故障檢查與技術(shù)維護(hù)

柴油發(fā)電機(jī)積碳多的原因、易出現(xiàn)部位和處理法

 

摘要：所謂柴油機(jī)積碳實(shí)際上是柴油和竄入燃燒室的機(jī)油不完全燃燒的產(chǎn)物，在柴油機(jī)活塞的頂部、燃燒室壁和氣門周圍產(chǎn)生積炭是較為常見的現(xiàn)象。本文簡(jiǎn)要介紹了柴油機(jī)積碳的形成機(jī)理，從柴油和機(jī)油油品，保養(yǎng)不及時(shí)，操作不當(dāng)?shù)葞讉€(gè)方面對(duì)積碳形成進(jìn)行分析，說明了積碳對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的危害，通過制定減少積碳的預(yù)防措施，抑制柴油機(jī)積碳的形成取得了良好的效果。

 

一、積碳形成原理

 

      柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，汽缸蓋、缸套、活塞、活塞環(huán)、氣門、噴油器等零件以及燃燒室表面會(huì)黏著一層積碳，它是柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中燃料和潤(rùn)滑油高溫氧化作用的產(chǎn)物。在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，燃燒室內(nèi)因氧氣供應(yīng)不足，柴油和竄入的潤(rùn)滑油不能完全燃燒而產(chǎn)生油煙和焦油微粒，它們同潤(rùn)滑油混合在一起氧化成膠狀液體——羥基酸，羥基酸進(jìn)一步氧化成樹脂狀膠質(zhì)物牢固地附著在機(jī)器零件上，在高溫不斷作用下，膠質(zhì)物聚合成硬質(zhì)膠結(jié)物，即積碳。積碳主要成分有潤(rùn)滑油、羥基酸、瀝青質(zhì)、油膠質(zhì)、硫酸鹽、硅化物等。柴油機(jī)溫度越高，形成的積碳越硬越緊密，與金屬粘結(jié)越牢固。

      在柴油發(fā)電機(jī)積碳生成機(jī)理中我們得知，積碳產(chǎn)生的溫度在195-290℃之間，而在200℃的條件下，積碳的生成速度最快。所以當(dāng)缸內(nèi)局部溫度達(dá)到200℃左右的時(shí)候，積碳就會(huì)瘋狂形成。有人會(huì)說，柴油發(fā)電機(jī)的工作溫度不是90℃左右嗎，怎么會(huì)達(dá)到那么高？這里我們要明確90攝氏度指的是冷卻液溫度，而燃燒溫度指的是柴油發(fā)電機(jī)缸內(nèi)油氣混合氣燃燒時(shí)的溫度，溫度可是要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于90℃的。而當(dāng)某些特定的部位的溫度區(qū)間剛好在195-290℃之間時(shí)，多多少少就會(huì)有積碳在這些部位生成。柴油機(jī)行業(yè)對(duì)于積碳的定義是，柴油不完全燃燒產(chǎn)生的碳，其實(shí)更準(zhǔn)確的說，這些不完全燃燒產(chǎn)生的碳在這個(gè)特定溫度下，和缸壁的金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這些炭（Carbon）十分牢固地粘在了缸壁上，這才產(chǎn)生了我們所說的積碳。

      大量的積炭會(huì)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的性能是由一定的影響的，其最終的表現(xiàn)是使燃燒不良、傳熱惡化并降低噴油器工作的可靠性。

 

二、積碳容易出現(xiàn)的區(qū)域

 

1、進(jìn)氣歧管積碳

      很多用戶都不太重視進(jìn)氣道的積碳，其實(shí)進(jìn)氣歧管的積碳也是影響很大的，部位如圖1所示。積碳多了就會(huì)導(dǎo)致混合氣體比列不均，從而造成進(jìn)氣量不足、油耗增加的情況，進(jìn)氣歧管積碳的積碳也大多是以一些油泥為主。

2、噴油嘴積碳

      噴油嘴積碳一般不會(huì)太嚴(yán)重，但是也會(huì)有，主要是一些柴油里面雜質(zhì)過多引起的，原因是我們熄火后，發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度依然還會(huì)很高，這個(gè)時(shí)候噴油嘴上殘留的柴油就會(huì)揮發(fā)掉，但是一些劣質(zhì)柴油剩下的雜質(zhì)是無法揮發(fā)的，所以日積月累就形成了積碳。

3、進(jìn)氣閥積碳

      進(jìn)氣門背面是最容易形成積碳的，區(qū)域如圖2所示。主要來源就是曲軸箱廢氣里的機(jī)油蒸汽，這些機(jī)油蒸汽在經(jīng)過進(jìn)氣閥時(shí)其中的機(jī)油蒸汽會(huì)吸附在進(jìn)氣閥上。還有一部分來自柴油中的雜質(zhì)和重質(zhì)成分。這些機(jī)油顆粒和雜質(zhì)粘在進(jìn)氣閥上在高溫下逐漸碳化，形成堅(jiān)硬的積碳。

 

圖1  柴油機(jī)進(jìn)氣歧管積碳部位

圖2  柴油機(jī)進(jìn)氣門積碳部位示意圖

 

4、氣缸套和缸體表面積碳

      氣缸內(nèi)外的積碳主要是來自與燃料的殘留物，一般都是由于燃燒不充分、雜質(zhì)過多、燒機(jī)油等情況造成的。

5、活塞頂部積碳

      活塞頂部積碳主要是混合氣體不完全燃燒造成的，其積碳部位如圖3所示。

6、活塞環(huán)積碳

      活塞環(huán)積碳是一種常見的問題，它發(fā)生的部位如圖4所示。由于燃油和機(jī)油的不完全燃燒，會(huì)在活塞環(huán)上形成沉積物，這些沉積物最終硬化成積碳。

 

圖3  活塞頂部積碳部位示意圖

圖4  活塞環(huán)積碳部位示意圖

 

三、積碳形成原因分析

 

      柴油機(jī)積碳產(chǎn)生原因比較復(fù)雜，與柴油機(jī)結(jié)構(gòu)、燃油和潤(rùn)滑油的種類、所處工作條件、工況等密切相關(guān)，以下從柴油機(jī)柴油和潤(rùn)滑油油品、操作、保養(yǎng)等方面進(jìn)行分析。

1、柴油油品差

      柴油品質(zhì)越差，含殘?zhí)贾翟礁撸揭渍T發(fā)柴油機(jī)形成積碳。同時(shí)，油品較差的柴油中酸性物質(zhì)和水分使噴油器早期磨損，導(dǎo)致其工作不正常，使燃燒室內(nèi)柴油燃燒不充分而形成積碳;柴油中的雜質(zhì)在柴油機(jī)工作時(shí)不能燃燒，雖然大部分被排出機(jī)外，但仍有少量殘留物不斷累積在噴油嘴噴孔、燃燒室、氣門口及傳感器表面形成附著，在高溫氧化作用下形成積碳。

      根據(jù)柴油機(jī)工作環(huán)境和季節(jié)，選擇柴油牌號(hào)不當(dāng)，最低氣溫低于柴油凝固點(diǎn)時(shí)，柴油結(jié)蠟而堵塞柴油濾清器，導(dǎo)致燃油系統(tǒng)供油不暢，噴油器霧化不良而形成積碳。

2、噴油器工作不正常

      在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，噴油器向燃燒室內(nèi)噴入均一、細(xì)微、均勻的柴油，當(dāng)噴油器發(fā)生霧化不良、噴油壓力過高或過低、噴油時(shí)間提前或延遲、噴油過多等某一故障時(shí)，使進(jìn)入燃燒室內(nèi)的柴油達(dá)不到要求而燃燒不充分或來不及燃燒而形成積碳。

3、機(jī)油粘度低或加注過多

      在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，機(jī)油除潤(rùn)滑運(yùn)動(dòng)件表面之外，還不斷清洗、清潔運(yùn)動(dòng)件表面，在潤(rùn)滑系統(tǒng)循環(huán)過程中燃燒室內(nèi)不可避免地進(jìn)入少量機(jī)油，因機(jī)油品質(zhì)差致使進(jìn)入燃燒室內(nèi)的機(jī)油不能完全燃燒而形成積碳。機(jī)油粘度低、加注過多均使進(jìn)入燃燒室內(nèi)的機(jī)油增多而形成積碳。

4、 柴油機(jī)竄機(jī)油

      當(dāng)柴油機(jī)活塞環(huán)磨損、活塞與缸套間隙過大、氣門與氣門導(dǎo)管間隙超過允許尺寸或機(jī)油壓力過大時(shí)，均使進(jìn)入燃燒室內(nèi)的機(jī)油量增多，不能充分燃燒而生成積碳。

5、 柴油機(jī)漏氣

      當(dāng)汽缸螺母松動(dòng)、汽缸墊破損、噴油器與汽缸蓋密封不良均導(dǎo)致汽缸漏氣，造成汽缸內(nèi)混合氣體壓力不足，難以產(chǎn)生高溫使柴油完全燃燒而生成積碳;進(jìn)、排氣門漏氣、配氣相位不正確或氣門堵塞，進(jìn)入汽缸內(nèi)的空氣量減少造成柴油燃燒不完全而生成積碳。柴油機(jī)氣門與氣門座的配合部位磨損、燒蝕或粗糙等密封不良，氣門間隙過小，氣門積碳過多，氣門在導(dǎo)管內(nèi)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)發(fā)澀或卡滯、汽缸蓋螺栓緊固力矩不一致等導(dǎo)致氣門漏氣。

6、氣門間隙調(diào)整過小

      柴油發(fā)電機(jī)的氣門間隙一般為0.2～0.3 mm，氣門間隙調(diào)整過小，氣門桿受熱后膨脹會(huì)被搖臂經(jīng)常頂開，使氣門關(guān)閉不嚴(yán)，導(dǎo)致氣門密封錐面嚴(yán)重積碳或燒損。氣門與氣門導(dǎo)管間隙過大，機(jī)油吸入燃燒室，嚴(yán)重時(shí)約占竄入燃燒室機(jī)油量的30%。

7、柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)

      燃油泵在調(diào)速器作用下增加供油量以提高柴油機(jī)輸出扭矩，同時(shí)因外界阻力過大使柴油機(jī)轉(zhuǎn)速下降，此時(shí)進(jìn)入燃燒室內(nèi)柴油增多，因轉(zhuǎn)速下降進(jìn)入空氣量減少，汽缸內(nèi)油氣混合氣體濃度增大，柴油不能充分燃燒而形成積碳。

 

四、積碳的解決方法及預(yù)防措施

 

1、加大負(fù)載清除積碳

      如果我們把柴油發(fā)電機(jī)積碳這個(gè)現(xiàn)象級(jí)事情，理解為一個(gè)動(dòng)態(tài)過程的話，問題就會(huì)變得更加清晰。如果積碳的產(chǎn)生速度比積碳消失速度快，柴油發(fā)電機(jī)內(nèi)部的積碳含量必將越來越多，多到一定程度的時(shí)候，就是時(shí)候做一次全面保養(yǎng)（缸內(nèi)清洗）。如果積碳的消失速度大于產(chǎn)生速度，那么就完全不必?fù)?dān)心積碳對(duì)柴油發(fā)電機(jī)壽命和工況的危害。尤其是搭載缸內(nèi)直噴的柴油發(fā)電機(jī)，由于其燃油噴射方式的特殊性，使其缸壁更容易產(chǎn)生積碳。而行家口中所說的拉轉(zhuǎn)速，是指在高負(fù)載高轉(zhuǎn)速的條件下，柴油發(fā)電機(jī)由于快速做功，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量熱量，將缸內(nèi)積碳燒掉，以達(dá)到清除積碳的目的。

      積碳自動(dòng)脫落的原理是一旦溫度低于195℃或高于290℃，這些碳不容易與金屬發(fā)生粘連，因此會(huì)隨著尾氣排出柴油發(fā)電機(jī)。簡(jiǎn)短總結(jié)一下，溫度在195-290℃之間，最容易產(chǎn)生積碳。而一旦碳和柴油發(fā)電機(jī)內(nèi)部機(jī)件發(fā)生粘連，頑固的積碳就真真正正形成了。根據(jù)康明斯公司的柴油發(fā)電機(jī)機(jī)活塞積碳影響因素這篇論文中提到：當(dāng)局部溫度達(dá)到325℃以后，柴油發(fā)電機(jī)內(nèi)附著的頑固積碳會(huì)被剝離，相當(dāng)于此時(shí)柴油發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量，足以讓積碳滾蛋。而且，一旦溫度高于325℃，完全不會(huì)有積碳產(chǎn)生，而且這些掉下來的積碳會(huì)隨著柴油發(fā)電機(jī)尾氣排出缸體。

2、專業(yè)清理方法

（1）堿洗法：使用專門的氫氧化鈉溶液或堿性添加劑，通過溶解堿性溶液中的堿性離子來清除積碳。

（2）機(jī)械物理法：將氣缸拆卸下來，使用機(jī)械工具（如刷子、清洗液等）進(jìn)行物理清理，清除氣缸內(nèi)的積碳。

① 如圖5所示，使用刮刀或 Scotch-Brite™ 7448及溶劑清潔缸蓋上表面。

② 如圖6所示，使用 Scotch-Brite™ 7448及溶劑清潔缸套座和下部缸套密封表面。

 

（3）氫氣清洗法：通過向氣缸內(nèi)注入氫氣來清除積碳。氫氣可以在高溫下與碳結(jié)合，形成易揮發(fā)的化合物，從而清潔氣缸。

2、正確使用柴油機(jī)

      在柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)監(jiān)視機(jī)油壓力和溫度的變化，防止柴油機(jī)過熱工作，不得使柴油機(jī)超負(fù)荷長(zhǎng)時(shí)間工作和長(zhǎng)時(shí)間怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。柴油機(jī)停機(jī)時(shí)，應(yīng)先卸除負(fù)荷，降低油門，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)2 min左右再停機(jī)。在低溫環(huán)境下，防止柴油機(jī)過冷工作。每天首次啟動(dòng)柴油機(jī)時(shí)，首先須檢查機(jī)油壓力，待機(jī)油壓力顯示正常，才可適當(dāng)提升轉(zhuǎn)速以滿足發(fā)電機(jī)發(fā)電之用，當(dāng)發(fā)電機(jī)正常發(fā)電時(shí)，以中等轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)預(yù)熱柴油機(jī)，機(jī)體溫度升至40℃以上方可帶負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)。

3、對(duì)柴油機(jī)檢查保養(yǎng)

（1）檢查進(jìn)氣系統(tǒng)的配置是否齊全、正確，空氣濾、增壓器總成與進(jìn)氣管系統(tǒng)各連接部分卡箍是否緊固到位，是否有漏氣現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。

（2）及時(shí)清洗或更換空氣濾清器濾清器。根據(jù)柴油機(jī)工作環(huán)境，縮短空氣濾清器清理和濾清器更換周期，當(dāng)發(fā)現(xiàn)濾清器臟污報(bào)警時(shí)，應(yīng)及時(shí)清理或更換空氣濾清器。

（3）檢查冷卻風(fēng)扇進(jìn)氣通道暢通，確保冷卻風(fēng)扇傳動(dòng)系統(tǒng)工作正常和冷卻室密封性良好，定期清理機(jī)油散熱器、中冷器，汽缸套等散熱部件表面異常附著的油污，保證柴油機(jī)散熱性能良好。

（4）檢查燃油系統(tǒng)，及時(shí)排除進(jìn)入燃油系統(tǒng)內(nèi)的空氣，定期清洗或更換柴油濾清器，發(fā)現(xiàn)滲油處所及時(shí)處理，尤其是噴油器、高壓油泵與高壓油管的連接處。

（5）按季節(jié)、柴油機(jī)工作時(shí)間及時(shí)更換機(jī)油和機(jī)油濾清器濾清器，防止機(jī)油變質(zhì)而導(dǎo)致積碳的生成。柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中應(yīng)監(jiān)視機(jī)油壓力變化，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理，防止過多的機(jī)油進(jìn)入燃燒室。

 

圖5  柴油機(jī)缸體表面積碳清理

圖6  柴油機(jī)缸套座和密封表面積碳清理

 

總結(jié)：

      為降低柴油機(jī)積碳的生成速度，減少積碳對(duì)柴油機(jī)的影響，提高柴油機(jī)的動(dòng)力性能，我們通過對(duì)在惡劣環(huán)境中運(yùn)轉(zhuǎn)柴油機(jī)空氣濾清器的改造，制定減少柴油機(jī)積碳的預(yù)防措施，培訓(xùn)操作人員提高其使用和維護(hù)保養(yǎng)柴油機(jī)技能，達(dá)到了抑制積碳生成的速度、延長(zhǎng)柴油機(jī)使用壽命的目的。

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