摘要： 常见柴油机无负荷时，转速忽高忽低，不能稳定在规定的范围内，称为工作不平稳或转速不稳。俗称“喘气”或“游车”，也称“发喘”，是柴油机转速不稳的一种表现。在柴油发电中，游车现象会导致输出功率和电压的波动，影响柴油发电机组的稳定性。康明斯公司在本文从调速器的作用入手，具体分析了机械调速器和电子调速器在柴油发电机组上产生游车故障的原因，并提出处理及预防措施。
一、游车现象对柴油机的危害
1. 游车的两种基本表现
柴油机转速不稳定、游车故障现象大致可分为两种表现，一种是转速大幅度摆动，变化周期比较长，声音清晰可辨，一般称之为游车或“喘气”。另一种是转速在小幅度范围内波动，变化周期比较短，声音不易辨别，在不同转速和负载下都会出现，转速低时更为明显，且往往易引起柴油机熄火。游车严重时，柴油机将无法正常工作，必须及时排除游车故障。
2. 游车程度的差异与转速变化规律
（1）轻度与重度游车的差异
当柴油机“游车”较轻时，怠速不稳；“游车”较重时，中、高速不稳。一般来说，转速不稳有正弦波变化和无规律变化两种。转速呈正弦波变化时，爆发声有明显的周期性强密和弱疏变化。强密时转速高，弱疏时转速低。当爆发声由弱疏向强密转化时，柴油机排气常常带丝缕状黑烟，调整弹簧有较大的伸缩变形和喷油泵油量调节机构“拉锯”。因调速器不能恰当地调节供油量，使转速不能稳定在规定范围内。
（2）无规律变化的特征
转速无规律变化时，转速忽高忽低无节律，伴随爆发声，排气带烟。因循环供油量和喷射规律不正常，导致爆发产生和柴油机转速不正常。这种无规律变化往往与燃油系统油路中混入空气或水分、柱塞副磨损不均等因素有关，排查时需结合排气烟色和爆发声音综合判断。
（3）正弦波变化与无规律变化的区分意义
区分两种变化规律对排查方向具有指导意义：正弦波变化通常指向调速系统的周期性干扰，如飞溅润滑阻力、调速弹簧共振等；无规律变化则更多指向燃油供给本身的随机性异常，如油路进气、滤清器局部堵塞等。
3. 游车对柴油发电机组的直接危害
（1）输出功率与电压波动
在柴油发电中，游车现象会导致输出功率和电压的波动，影响柴油发电机组的稳定性。对于为精密设备、通信基站、医疗设施供电的机组，电压和频率的波动可能直接导致用电设备工作异常。
（2）加剧机械磨损与油耗上升
转速的反复升降使曲柄连杆机构、喷油泵柱塞副等运动件承受交变载荷，加速磨损；同时，燃烧过程偏离最佳工况，燃油消耗率上升，排气烟度增大。
（3）引发熄火与停机风险
转速低时游车更为明显，且往往易引起柴油机熄火。在带载运行中，熄火意味着供电中断，可能造成数据丢失、设备损坏等次生损失。
4. 游车恶化引发的“飞车”事故
（1）“飞车”的定义与危险性
当柴油机出现周期性游车，转速升高或突然升高，无法控制转速时称为“飞车”。对此，如不及时控制，会造成事故。飞车时柴油机转速急剧上升，超出设计极限，可能导致连杆螺栓断裂、活塞烧顶、曲轴损坏等严重机械事故，甚至危及人身安全。
（2）紧急处置措施
发现“飞车”时，可采取下列措施：迅速将加速踏板置于“闭车”位置；泵杆（调节齿杆）露在外面的喷油泵，可直接用力将其拉回；带减压装置的柴油机，扳动减压手柄使其减压；进气管带阀门的柴油机，可将阀门关闭；将车停稳，挂上高速挡，缓抬离合器踏板，使柴油机熄火。迅速将空气滤清器卸下，用座垫等物堵住进气管道，使气缸缺乏空气，无法燃烧。用合适的扳手迅速松开各气缸高压油管紧固螺母。
（3）处置要点提示
上述措施的核心思路是切断燃油供给或切断空气供给，二者取其一即可使柴油机失去燃烧条件。实际处置时应根据机组结构特点选择最快捷的方式，切忌犹豫拖延。
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图1 柴油机转速周期性波动曲线 |
图2 柴油发电机燃油系统结构图 |
二、游车产生原因分析
1. 游车的定义与判定标准
柴油机游车是指柴油机在指定转速下运转时转速发生周期性的波动（如图1所示），为指定转速，为上串转速，为下跌转速，当 时，造成柴油机运转的不稳定。
2. 调速系统的作用与游车的关系
（1）调速系统的组成
游车的产生，主要与柴油机调速系统的工作状态相关联。调速系统的作用是控制柴油机的启动、升速、降速和停机，从而带动整台柴油发电机组启动、加速、减速和停止。调速系统由调速器与控制机构等组成。
（2）控制机构与调速器的分工
控制机构的作用是通过操作员的操控，带动高压油泵齿条伸长或缩短，增加或减少供油量，让柴油机在指定转速下运转。调速器的作用是当柴油机负荷发生变化时，自动调节柴油机高压油泵的供油量，使供油量与负荷相适应，从而保证柴油机稳定运行。
（3）动力稳定性是共性因素
经过调速器的作用，能够使柴油机在指定转速下稳定、可靠运转。如果调速系统动力过程稳定性不好，调节转速不能稳定在指定的转速，转速忽高忽低就会产生游车现象。因此，无论机械调速系统还是电子调速系统，动力稳定性都是分析游车成因的共性切入点。
3. 引起游车的具体原因
（1）调速拉杆运动卡涩。润滑油不清洁或润滑不良；有异物进入配合副表面，引起调速拉杆发涩或阻力增大，因而调速器灵敏度降低。
（2）调速弹簧弹力减弱或安装不当，产生“共振”，调整幅度增大，使柴油机转速呈周期性变化。
（3）调速器的调整不当，机件配合过紧，运动阻力过大；供油拉杆移动不灵活。调速器内加注机油过多，由于油液的阻尼作用致使离心块伸缩受到阻碍而灵敏度下降。
（4）循环供油量调节过大。一个爆发引起转速变化极大，调速后重复首次现象，导致柴油机游车。
（5）从调速器齿轮到调速器，以至柱塞副，期间活动配合部位松旷。如：传动盘与推力盘、飞球座与圆盘支架，推力盘轴承等间隙过大，使拉杆移动滞后产生自由行程而供油不稳，引起柴油机游车。
（6）凸轮轴轴向间隙过大，干扰调速器工作。这些都会导致调速幅度增大，出现周期性波动；油泵控制机构运动阻力大，调整不及时。如：拉杆卡滞、柱塞转动不灵活或柱塞弹簧座装反等；从调速器齿轮到调速器，以至柱塞，其间因摩擦力过大而引起游车。如：飞球（或飞锤）运动阻力大，使调速滞后，传动盘或推力盘工作面磨出凹坑等，导致调速幅度增大，出现周期性波动。
（7）调速器内部机件或工作面磨损严重，导致调速器阻力过大，灵敏度降低。或使用磨损较大的柱塞副，增加了拉杆行程，也使停供转速偏高。
（8）调速器各连接点磨损超限，配合松旷，间隙增大，当柴油机转速改变时，飞重块离心推力必须逐一消除各间隙，才能拉动供油量调节齿条（或拨叉）增、减供油量，使调速器作用滞后。
（9）燃油系统油路中有水或空气，导致实际循环供油量不正常，以至断油，引起转速不稳和排气管“放炮”。燃油系统结构组成如图2所示。
4. 原因归类与排查思路
（1）按故障部位归类
上述九项原因可归为四类：一是调速器内部运动副的卡涩与磨损，如（1）（3）（5）（7）（8）；二是弹性元件与调整参数问题，如（2）（4）；三是外部传动与连接间隙问题，如（6）；四是燃油系统本身的供给异常，如（9）。归类之后，排查时可先判断故障更接近哪一类，缩小检查范围。
（2）按处理难度排序
从处理难度看，油路排气、油位检查、外部连接紧固属于现场可快速处理的环节，应优先排查；调速器内部机件磨损、柱塞副磨损等则需要解体检修，宜在外部因素排除后再进行。
（3）共性因素与个性因素
需要强调的是，不同原因最终都通过“调速系统动力稳定性被打破”这一共性环节表现出来。因此，分析具体故障时，既要针对具体零部件的个性问题，也要始终围绕调速系统动力稳定性这一主线，避免陷入零件式的孤立判断。
三、各类调速系统游车的产生及解决方案
1. 机械调速系统游车的产生及采取的相应措施
（1）机械调速系统的工作原理
机械调速系统采用机械调速器，柴油机带动调速器内部的离心飞锤转动，把飞锤的离心力与转速联系起来，通过离心力的动力带动高压油泵齿条伸长或缩短，实现柴油机根据负荷变化自动调节供油量的目的。同时，该调速器各运动摩擦副的润滑采用飞溅润滑的方式，即通过离心飞锤的运转，使聚集于调速器壳体内底部的润滑油飞溅起来，溅到各摩擦副实施润滑，因而，飞锤的角位移受到离心力（转速）的控制及润滑油飞溅阻力的影响。
（2）飞溅润滑阻力引发的周期性游车
由此可见，机械调速系统工作过程的稳定性受调速器离心飞锤受力平衡的制约，而离心飞锤受力平衡由离心力和润滑飞溅阻力相互影响的关系决定，飞锤在旋转的过程中，如果离心力远大于飞溅阻力，即飞溅阻力不足以对飞锤角位移产生改变，飞锤受力是平衡的。离心力的大小由转速决定，而飞溅阻力的大小由壳体内润滑油的数量（即润滑油油位）决定。当油位高到一定的位置时，飞溅阻力对飞锤角位移产生改变，动力过程的稳定性就被打破。由于飞锤在一定的转速下旋转时，只有在壳体下部才与润滑油接触，因而飞溅阻力的出现是周期性的，其对飞锤角位移的改变也是周期性的变化规律。周期性飞锤角位移的改变即带动了高压油泵齿条周期性的变化，此时，游车现象产生。
（3）机械调速系统游车的解决措施
根据以上分析，解决机械调速系统的游车应采取以下措施：
① 严格控制调速器壳体内油位高度，在维护保养与检修过程中确实履行加油后打开验油堵验油位，确保系统稳定运行对油位的要求。
② 操作员采用的机械调速器的验油位方式为油堵式，验油堵的频繁松紧，可能造成壳体丝牙损坏，因此，把油堵验油方式改为有机玻璃盖式油尺或管式油尺，在方便加油验油的同时保证壳体丝牙不受损坏。
③ 检修过程中确保飞锤摆动灵活，确保调速弹簧及其他弹簧等部件的可靠性，并进行调节，如图3所示。
2. 电子调速系统游车的产生及采取的相应措施
（1）电子调速系统的组成与PID控制
电子调速系统由信号输入部分、控制部分（转速调节器）及执行机构等组成。柴油发电机组游车现象的产生主要受控制部分和执行机构技术状态影响。从数字式转速调节器来说，影响稳态稳定性的重要参数为PID，PID参数的正确调整对调速系统的动力稳定性显得尤其重要。所谓PID控制就是通过一个中间环节的比例、积分和微分三部分的协调作用，使系统对柴油机转速信号输入变化能及时地反应并有效地控制。
（2）PID参数与机械磨损的匹配关系
一般来说，PID的调整在柴油发电机组出厂时已调好。理论分析，PID参数与游车现象的产生应该联系不大；但实际上由于柴油机出厂时各运动摩擦副的间隙在柴油发电机组运用过程中会产生变化，因而，柴油机在两周即720°的一个工作循环中，不可能有一个较均衡的与出厂时相同的曲轴推动力及曲轴旋转阻力。在柴油发电机组运用过程中，当曲轴推动力与曲轴旋转阻力的变化超过一定范围时，即造成柴油机转速信号的变化超过原有PID参数有效控制的范围，调速器的稳定性被打破，游车现象产生。
（3）执行器液压油对稳定性的影响
另外，执行器也会导致游车现象的产生，首先是执行器对液压油油质的要求，若油太稠或太稀，即油的粘度太大或太小，都将影响执行器稳定的工作。在实际运行过程中，执行器工作温度为60℃~93℃，对液压油粘度的选择应考虑到温度对粘度的影响，较为理想的粘度指标应控制在20~65 CST（厘斯）。另外，在新加或更换执行器的液压油时，由于油路中存在有一些空气也会对执行器动力稳定性产生影响，产生游车现象，但此时的游车现象会随油的循环流动而逐步排尽空气表现出一个收敛的过程，即随柴油机运转时间的增加而逐步减小而消失。
（4）电子调速系统游车的解决措施
根据以上分析，解决电子调速系统的游车应采取以下措施：
① 启动后，若有游车现象，注意观察游车现象是否收敛，若不是，则必须对电子调速器的参数进行调整，如图4所示。
② 检修过程中，注意各运动摩擦副是否存在非正常磨耗。由于非正常磨耗的存在，使柴油机自身机械损失产生周期性变化，引起游车。因而，在解体检修柴油机时，在测量检查运动摩擦副间隙时，对存在的非正常磨耗要做细致分析，彻底找出引起非正常磨耗的原因并消除。
③ 对输入电压进行监测和检修，确保电源的稳定。
④ 加强对调速器的日常维护，及时更换损坏的部件，确保调速器的正常工作。
⑤ 及时更换柴油机燃油滤清器，保障燃油系统正常工作。
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图3 柴油机机械式喷油泵调速器调节示意图 |
图4 柴油机电子调速器转速调节示意图 |
总结
通过以上分析可知，柴油机游车现象的产生机理和解决处理方法因调速系统原理和结构的不同有较大差异。其意义在于：处理游车故障时，不能仅凭“转速不稳”这一表象盲目更换零件，而应从调速器在柴油机上的作用和工作过程入手，具体分析游车的故障表现及与调速器动作过程的关系，重点放在调速系统的动力稳定性这一共性因素上。通过不同调速系统的工作过程，具体分析各零部件技术状态不良所引起的调速系统动力稳定性变化，并制定和实施恢复其零部件技术状态的检修方案和预防措施，才能较好地预防和处理柴油机游车这一故障，保障柴油发电机组输出功率和电压的稳定。
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