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故障检修与技术维护 |
康明斯发电机组排气管冒黑烟的故障诊断案例 |
摘要：康明斯公司是当今世界设计、生产和销售柴油发动机的最大企业之一。目前康明斯柴油机共有B、C、L、N、M、K、V、Q等8个系列，其中B系列柴油机以其可靠的稳定性、良好的经济性和动力性，广泛地用做发电机组的动力系统。针对6BT5.9康明斯柴油机的冒黑烟故障，阐述了柴油机冒黑烟的机理，分析了故障原因。按照“由表至里，从简到繁”的诊断原则，排查出喷油器喷油压力过低导致排气冒黑烟。最后给出了减少柴油机冒黑烟故障的几点建议。
一、故障现象
排气管冒黑烟是一种柴油发电机组故障症状，排气管冒黑烟说明柴油发动机混合气过浓导致燃烧不充分。当空气滤清器过脏、喷油器雾化不良、燃油泵堵塞等，均会造成发动机排气冒黑烟等问题。下面是小编收集整理的某用户康明斯发电机组的排气管冒黑烟故障诊断案例。
某用户装配康明斯6BT5.9型柴油机的发电机组，刚启动时，排气管黑烟滚滚，在柴油机正常运转后，还继续冒黑烟，甚至还愈加明显。同时伴随功率严重下降的现象。通常排气管排浓黑烟雾的现象有两种：一种是连续排黑烟，另一种是断续排黑烟，且发动机抖震。
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图1 6BT5.9-G2康明斯发电机组 |
图2 柴油发电机冒黑烟现象 |
二、故障机理与分析
该柴油机是带废气涡轮的增压型柴油机，在刚启动时冒黑烟，有可能是增压器缺少排气能量驱动，造成气缸内新鲜空气严重缺少，燃气比不符合要求所致。但是，机组运转正常后仍冒黑烟，则说明机器必然出现了故障。
柴油机燃烧所用的柴油是一种包含多种碳氢化合物的混合物。在实际工作过程中，柴油机排气颜色受到气缸内氧气浓度、燃烧温度、柴油质量、油气混合比重等诸多因素影响。这些因素最终导致燃油的燃烧出现完全燃烧与不完全燃烧两种情况。在燃油完全燃烧时，其过程见公式（1），燃烧产物只有二氧化碳和水蒸汽，排气颜色为无色或淡灰色。但在燃油不完全燃烧时，还有一部分柴油在高温、极度缺氧环境中易分解、聚合形成炭烟，如公式（2），这些碳烟排出气缸，就会出现冒黑烟现象。
CmHn+O2→CO2+H2O.............（公式1）
CmHn+O2→CO2+H2O+C+CO+CxHy.............（公式2）
1、柴油机的有害排放物
柴油机的主要排放物包括：微粒、氮氧化合物、一氧化碳、碳氢化合物。燃烧过程演示如图3所示，柴油机特性曲线如图4所示。
（1）微粒
微粒是指温度在52℃以上时，排气中除水以外的固态和液态物质，柴油机废气中的微粒主要由碳微粒（碳烟粒子）和吸附与凝聚其上的碳氢化合物组成。碳烟粒子主要是在高温、极度缺氧的条件下生成的，当过量空气系数减小到一定程度后，微粒的排放量随过量空气系数的下降而较快的增长。
（2）氮氧化物
氮氧化合物主要是在高温富氧、相对由较充裕反应时间的条件下生成的。柴油机废气中NOx与汽油机的有所不同，其中NO2占5%～15%。直喷式燃烧室排放NOx高于分隔式燃烧室。
（3）一氧化碳
CO是不完全燃烧的产物，由于柴油机的过量空气系数较大，产生的CO又有可能有足够的空气在膨胀过程中氧化为CO2，因此柴油机废气中的CO含量很低，仅在接近全负荷附近，即过量空气系数过小时，CO的排放量才有所上升。
（4）碳氢化合物
柴油机废气中HC主要是在混合气过稀的情况下产生的。特别是在低负荷时过量空气系数过大，由于温度过低，反应不能及时进行，从而使HC的排放量有所增大。
2、排气的黑烟、白烟与蓝烟
（1）黑烟
主要在柴油机大负荷和加载时产生，主要因为燃烧室内缺氧，燃烧不充分而产生的。
（2）白烟与蓝烟
白烟与蓝烟是柴油机冷起动后怠速或低负荷下暖机过程中产生，由于燃烧室内工质温度低，燃油不能完全蒸发燃烧，未燃烧或部分氧化的燃油以液态微粒的形式随废气排出，冷凝形成白烟与蓝烟，白烟与蓝烟主要区别是白烟的微粒直径较大。
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图3 柴油机燃烧过程演示图 |
图4 柴油发动机特性曲线场（虚线为全负荷特性） |
三、故障的诊断与排除
1、故障的诊断
柴油机冒黑烟，主要是因为燃烧不完全，或者是进气不足，或者就是供油过多。因此其故障可归纳为以下两类：一是气路故障，一是油路故障。
（1）气路故障
① 进气系统漏气如果进气管损坏，或者连接软管开裂，或是紧固长箍松脱都会使进气泄露，进入气缸的空气量减少，柴油燃烧不完全会使排气冒黑烟。
② 空气滤清器堵塞康明斯B系列柴油机空气滤清器采用二级干式空气滤清器（带安全滤芯），如图2。滤清器长时间工作后，滤芯上不可避免堆积大量灰尘杂质，阻碍空气流通，同时金属板网上的机油也会出现老化板结，堵塞网眼，也会造成进气阻力增大，最终使得气缸内新鲜空气量不足。
（2）油路故障
① 柴油牌号不对十六烷值过高的柴油在高温下会裂解出游离碳，使得柴油不能及时得到充分的燃烧，造成排气冒黑烟。
② 供油时间不准供油过早，缸内温度压力低，部分燃油燃烧不完全形成炭粒，随排气排出排气管，使得排气呈黑色；供油过迟，部分柴油会在排气管中燃烧，燃烧同样不完全冒黑烟。
③ 燃油雾化不良若喷油器喷油压力过低，或针阀偶件磨损等，都会使喷油器雾化不良，柴油和空气无法充分混合，引起排气冒黑烟。
④ 燃油回油油路受阻因油管的变形，或杂质堵塞都会使回油油路受阻，回油不通畅，影响喷油器的喷射性能，出现二次喷射或者滴油现象，使得排气冒黑烟。
2、故障诊断原则
按照“由表至里，从简到繁”的故障诊断原则，逐项排查。
① 检查进气系统的密封经检查发现进气管和连接软管完好，紧固长箍并无松脱，进气系统密封良好。
② 检查清洗空气滤清器使用不超过689kPa的压缩空气从滤芯里面向外吹，清洗完后检查滤芯完好，装回柴油机，启动发现依旧冒黑烟。
③ 检查柴油因该柴油发电机组并非独立油箱供油，而是和其他多台机组一起由一外置大油柜统一供油，其他机组运行正常，说明柴油没有问题。
④ 检查调整供油提前角由于柴油机长时间运行，喷油泵联轴器上主动凸轮盘和主动凸缘盘上的锁紧螺钉会发生松动，使得供油提前角发生变化。但是，6BT5.9康明斯柴油机没有联轴器，而是由定时齿轮直接控制，所以一般不调整供油提前角。
⑤ 检查回油油路更换新的回油油管，故障依然存在。
⑥ 检查喷油器的质量拆卸各缸的喷油器进行逐一检查，并在喷油器试验仪上进行调试校验（如图4），结果发现，第1、2、3、5、6缸的喷油器喷射压力均能达到技术规范（24.5~25.3 MPa），且雾化良好，但是第4缸的喷油压力只有12.0 MPa，如图所示，明显低于标准值。6BT5.9康明斯柴油机所用的是一种低惯量孔式喷油器（如图5），其喷油压力的调整，由改变气调整垫片的厚度来实现。选用更厚点的垫片放入4缸喷油器后使得喷油压力恢复了正常，且雾化良好。把所有校验好的喷油器装回机器，开机运行，发现柴油机排气恢复正常，故障被排除。
3、故障诊断步骤
发动机动力不足且连续排黑烟，是发动机大多数缸或所有的缸均供油量过多，燃油与空气混合比例失调，燃烧时严重缺氧，柴油燃烧不完全，悬浮游离状的碳元素随废气一同排出而形成的。若排气管是断续排黑烟，且伴有“突突”声，说明个别缸燃烧不完全。
（1）根据上述故障现象分析，初步怀疑为某缸喷油器有故障。当采用断缸法检查时，发现第4缸高压油管接头紧固螺母拧松后，柴油发电机工作状况发生了变化，排气管冒黑烟的现象消除，说明4缸有问题。
（2）仔细观察，该缸高压油管口没有气体排出，初步判断喷油器针阀卡在开启位置。将该缸喷油器总成拆下并清洗后在喷油器试验台上进行测试，结果发现喷油器雾化不良，燃油呈线状流出，压力表上无喷油压力显示。
（3）拆下喷油器进行检查，针阀在阀体内活动自如，没有卡滞现象，怀疑可能是因针阀偶件磨损严重而引起此故障。换用一只新喷油器，装好后在喷油器试验台上进行试验，结果故障依旧。
（4）又怀疑到喷油器调压弹簧力不够，以致无喷油压力。在喷油器内加上了厚度为0.5mm的垫圈，以增加调压弹簧的预紧力，结果故障现象仍未消失。
（5）进一步分析认为，故障原因应该是该缸喷油器有故障。经过上述检修都没有故障，说明可能是喷油器总成内没有检查到的其他机件存在问题。
（6）进一步检查喷油器发现，喷油器针阀上的顶杆凹坑严重磨损。查维修手册，该凹坑深度应为1.5mm，测量发现其实际值为3.2mm。换一个新的喷油器后试车，故障消除。
总结：
排气冒黑烟是柴油机常见的故障之一，为了减少此类故障的发生率，提高机组运行的可靠性，作为操作人员应该做到以下几点：首先，定期检查更换空气滤清器滤芯，确保充分的空气进入柴油机气缸。其次，在机组运行过程中，经常检查柴油机的技术参数，做到勤看、勤嗅、勤摸、勤听。最后，遇到柴油机的冒黑烟的故障时，要耐心分析故障原因，仔细按照“由表至里，从简到繁”的原则，逐项排查。
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