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解决康明斯柴油发电机窜气故障的办法

 

摘要：发动机气缸窜气是导致柴油发电机组运行不稳定的一个主要原因。本文对气缸窜气的原因、特征及控制技术进行研究分析，提出了有效的防止气缸窜气的方法，包括改善气缸结构、减小燃烧室温度、优化燃油喷雾、增加燃烧室密封性等。通过实验验证，该方法对控制柴油机气缸窜气具有重要的实践意义。通过本文的介绍，可以了解到了现代柴油机中气缸窜气问题的危害以及解决方案。这些方法和措施的实施不仅可降低气缸窜气的风险，提高柴油机的燃烧效率和工作稳定性，还能够减少排放污染物，提高经济性，延长柴油机寿命。随着科技不断的进步和创新，相信在未来的柴油机开发中，气缸窜气的发生将被更好地控制。

 

一、柴油机窜气的原因

 

      柴油机窜气指的是柴油机发生故障，燃气从呼吸口喷出，这种故障对于柴油机来说是十分危险的，一般的情况下就是柴油机功率不足、冒黑烟和燃烧机油等，严重的情况会使曲轴箱的压力增大，压迫机油喷出油箱，这就非常容易造成危险事故，比如活塞抱缸等。导致柴油机发生窜气的原因不同，关键是活塞烧损、活塞环断、缸套拉伤，一旦发生这些危险，就会破坏燃烧室的密封性，在缸套和活塞的间隙之间有高压高温气体窜入曲轴箱，最关键的两个窜气的原因是一方面是使用十六烷值低的柴油和喷油泵供油提前角改变。

1、使用十六烷值低的柴油

      我们要评定柴油自燃性就要考虑十六烷值，自燃性直接关系着柴油机的燃烧过程，所以对于十六烷值的使用，各种柴油机都具有严格的规定，比如一般我们看到柴油机的说明书都对十六烷值做了规定，其中0号轻柴油的值则不能低于45，但是在实际的生产中所使用的柴油实际上是不符合这个数值的，一旦柴油机使用的柴油的十六烷值偏低，就会出现低温启机困难的状态，甚至有时候根本无法启机，即时后期勉强启机了，也会存在大量没有烧尽的汽油，形成白烟造成污染和浪费。但是随着后期的发电机组运转的温度不断升高，直到七十度左右之后白烟逐渐消失，但是柴油机依然存在排气管漏气、变形、排气管红、后燃、工作粗暴等现象，这些问题都会出现柴油机窜气的情况。经过检修发现有多处损毁活塞的情况。出现这种故障的原因如下：

（1）柴油的十六烷值太低，过低的十六烷值就会降低着火的性能，不能很快的点燃喷射进去的石油，而且在燃油和气缸之间是存在一定的距离的，这就使得燃油刚刚进入还没着火时，气缸当中已经有大量的燃油积累，这些燃油在短时间内燃烧就会严重冲击相关部件，当温度低时，滞燃的时间就会更长，甚至直接以白气状态喷入大气。因为不同的柴油机的燃烧条件是不一致的，所以不同的十六烷值就会导致柴油机抖动，活塞环、活塞、气缸等都处于长时间不均匀的工作状态下。

（2）环案长时间的受到活塞环的拍击，就会使得活塞环、活塞、缸套等损坏过早，进而造成柴油机窜气。

（3）在当燃油的品质较差时，也会出现上述的故障，因为燃油的品质差时，每次喷入大量的燃油雾气到气缸中，但是只有很少的一部分被点燃了，更多的一部分是以液滴的形式存在的，液滴的形式要想燃烧就需要大量的空气，但是在柴油机当中，空气量又是受限制的，无法满足低于正常的十六烷值的燃油的燃烧，并且大量氧气的消耗，会导致机内缺氧，燃烧不尽进而排出大量的黑烟，甚至有时候会出现烟囱窜火的现象。

（4）过高的热负荷和大量的游离碳就十分容易导致喷油器的烧毁，喷油器烧毁之后就会出现活塞卡死、喷油器堵塞等恶性循环，最后致使活塞环和活塞的损坏，造成窜气的现象。

2、喷油泵供油提前角的改变

      喷油泵供油提前角是喷油泵从供油到活塞上止点之间的转角，工作位置如图1所示。需要我们注意的是当柴油机的型号不同时，提前角的值也就会不同。对于柴油机的燃烧供油提前角具有重大的影响。

（1）供油提前角提前

      一旦柴油机的喷油泵供油提前角提前比正常状态下大过六度，及其就会出现启动困难、怠速不良、工作粗暴或柴油喷火的现象。当柴油机的供油提前角提前比正常状态下小于六度时，柴油机就会出现震动剧烈、烧红烟道管、冒黑烟、放炮等现象。

（2）供油提前角滞后

      柴油机供油提前角滞后示意图如图2所示。提前角滞后会使柴油的燃烧丧失时机，尤其是在油粒延迟到膨胀期喷入，燃油的分子结构就会发生变化导致后期的燃油速度缓慢，很大一部分燃烧不尽的会变成黑烟排出，造成浪费还污染空气。有时候黑色烟粒和燃烧积炭会相互凝结，就会使得喷油器的雾化出现问题，最后堵塞喷孔。

      另一方面如果是燃油在颗粒膨胀的冲程之后才进行燃烧，缸内就会有大量的燃烧产物堆积，进一步对氧气进行消耗，氧气的浓度下降之后，气缸内的温度和压力都会下降，进而降低缸内的燃烧速度，使油气的燃烧蔓延到排气管内，在这种情况下热量对于有效公转化的效率很低，大大的限制了柴油机的可靠性、动力性和经济性的下降，但是反过来又会提高排气的温度，使得各部分的零部件都一直处在高温的环境下，最后导致喷油器针阀、气门、汽缸盖、活塞环、气缸活塞等损坏，进而使得柴油机窜气故障发生。

 

图1  柴油机供油提前角工作图

图2  柴油机供油提前角滞后示意图

 

二、机外解决窜气故障的方法

 

      柴油发电机组燃气压力和流通通路是造成柴油机窜气的两个最基本的条件，其中燃气压差既是窜气产生的动力来源，同时也是活塞环密封系统正常密封时的推动力。康明斯公司本文章针对不同型号的柴油机窜气故障的相关原因进行重点分析和理论的探索，并在此基础上结合在柴油机实际应用中的检修故障和运用情况进行论述，并提出了相关的解决措施，以期为以后的实际生产提供借鉴。康明斯公司经过多年的实践发现，要想真正的从根本上解决柴油机窜气故障，主要是从几个不同的角度来进行的。

1、控制油品的质量

      通常情况下如果机油的油品质量较差，则柴油机发生故障的概率就会增加，所以我们在应用柴油的时候就必须进行必要的提前化验，包括各种杂质、闪点、水分和十六烷值等。此外，机油牌号的选择对柴油发电机的使用寿命至关重要，不用标号的机油，对应不同的使用场景，冬夏柴油发电机的机油也要及时调整。选择正确的机油可以延长发动机的寿命，提高发动机的性能，并且减少了机油变质的可能性。但是在选择机油的时候，需要了解不同机油参数的意义，其粘度等级如图3所示。

2、控制机器检修的质量和工艺

      这一技术就要求工作者严格的按照相关技术来进行，比如测算缸套、活塞环、活塞等部件的质量选配和外形尺寸等，在此基础上再严格考核工作者的检修质量。以活塞环为例，开口间隙是活塞环安装时必须的开口，防止活塞环受热膨胀后卡死在气缸内。检查开口间隙的方法如图4所示，步骤是将活塞环平正地放入气缸内，从活塞顶部把它推平，然后用厚薄规测量开口处的间隙。

3、控制维护保养的方面

      在维护的保养的方面，要督促相关的人员定期的进行机器工作状态的保养维护，定期的对空气的滤清器、机油滤清器、柴油机燃油等进行清理，定期的对机油进行更换等，进而方便以后柴油机的正常工作。

 

图3  柴油机润滑油不同粘度等级对应状态

图4  柴油机活塞环开口间隙的检查方法

 

三、机内解决窜气故障的方法

 

      气缸窜气会导致发动机运行不稳定，表现为怠速不平稳、转速失速、功率下降等现象，窜气通常发生部位如图5所示。此外，气缸窜气还会导致机油污染、冷却液渗漏和发动机故障等问题。康明斯公司为了控制柴油机气缸窜气，在制造时可以采取以下几个措施：

1、改善气缸结构

      为了提高气缸壁的密封性能，可以采用以下几个措施：

（1）增加气缸壁的精度，降低气缸壁与活塞之间的间隙

（2）采用密封性能更好的材料制造气缸壁，比如采用高强度铝合金材料

（3）加强气缸壁的冷却，减少气缸壁温度的升高，从而减少气缸壁的膨胀

2、减小燃烧室温度

      为了降低燃烧室温度，可以采用以下几个措施：

（1）增加空气流动和混合，减少燃烧室内的残留燃料

（2）采用较低的喷油压力和较小的喷油孔径，控制燃油喷出速度和喷雾角度，使燃油更为均匀地分布到燃烧室内

（3）控制喷油时机，使燃油在燃烧室中得到充分混合，从而减少未燃气体的生成

3、优化燃油喷雾

      为了保证燃油完全燃烧，可以优化燃油喷雾的形态、速度和分布区域等。具体来说，可以采取以下措施：

（1）采用多孔喷嘴结构，增加燃油雾化和混合的时间

（2）设计合理的燃油喷嘴孔径和数量，控制燃油进入燃烧室的速度和角度

（3）控制喷油压力和时间，以保证燃油喷出速度和喷雾角度的正确性

4、 增加燃烧室密封性

      为了减少燃气逃离气缸，可采取以下措施：

（1）采用高密度的燃烧室密封垫，减少气缸壁和活塞环之间的泄漏

（2）控制燃油喷出速度和时间，使燃料得到充分混合，并在燃烧室内完全燃烧

（3）排除发动机燃油和空气系统中的杂质和污染物，保证系统的清洁度和稳定性

5、 采用先进的燃油喷射技术

      现代柴油机采用电控高压共轨喷油系统等先进的燃油喷射技术，能够实现更加精确的燃油控制和更高的燃烧效率，从而有效地减少了气缸窜气的发生。此外，先进的燃油喷射技术还能够降低排放污染物的量，提高燃油经济性。

6、采用高效冷却系统

      高效的冷却系统能够将发动机中产生的热量及时地散热，降低气缸壁温度，从而减少气缸窜气。现代柴油机采用液冷或水冷的方式进行冷却，同时采用高效的水泵和风扇进行强制冷却，从而能够保持发动机的稳定工作温度，并有效地降低气缸窜气的发生。

      以上措施通过康明斯公司实验验证，本文提出的控制气缸窜气的方法可以有效地降低气缸窜气的发生率，提高发动机的性能和可靠性，同时这些措施对提高柴油机的性能具有重要的实践意义。柴油机漏气量测试结构如图6所示。

 

图5  柴油机气缸窜气通道示意图

图6  柴油机窜气故障漏气量测试曲线图

 

总结：

      总的来说，控制气缸窜气是现代柴油机发展的一个重要方向，对于提高柴油机的燃烧效率、降低排放污染物、延长发动机寿命等方面具有重要的意义。今后，随着科学技术的不断发展，我们还将会看到更加先进的控制气缸窜气技术的出现，从而实现更加高效、环保、可靠的柴油机工作。本文主要探讨了现代柴油机中气缸窜气问题的成因和解决方案。气缸窜气对于柴油机的稳定工作和寿命都有着非常大的影响，因此控制气缸窜气成为了现代柴油机发展的一个重要方向。通过分析其中的原理，本文提出了多种解决方法。首先，优化燃烧室形状、减小活塞与缸套的间隙、提高运转油面高度等措施可以减少气缸窜气的发生。其次，采用高质量的活塞环、缸套和活塞件等配件也能够有效地降低气缸窜气的风险。此外，优化气门机构、采用先进的燃油喷射技术、以及采用高效冷却系统等方法都能够有效地降低气缸窜气现象的发生。

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