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康明斯動力(深圳)有限公司

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康明斯柴油發(fā)電機(jī)冒黑煙的原因分析與解決措施
發(fā)布時間:2023-12-28 00:08:12  ▏閱讀:

 

故障檢查與技術(shù)維護(hù)

康明斯柴油發(fā)電機(jī)冒黑煙的原因分析與解決措施

 

摘要:柴油發(fā)電機(jī)組排氣時冒黑煙現(xiàn)象的存在,會造成燃料浪費(fèi)和大氣污染,同時會對柴油機(jī)各系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響,降低康明斯發(fā)電機(jī)組的使用效率。柴油機(jī)排氣時冒黑煙是一個綜合問題,可由進(jìn)氣系統(tǒng)故障、壓縮壓力問題、功率超載等造成。應(yīng)首先從進(jìn)氣系統(tǒng)的空氣濾清器、增壓器、中冷器展開技術(shù)分析,其次從影響壓縮壓力的壓縮比調(diào)整墊、活塞環(huán)、氣缸套、氣門等幾個方面加以分析;再次從造成功率超載的聯(lián)合調(diào)節(jié)器、可調(diào)電阻等角度進(jìn)行探討。因此,康明斯公司通過對柴油發(fā)電機(jī)組排氣時冒黑煙現(xiàn)象的技術(shù)分析與處理,解決了在進(jìn)氣系統(tǒng)、壓縮壓力、功率調(diào)節(jié)方面存在的問題。

 

一、排氣冒黑煙現(xiàn)象原因的分析

 

1、進(jìn)氣系統(tǒng)發(fā)生故障而引起的

      康明斯系列柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)氣系統(tǒng)由空氣濾清器、增壓器及中冷器等幾部分組成,因此從這幾方面分析其原因。

(1)空氣濾清器方面原因。

      當(dāng)空氣濾清器被灰塵堵塞導(dǎo)致氣流通行不暢時,會使進(jìn)入柴油機(jī)各氣缸內(nèi)參與燃燒的空氣量減少。在一般情況下,當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1000r/min,在柴油機(jī)氣缸內(nèi)燃料爆發(fā)前,燃燒室應(yīng)充滿體積為0.0029m³、壓強(qiáng)值約在280.33 kPa的壓縮空氣。當(dāng)經(jīng)由空氣濾清器實(shí)際提供的空氣量下降幅度很大時,就會使后續(xù)步驟可提供的壓縮空氣量下降,從而導(dǎo)致柴油機(jī)柴油機(jī)出現(xiàn)排氣冒黑煙的現(xiàn)象。

(2)增壓器方面原因。

      作為進(jìn)氣系統(tǒng)的增壓機(jī)構(gòu),以ZN250C為例,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2500r/min時,一般進(jìn)口壓力為95kPa,而出口壓力為250kPa,增壓倍數(shù)為2.63,原理如圖1所示。當(dāng)增壓器出現(xiàn)油封漏油或轉(zhuǎn)子彎曲時,會導(dǎo)致增壓效果下降,造成進(jìn)入氣缸內(nèi)空氣質(zhì)量下降且數(shù)量減少,導(dǎo)致柴油機(jī)柴油機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重冒黑煙。

(3)中冷器方面原因。

      中冷器結(jié)構(gòu)如圖2所示。作為壓縮空氣進(jìn)入柴油機(jī)氣缸前的冷卻機(jī)構(gòu),中冷器起著降低溫度并增加氣缸進(jìn)氣量的作用,如果中冷器水腔結(jié)垢及氣腔有污物時,會導(dǎo)致進(jìn)入氣缸內(nèi)的氣量減少,從而也會引起柴油機(jī)柴油機(jī)冒黑煙現(xiàn)象出現(xiàn)。

2、各缸壓縮壓力降低而引起的

      造成柴油機(jī)各缸壓縮壓力低的原因如下:

(1)氣缸蓋與缸套上沿之間存在氣隙。此氣隙在二者之間的壓縮比墊處顯示出來。這個氣隙的存在,將極大地降低壓縮壓力,使燃燒惡化。

(2)活塞環(huán)、缸套內(nèi)壁各自的不規(guī)則磨損變化。在一般情況下,缸套內(nèi)徑的圓度應(yīng)保持在0.005mm范圍內(nèi),而圓柱度應(yīng)保持在0.015mm;活塞環(huán)應(yīng)無變形和磨損。當(dāng)此條件無法達(dá)到時,會降低壓縮壓力,也會引起燃燒惡化。

(3)氣門關(guān)閉不嚴(yán)。此現(xiàn)象由氣門間隙發(fā)生變化、氣門座脫落、氣閥機(jī)構(gòu)彈簧彈力不足等原因引起,也會導(dǎo)致柴油機(jī)柴油機(jī)排氣時冒黑煙。

3、由柴油機(jī)超載而引起的

      在發(fā)電機(jī)組進(jìn)行水阻試驗(yàn)時,各轉(zhuǎn)速下功率范圍是固定的。當(dāng)聯(lián)合調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障或CF勵磁調(diào)整管電阻、油壓馬達(dá)工作調(diào)整管電阻、勵磁調(diào)整管電阻的阻值發(fā)生變化時,就有可能使各轉(zhuǎn)速下的功率值向增大方向轉(zhuǎn)變,從而導(dǎo)致柴油機(jī)超載而冒黑煙。

(1)聯(lián)合調(diào)節(jié)器方面原因。

       動力活塞向增大方向持續(xù)變化時,會使柴油機(jī)出現(xiàn)超載冒黑煙現(xiàn)象;另外,功調(diào)電阻卡在較小阻值位置時,也會導(dǎo)致排氣冒黑煙的情況。

(2)CF勵磁調(diào)整管電阻、勵磁調(diào)整管電阻方面原因

      勵磁調(diào)整管電阻的阻值一般在20Ω±2Ω,當(dāng)它降到18Ω以下時,由于勵磁機(jī)勵磁電流過大,就會出現(xiàn)主發(fā)電機(jī)功率過大并導(dǎo)致柴油機(jī)超載冒黑煙;CF勵磁調(diào)整管電阻的阻值一般在400Ω左右,當(dāng)其阻值過分降低,會引起測速發(fā)電機(jī)勵磁電流過大,從而也會導(dǎo)致主發(fā)電機(jī)功率過大和柴油機(jī)冒黑煙。

(3)勵磁調(diào)節(jié)器方面原因。

      康明斯系列柴油發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速為800r/min以下的功率調(diào)節(jié),是依靠勵磁調(diào)節(jié)器來實(shí)現(xiàn)的,而且柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為800~1000r/min范圍內(nèi),勵磁調(diào)節(jié)器也協(xié)助油馬達(dá)共同完成勵磁。但當(dāng)勵磁調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障時,柴油機(jī)在個別轉(zhuǎn)速下超載冒黑煙的情況就有可能出現(xiàn)。

 

柴油機(jī)增壓器工作原理圖.png

圖1  柴油機(jī)增壓器工作原理圖

柴油機(jī)中冷器結(jié)構(gòu)示意圖.png

圖2  柴油機(jī)中冷器結(jié)構(gòu)示意圖

 

二、解決排氣冒黑煙的系統(tǒng)性措施

 

1、柴油機(jī)空氣消耗量與進(jìn)氣密度校驗(yàn)

(1)柴油機(jī)空氣消耗量估算

Ge=(NegeαηsL0 / 3600)×10-3...........(公式1)

      式中,Ge為空氣耗量,(kg·s-1);Ne為柴油機(jī)單缸功率,kW;ge為柴油機(jī)燃油消耗率,(g.kW-1·h-1);α為過量空氣系數(shù),α=2.1;ηs為掃氣系數(shù),ηs=1.02;L0 為空燃比,L0 =14.3。

      按110%負(fù)荷要求,將Ne=165kW和ge=203(g·kW-1.h-1)等數(shù)據(jù)代入式(1),得Ge=0.2878(kg.s-1)。又由柴油機(jī)轉(zhuǎn)速1000(r/min-1)和沖程數(shù)求得每工作循環(huán)所需供氣量G’c=Gc/ncam=0.0345(kg.cyc-1)。

(2) 進(jìn)氣密度

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

式中,ρ’為濕空氣密度,(kg·m-3);

ρ0為干空氣密度,ρ0=1.2928(kg·m-3);

P為濕空氣的全壓力,p=0.3013 MPa(p=pz+p0,其中pz為增壓后的空氣壓力,pz=0.21 MPa,p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,p0=0.1013 MPa);

φ為空氣相對濕度,φ=90%;

pb為飽和空氣中水蒸氣的分壓力,pb=0.01575 MPa;

t為進(jìn)氣溫度,t=55 ℃。

      將數(shù)據(jù)代入式(2),算得ρ’=3.3(kg·m-3)。

(3)對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整

① 空氣濾清器的調(diào)整

      檢修時在空氣濾清器拆下來后,發(fā)現(xiàn)濾膜上灰塵很多,應(yīng)采取更換濾清器的辦法來解決。

② 增壓器的調(diào)整

      增壓器檢修后應(yīng)達(dá)到的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1    增壓器檢修后應(yīng)達(dá)到的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

測點(diǎn)代號
增壓器折合轉(zhuǎn)速
(r/min-1
進(jìn)口絕對壓力
(kPa)
出口絕對壓力
(kPa)
壓比
1
17004
97.82
164.25
1.66
2
19512
96.96
187.68
1.9
3
24325
94.79
249.2
2.54
4
24490
93.71
280.33
2.57
5
26808
96.29
265.2
2.85
6
23539
96.34
265.3
2.75
 

③ 中冷器的調(diào)整

      中冷器解體后,在氣腔的冷卻片上,發(fā)現(xiàn)有許多污物,應(yīng)采取高溫清洗等辦法處理清潔。

2、柴油機(jī)各缸壓縮壓力的修正

(1)壓縮間隙調(diào)整方面,應(yīng)以16.2~16.3mm標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)整,壓縮比調(diào)整墊有損壞或尺寸超差的應(yīng)全部更換。

(2)氣缸應(yīng)測尺檢定,全部氣缸測尺后,若缸套符合要求,但活塞環(huán)磨損較大,活塞環(huán)應(yīng)全部更換。

(3)對所有氣門座及彈簧進(jìn)行檢查確認(rèn),所有氣門都需進(jìn)行研磨,氣門冷態(tài)間隙應(yīng)按進(jìn)氣0.4mm、排氣0.5mm進(jìn)行調(diào)整。

4、 配氣相位優(yōu)化設(shè)計(jì)

      合理的配氣相位可以最大限度地提高柴油機(jī)的進(jìn)排氣效率和進(jìn)排氣質(zhì)量,對柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放產(chǎn)生直接影響。最佳配氣相位隨轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的改變而變化。采用BMEP CONTROL模塊控制模型的噴油量,分別設(shè)定柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速為450(r/min-1)和1500(r/min-1),并使之達(dá)到規(guī)定的輸出功率值;再根據(jù)配氣相位的相互影響,通過鎖定其中三相位,確定另一相位的辦法,依次確定新的配氣相位,見表2。

 表2    配氣相位優(yōu)化設(shè)計(jì)值

配氣相位
優(yōu)化前
優(yōu)化后
IVO/(°)
50
45
IVC/(°)
20
15
進(jìn)氣持續(xù)角/(°)
250
240
EVO/(°)
60
50
EVC/(°)
50
45
排氣持續(xù)角/(°)
290
275
重疊角/(°)
100
90

 

      針對重新確定氣門升程和配氣相位的凸輪軸方案,通過仿真分析優(yōu)化前后的差異,確定優(yōu)化方案的可行性。

(1)氣門時面值分析

      通過圖3時面值對比,可見:進(jìn)氣門時面值減小了約17.6%,排氣門時面值減小了約19.5%。

(2)燃燒分析

      通過仿真分析優(yōu)化前后低速工況450(r/min-1)和額定轉(zhuǎn)速工況1500(r/min-1)時的過量空氣系數(shù)λ和燃油耗指標(biāo),可得出:λ=1.2~1.3為壓燃式內(nèi)燃機(jī)冒煙界限,也即當(dāng)λ≤1.2~1.3時,柴油機(jī)會大量冒黑煙。

5、氣門升程優(yōu)化設(shè)計(jì)

      氣門升程直接影響柴油機(jī)的換氣性能,從而對柴油機(jī)的動力、經(jīng)濟(jì)和排放性能產(chǎn)生重要影響。而最佳的升程隨著轉(zhuǎn)速與負(fù)荷的改變而變化。針對柴油機(jī)工況,通過對氣門升程進(jìn)行優(yōu)化,在提高柴油機(jī)低工作轉(zhuǎn)速時的扭矩輸出能力的同時,適當(dāng)兼顧高轉(zhuǎn)速工況時的動力性和經(jīng)濟(jì)性的需求。柴油機(jī)工作段的氣門升程、缸壓及進(jìn)氣壓力曲線如圖4所示。

6、對功率重新整定

      聯(lián)合調(diào)節(jié)器進(jìn)行清洗,同時在水阻試驗(yàn)臺上對動力活塞位置和懸掛點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整,功調(diào)電阻也要進(jìn)行檢測。測量勵磁調(diào)整管電阻并根據(jù)測速發(fā)電機(jī)的勵磁電流對CF勵磁調(diào)整管電阻、油壓馬達(dá)工作調(diào)整管電阻進(jìn)行調(diào)整。

      對優(yōu)化前后的凸輪軸方案進(jìn)行柴油機(jī)性能對比試驗(yàn)(外特性+極限負(fù)荷試驗(yàn)),測功數(shù)據(jù)見圖5、圖6。經(jīng)比較可以看出:優(yōu)化后凸輪軸在低轉(zhuǎn)速工況的輸出能力明顯優(yōu)于優(yōu)化前,高轉(zhuǎn)速工況未見明顯惡化。柴油機(jī)突加負(fù)荷能力提升20%。

 

柴油機(jī)氣門時面值圖.png

圖3  柴油機(jī)氣門時面值圖

柴油機(jī)工作段的氣門升程、缸壓及進(jìn)氣壓力.png

圖4  柴油機(jī)工作段的氣門升程、缸壓及進(jìn)氣壓力

柴油發(fā)電機(jī)優(yōu)化前測功圖.png

圖5  柴油發(fā)電機(jī)優(yōu)化前測功圖

柴油發(fā)電機(jī)優(yōu)化后測功圖.png

圖6  柴油發(fā)電機(jī)優(yōu)化后測功圖

 

總結(jié):

      柴油發(fā)電機(jī)黑煙是燃燒不充分的表現(xiàn),能看見的是炭黑,如果有危害也就是吸入性粉塵,還有燃燒不充分會產(chǎn)生一氧化碳的,會對空氣造成污染,一氧化碳會使人中毒。通過上述對康明斯系列發(fā)電機(jī)組排氣冒黑煙原因進(jìn)行技術(shù)分析并采取技術(shù)防范措施,柴油機(jī)冒黑煙問題可得到解決。因此,在日常檢修中只有對每一部件的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體分析,找出問題原因,采取相應(yīng)防范措施,才能保證設(shè)備安全運(yùn)行。


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