、活塞环积碳

      活塞环积碳是一种常见的问题，它发生的部位如图4所示。由于燃油和机油的不完全燃烧，会在活塞环上形成沉积物，这些沉积物最终硬化成积碳。

 

图3  活塞顶部积碳部位示意图

图4  活塞环积碳部位示意图

 

三、积碳形成原因分析

 

      柴油机积碳产生原因比较复杂，与柴油机结构、燃油和润滑油的种类、所处工作条件、工况等密切相关，以下从柴油机柴油和润滑油油品、操作、保养等方面进行分析。

1、柴油油品差

      柴油品质越差，含残碳值越高，越易诱发柴油机形成积碳。同时，油品较差的柴油中酸性物质和水分使喷油器早期磨损，导致其工作不正常，使燃烧室内柴油燃烧不充分而形成积碳;柴油中的杂质在柴油机工作时不能燃烧，虽然大部分被排出机外，但仍有少量残留物不断累积在喷油嘴喷孔、燃烧室、气门口及传感器表面形成附着，在高温氧化作用下形成积碳。

      根据柴油机工作环境和季节，选择柴油牌号不当，最低气温低于柴油凝固点时，柴油结蜡而堵塞柴油滤清器，导致燃油系统供油不畅，喷油器雾化不良而形成积碳。

2、喷油器工作不正常

      在柴油机运转过程中，喷油器向燃烧室内喷入均一、细微、均匀的柴油，当喷油器发生雾化不良、喷油压力过高或过低、喷油时间提前或延迟、喷油过多等某一故障时，使进入燃烧室内的柴油达不到要求而燃烧不充分或来不及燃烧而形成积碳。

3、机油粘度低或加注过多

      在柴油机运转过程中，机油除润滑运动件表面之外，还不断清洗、清洁运动件表面，在润滑系统循环过程中燃烧室内不可避免地进入少量机油，因机油品质差致使进入燃烧室内的机油不能完全燃烧而形成积碳。机油粘度低、加注过多均使进入燃烧室内的机油增多而形成积碳。

4、 柴油机窜机油

      当柴油机活塞环磨损、活塞与缸套间隙过大、气门与气门导管间隙超过允许尺寸或机油压力过大时，均使进入燃烧室内的机油量增多，不能充分燃烧而生成积碳。

5、 柴油机漏气

      当汽缸螺母松动、汽缸垫破损、喷油器与汽缸盖密封不良均导致汽缸漏气，造成汽缸内混合气体压力不足，难以产生高温使柴油完全燃烧而生成积碳;进、排气门漏气、配气相位不正确或气门堵塞，进入汽缸内的空气量减少造成柴油燃烧不完全而生成积碳。柴油机气门与气门座的配合部位磨损、烧蚀或粗糙等密封不良，气门间隙过小，气门积碳过多，气门在导管内上下往复运动发涩或卡滞、汽缸盖螺栓紧固力矩不一致等导致气门漏气。

6、气门间隙调整过小

      柴油发电机的气门间隙一般为0.2～0.3 mm，气门间隙调整过小，气门杆受热后膨胀会被摇臂经常顶开，使气门关闭不严，导致气门密封锥面严重积碳或烧损。气门与气门导管间隙过大，机油吸入燃烧室，严重时约占窜入燃烧室机油量的30%。

7、柴油机长时间超负荷运转

      燃油泵在调速器作用下增加供油量以提高柴油机输出扭矩，同时因外界阻力过大使柴油机转速下降，此时进入燃烧室内柴油增多，因转速下降进入空气量减少，汽缸内油气混合气体浓度增大，柴油不能充分燃烧而形成积碳。

 

四、积碳的解决方法及预防措施

 

1、加大负载清除积碳

      如果我们把柴油发电机积碳这个现象级事情，理解为一个动态过程的话，问题就会变得更加清晰。如果积碳的产生速度比积碳消失速度快，柴油发电机内部的积碳含量必将越来越多，多到一定程度的时候，就是时候做一次全面保养（缸内清洗）。如果积碳的消失速度大于产生速度，那么就完全不必担心积碳对柴油发电机寿命和工况的危害。尤其是搭载缸内直喷的柴油发电机，由于其燃油喷射方式的特殊性，使其缸壁更容易产生积碳。而行家口中所说的拉转速，是指在高负载高转速的条件下，柴油发电机由于快速做功，在短时间内产生大量热量，将缸内积碳烧掉，以达到清除积碳的目的。

      积碳自动脱落的原理是一旦温度低于195℃或高于290℃，这些碳不容易与金属发生粘连，因此会随着尾气排出柴油发电机。简短总结一下，温度在195-290℃之间，最容易产生积碳。而一旦碳和柴油发电机内部机件发生粘连，顽固的积碳就真真正正形成了。根据康明斯公司的柴油发电机机活塞积碳影响因素这篇论文中提到：当局部温度达到325℃以后，柴油发电机内附着的顽固积碳会被剥离，相当于此时柴油发电机产生的热量，足以让积碳滚蛋。而且，一旦温度高于325℃，完全不会有积碳产生，而且这些掉下来的积碳会随着柴油发电机尾气排出缸体。

2、专业清理方法

（1）碱洗法：使用专门的氢氧化钠溶液或碱性添加剂，通过溶解碱性溶液中的碱性离子来清除积碳。

（2）机械物理法：将气缸拆卸下来，使用机械工具（如刷子、清洗液等）进行物理清理，清除气缸内的积碳。

① 如图5所示，使用刮刀或 Scotch-Brite™ 7448及溶剂清洁缸盖上表面。

② 如图6所示，使用 Scotch-Brite™ 7448及溶剂清洁缸套座和下部缸套密封表面。

 

（3）氢气清洗法：通过向气缸内注入氢气来清除积碳。氢气可以在高温下与碳结合，形成易挥发的化合物，从而清洁气缸。

2、正确使用柴油机

      在柴油机运转过程中，应监视机油压力和温度的变化，防止柴油机过热工作，不得使柴油机超负荷长时间工作和长时间怠速运转。柴油机停机时，应先卸除负荷，降低油门，怠速运转2 min左右再停机。在低温环境下，防止柴油机过冷工作。每天首次启动柴油机时，首先须检查机油压力，待机油压力显示正常，才可适当提升转速以满足发电机发电之用，当发电机正常发电时，以中等转速运转预热柴油机，机体温度升至40℃以上方可带负载运转。

3、对柴油机检查保养

（1）检查进气系统的配置是否齐全、正确，空气滤、增压器总成与进气管系统各连接部分卡箍是否紧固到位，是否有漏气现象，发现异常及时处理。

（2）及时清洗或更换空气滤清器滤清器。根据柴油机工作环境，缩短空气滤清器清理和滤清器更换周期，当发现滤清器脏污报警时，应及时清理或更换空气滤清器。

（3）检查冷却风扇进气通道畅通，确保冷却风扇传动系统工作正常和冷却室密封性良好，定期清理机油散热器、中冷器，汽缸套等散热部件表面异常附着的油污，保证柴油机散热性能良好。

（4）检查燃油系统，及时排除进入燃油系统内的空气，定期清洗或更换柴油滤清器，发现渗油处所及时处理，尤其是喷油器、高压油泵与高压油管的连接处。

（5）按季节、柴油机工作时间及时更换机油和机油滤清器滤清器，防止机油变质而导致积碳的生成。柴油机运转中应监视机油压力变化，发现异常及时处理，防止过多的机油进入燃烧室。

 

图5  柴油机缸体表面积碳清理

图6  柴油机缸套座和密封表面积碳清理

 

总结：

      为降低柴油机积碳的生成速度，减少积碳对柴油机的影响，提高柴油机的动力性能，我们通过对在恶劣环境中运转柴油机空气滤清器的改造，制定减少柴油机积碳的预防措施，培训操作人员提高其使用和维护保养柴油机技能，达到了抑制积碳生成的速度、延长柴油机使用寿命的目的。

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