康明斯动力设备（深圳）有限公司

 

故障检查与技术维护

康明斯柴油发电机冒黑烟的原因分析与解决措施

 

摘要：柴油发电机组排气时冒黑烟现象的存在，会造成燃料浪费和大气污染，同时会对柴油机各系统产生不良影响，降低康明斯发电机组的使用效率。柴油机排气时冒黑烟是一个综合问题，可由进气系统故障、压缩压力问题、功率超载等造成。应首先从进气系统的空气滤清器、增压器、中冷器展开技术分析，其次从影响压缩压力的压缩比调整垫、活塞环、气缸套、气门等几个方面加以分析；再次从造成功率超载的联合调节器、可调电阻等角度进行探讨。因此，康明斯公司通过对柴油发电机组排气时冒黑烟现象的技术分析与处理，解决了在进气系统、压缩压力、功率调节方面存在的问题。

 

一、排气冒黑烟现象原因的分析

 

1、进气系统发生故障而引起的

      康明斯系列柴油发电机组进气系统由空气滤清器、增压器及中冷器等几部分组成，因此从这几方面分析其原因。

（1）空气滤清器方面原因。

      当空气滤清器被灰尘堵塞导致气流通行不畅时，会使进入柴油机各气缸内参与燃烧的空气量减少。在一般情况下，当柴油机转速达到1000r/min，在柴油机气缸内燃料爆发前，燃烧室应充满体积为0.0029m³、压强值约在280.33 kPa的压缩空气。当经由空气滤清器实际提供的空气量下降幅度很大时，就会使后续步骤可提供的压缩空气量下降，从而导致柴油机柴油机出现排气冒黑烟的现象。

（2）增压器方面原因。

      作为进气系统的增压机构，以ZN250C为例，当转速达到2500r/min时，一般进口压力为95kPa，而出口压力为250kPa，增压倍数为2.63，原理如图1所示。当增压器出现油封漏油或转子弯曲时，会导致增压效果下降，造成进入气缸内空气质量下降且数量减少，导致柴油机柴油机出现严重冒黑烟。

（3）中冷器方面原因。

      中冷器结构如图2所示。作为压缩空气进入柴油机气缸前的冷却机构，中冷器起着降低温度并增加气缸进气量的作用，如果中冷器水腔结垢及气腔有污物时，会导致进入气缸内的气量减少，从而也会引起柴油机柴油机冒黑烟现象出现。

2、各缸压缩压力降低而引起的

      造成柴油机各缸压缩压力低的原因如下：

（1）气缸盖与缸套上沿之间存在气隙。此气隙在二者之间的压缩比垫处显示出来。这个气隙的存在，将极大地降低压缩压力，使燃烧恶化。

（2）活塞环、缸套内壁各自的不规则磨损变化。在一般情况下，缸套内径的圆度应保持在0.005mm范围内，而圆柱度应保持在0.015mm；活塞环应无变形和磨损。当此条件无法达到时，会降低压缩压力，也会引起燃烧恶化。

（3）气门关闭不严。此现象由气门间隙发生变化、气门座脱落、气阀机构弹簧弹力不足等原因引起，也会导致柴油机柴油机排气时冒黑烟。

3、由柴油机超载而引起的

      在发电机组进行水阻试验时，各转速下功率范围是固定的。当联合调节器出现故障或CF励磁调整管电阻、油压马达工作调整管电阻、励磁调整管电阻的阻值发生变化时，就有可能使各转速下的功率值向增大方向转变，从而导致柴油机超载而冒黑烟。

（1）联合调节器方面原因。

       动力活塞向增大方向持续变化时，会使柴油机出现超载冒黑烟现象；另外，功调电阻卡在较小阻值位置时，也会导致排气冒黑烟的情况。

（2）CF励磁调整管电阻、励磁调整管电阻方面原因。

      励磁调整管电阻的阻值一般在20Ω±2Ω，当它降到18Ω以下时，由于励磁机励磁电流过大，就会出现主发电机功率过大并导致柴油机超载冒黑烟；CF励磁调整管电阻的阻值一般在400Ω左右，当其阻值过分降低，会引起测速发电机励磁电流过大，从而也会导致主发电机功率过大和柴油机冒黑烟。

（3）励磁调节器方面原因。

      康明斯系列柴油发电机组转速为800r/min以下的功率调节，是依靠励磁调节器来实现的，而且柴油机转速为800~1000r/min范围内，励磁调节器也协助油马达共同完成励磁。但当励磁调节器出现故障时，柴油机在个别转速下超载冒黑烟的情况就有可能出现。

 

图1  柴油机增压器工作原理图

图2  柴油机中冷器结构示意图

 

二、解决排气冒黑烟的系统性措施

 

1、柴油机空气消耗量与进气密度校验

（1）柴油机空气消耗量估算

G_e=（N_eg_eαη_sL₀ / 3600）×10^-3...........（公式1）

      式中，G_e为空气耗量，（kg·s^-1）；N_e为柴油机单缸功率，kW；g_e为柴油机燃油消耗率，（g.kW^-1·h^-1）；α为过量空气系数，α=2.1；η_s为扫气系数，η_s=1.02；L₀ 为空燃比，L₀ =14.3。

      按110%负荷要求，将N_e=165kW和g_e=203（g·kW^-1.h^-1）等数据代入式（1），得G_e=0.2878（kg.s^-1）。又由柴油机转速1000（r/min^-1）和冲程数求得每工作循环所需供气量G’_c=G_c/n_cam=0.0345（kg.cyc^-1）。

（2） 进气密度

ρ’=ρ₀（273/273+t）×｛（P-0.0378φΡ_b）/0.1013｝...........（公式2）

式中，ρ’为湿空气密度，（kg·m^-3）；

ρ₀为干空气密度，ρ₀=1.2928（kg·m^-3）；

P为湿空气的全压力，p=0.3013 MPa（p=p_z+p₀，其中p_z为增压后的空气压力，p_z=0.21 MPa，p₀为标准大气压，p₀=0.1013 MPa）；

φ为空气相对湿度，φ=90%；

p_b为饱和空气中水蒸气的分压力，p_b=0.01575 MPa；

t为进气温度，t=55 ℃。

      将数据代入式（2），算得ρ’=3.3（kg·m^-3）。

（3）对进气系统进行调整

① 空气滤清器的调整

      检修时在空气滤清器拆下来后，发现滤膜上灰尘很多，应采取更换滤清器的办法来解决。

② 增压器的调整

      增压器检修后应达到的技术标准见表1。

表1    增压器检修后应达到的技术标准

③ 中冷器的调整

      中冷器解体后，在气腔的冷却片上，发现有许多污物，应采取高温清洗等办法处理清洁。

2、柴油机各缸压缩压力的修正

（1）压缩间隙调整方面，应以16.2~16.3mm标准值进行调整，压缩比调整垫有损坏或尺寸超差的应全部更换。

（2）气缸应测尺检定，全部气缸测尺后，若缸套符合要求，但活塞环磨损较大，活塞环应全部更换。

（3）对所有气门座及弹簧进行检查确认，所有气门都需进行研磨，气门冷态间隙应按进气0.4mm、排气0.5mm进行调整。

4、 配气相位优化设计

      合理的配气相位可以最大限度地提高柴油机的进排气效率和进排气质量，对柴油机的动力性、经济性和排放产生直接影响。最佳配气相位随转速与负荷的改变而变化。采用BMEP CONTROL模块控制模型的喷油量，分别设定柴油机工作转速为450(r/min^-1)和1500(r/min^-1)，并使之达到规定的输出功率值；再根据配气相位的相互影响，通过锁定其中三相位，确定另一相位的办法，依次确定新的配气相位，见表2。

 表2    配气相位优化设计值

5、气门升程优化设计

      气门升程直接影响柴油机的换气性能，从而对柴油机的动力、经济和排放性能产生重要影响。而最佳的升程随着转速与负荷的改变而变化。针对柴油机工况，通过对气门升程进行优化，在提高柴油机低工作转速时的扭矩输出能力的同时，适当兼顾高转速工况时的动力性和经济性的需求。柴油机工作段的气门升程、缸压及进气压力曲线如图4所示。

6、对功率重新整定

      联合调节器进行清洗，同时在水阻试验台上对动力活塞位置和悬挂点进行调整，功调电阻也要进行检测。测量励磁调整管电阻并根据测速发电机的励磁电流对CF励磁调整管电阻、油压马达工作调整管电阻进行调整。

      对优化前后的凸轮轴方案进行柴油机性能对比试验(外特性+极限负荷试验)，测功数据见图5、图6。经比较可以看出：优化后凸轮轴在低转速工况的输出能力明显优于优化前，高转速工况未见明显恶化。柴油机突加负荷能力提升20%。

 

图3  柴油机气门时面值图	图4  柴油机工作段的气门升程、缸压及进气压力
图5  柴油发电机优化前测功图	图6  柴油发电机优化后测功图

 

总结：

      柴油发电机黑烟是燃烧不充分的表现，能看见的是炭黑，如果有危害也就是吸入性粉尘，还有燃烧不充分会产生一氧化碳的，会对空气造成污染，一氧化碳会使人中毒。通过上述对康明斯系列发电机组排气冒黑烟原因进行技术分析并采取技术防范措施，柴油机冒黑烟问题可得到解决。因此，在日常检修中只有对每一部件的特点和结构进行具体分析，找出问题原因，采取相应防范措施，才能保证设备安全运行。

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