故障檢查與技術(shù)維護

柴油發(fā)電機“積碳”的形成、影響及清除手段

 

摘要：積碳容易引起柴油機發(fā)抖、冷啟動困難、帶載無力、燃油油耗高、機油消耗量大、尾氣排放超標。積碳嚴重時，可能引起氣門燒蝕、活塞燒頂、粘氣門、早燃、爆燃、拉缸等故障，甚至導(dǎo)致柴油發(fā)電機報廢。柴油發(fā)電機組積碳故障是由好多原因造成的，如果發(fā)現(xiàn)后仍然不去處理，慢慢的都會成大問題的。因此，康明斯公司在本文中論述了柴油發(fā)電機在使用過程中積碳的生成機理，并詳細介紹了積碳對柴油機的影響、防治積碳的注意事項及清除積碳的方法。

 

一、積碳的生成機理與預(yù)防措施

 

1、積碳的形成

      積碳產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，與柴油發(fā)電機的結(jié)構(gòu)以及使用燃料和潤滑油的種類、所處工作條件及工況等密切相關(guān)。目前國內(nèi)由于試驗設(shè)備條件的限制，對其生成機理并未形成很完善的系統(tǒng)理論。目前為人們所普遍接受的一種觀點是：積碳是燃料及潤滑油在高溫氧化作用下的產(chǎn)物。在燃燒室中，氧氣供應(yīng)不足，燃料和竄入燃燒室的潤滑油料不能完全燃燒，而產(chǎn)生油煙和焦油微粒，它們和潤滑油混合在一起后，進一步氧化成為稠性膠狀液體——羥基酸（如圖1所示）。羥基酸又進一步氧化變成一種半流體樹脂狀膠質(zhì)，牢固地粘附在零件上，并在高溫的不斷作用下，膠質(zhì)又聚合成更復(fù)雜的聚合物——硬質(zhì)膠結(jié)碳，即成了積碳（如圖2所示）。積碳的組成成分有潤滑油、羥基酸、瀝青質(zhì)、油膠質(zhì)、碳青質(zhì)、硫酸鹽、硅化合物等，并且柴油發(fā)電機溫度越高，形成的積碳也越硬越緊密，與金屬粘結(jié)越牢固。

2、減少積碳的措施

      柴油發(fā)電機在工作過程中，積碳不可避免的要生成，應(yīng)根據(jù)其生成機理及日常使用經(jīng)驗，采取措施，控制積碳的生成。具體方法是：

（1）合理調(diào)整柴油發(fā)電機，使柴油發(fā)電機燃料系統(tǒng)處于良好的工作狀態(tài)。

（2）及時清理水套水垢，防止冷卻水溫及潤滑油溫過高。

（3）按規(guī)定牌號使用燃油及潤滑油。

（4）作好保修工作，如柴油發(fā)電機“三濾”的保養(yǎng)、潤滑油的檢查與更換、燃燒室積碳的清除以及活塞環(huán)的適時更換等。

（5）正確使用柴油發(fā)電機，防過冷、過熱、大負荷長時間工作。

 

圖1  柴油機燃燒不完全構(gòu)成稠性膠狀液體殘留物

圖2  柴油機氣缸積碳形成示意圖

 

二、產(chǎn)生積碳具體原因

 

            柴油發(fā)電機積碳多的原因是柴油品質(zhì)差，含有雜質(zhì)；柴油發(fā)電機內(nèi)的潤滑油使用時間過長，膠狀物含量高；活塞環(huán)松曠、開口過大、氣門導(dǎo)管與氣門桿之間的間隙過大，導(dǎo)致機油竄入燃燒室內(nèi)燃燒；點火正時過早或過遲，噴油泵供油量過大；柴油發(fā)電機長時間低溫運轉(zhuǎn)或氣缸密封件磨損、損壞，使燃油燃燒不完全；噴油器壓力過低，霧化不良，有滴油、漏油現(xiàn)象；柴油發(fā)電機長時間超負荷作業(yè)。產(chǎn)生積碳具體原因如下：

1、噴油器工作不正常

      如霧化不良、噴油壓力過高或過低及噴油時間過早或過遲、噴油過多等，均會使進入汽缸的燃料燃燒不充分，形成積碳。其原因主要是：

（1）噴油器霧化不良

      噴入汽缸內(nèi)的柴油要求均一、細微、均勻，否則就不能充分燃燒，排氣管冒黑煙，缸內(nèi)容易形成積碳。解決的辦法為：檢查、調(diào)整噴油器噴針開啟壓力，必要時更換噴油器偶件。

（2）噴油壓力過高或過低

      這都會使噴入缸內(nèi)的柴油來不及充分燃燒或不能完全燃燒。解決的辦法為檢查、調(diào)整噴油器噴針開啟壓力，必要時更換噴油器偶件。

（3）噴油過多

      一般是由于高壓泵及操作裝置調(diào)整不當(dāng)或因故障所至。解決的辦法是校正高壓柴油泵，檢查調(diào)整高壓泵操作裝置。

（4）供油錯時

      所謂供油錯時，指的是供油時刻所對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角產(chǎn)生了變化，即供油過晚或過早。這都會使噴入缸內(nèi)的柴油不能完全燃燒，容易形成積碳。使用中應(yīng)定期檢查調(diào)整供油提前角。

2、油質(zhì)差或用錯牌號

      柴油與機油質(zhì)量差或牌號不對，影響柴油在缸內(nèi)的充分燃燒，容易形成碳渣。

      燃油在貯存、運輸過程中，容易發(fā)生氧化反應(yīng)，生成膠狀物質(zhì)。這些膠狀物質(zhì)按柴油的溶解性可分為：可溶膠質(zhì)和不可溶膠質(zhì)。不可溶膠質(zhì)又稱為沉積物，它和燃油一起加入油箱后，就會粘附在燃油濾清器上，堵塞過濾介質(zhì)，使供油量減少，輸油量不足，燃油霧化不良，致使可燃混合氣變稀，柴油發(fā)電機動力性和經(jīng)濟性下降。

      可溶膠質(zhì)進入燃燒室和柴油一起燃燒后，就會在活塞頂部、活塞環(huán)槽、燃燒室等部位形成許多堅硬的積碳，如圖3所示。而且會造成氣門關(guān)閉不嚴，柴油發(fā)電機性能下降，如加速不順，怠速不穩(wěn)，失速、抖動、爆震等一系統(tǒng)列故障。

3、長時間超負荷運行

      柴油機長時間超負荷運轉(zhuǎn)，溫度過高，著火過早，使噴入缸內(nèi)的柴油過多來不及燃燒，形成積碳。當(dāng)柴油機的負荷超過額定功率后，工作十分吃力，聲音也變得沉重，同時排氣管冒黑煙，轉(zhuǎn)速相應(yīng)下降。負荷過重時，柴油機還會有一種被迫要熄火的趨勢。

（1）如果是短時間超負荷，燃油泵可在調(diào)速器作用下，自然增加供油量，來使柴油機提高扭矩，克服外界過大的阻力，并繼續(xù)維持運轉(zhuǎn)狀態(tài)。不過，由于此時進入缸內(nèi)的柴油太多，而轉(zhuǎn)速下降又導(dǎo)致空氣供給量的銳減，因而柴油機工作粗暴，震動加劇。

（2）如果是長時間超負荷，柴油機粗暴的工作狀況必然加劇機件的磨損，有時還會因曲軸連桿機構(gòu)或配氣機構(gòu)的主要零件損壞而引起大事故的發(fā)生。缸內(nèi)來不及充分燃燒的柴油，一部分則形成積碳，并造成柴油機功率降低、油耗上升的不良后果。

      因此，當(dāng)柴油機超負荷工作時，應(yīng)盡快減輕負荷，以恢復(fù)其正常的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。技術(shù)狀況良好的柴油機，在額定功率下運轉(zhuǎn)時，排煙應(yīng)是無色或淡色的，此時機械聲輕快柔和，耗油省，工效高，作業(yè)成本也最低。

4、竄機油嚴重

      如果機油竄入燃燒室，也會增加缸內(nèi)的積碳。因此，當(dāng)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油壓力過高時，都應(yīng)予以更換、檢修和調(diào)整。

（1）活塞環(huán)磨損

      當(dāng)活塞環(huán)開口間隙超過允許尺寸后，活塞在壓縮時嚴重漏氣，缸內(nèi)壓縮力明顯下降，噴人的柴油就不能充分燃燒，因而形成積碳。此時應(yīng)更換活塞環(huán)，恢復(fù)汽缸的正常壓縮力。

（2）活塞與缸套磨損，長時間低溫運轉(zhuǎn)

      此時，加速氣缸套磨損有兩個原因：一是由于低溫而造成燃燒不良，積碳從汽缸套上部開始整延，使汽缸套上部產(chǎn)生嚴重磨料磨損；另一原因則是電化學(xué)腐蝕作用，活塞與缸套的配合間隙因磨損而超過允許尺寸后，即使更換活塞環(huán)也不能恢復(fù)缸內(nèi)應(yīng)有的壓縮力。此時應(yīng)更換缸套活塞組。

5、柴油發(fā)電機漏氣嚴重

      配氣機構(gòu)漏氣嚴重會引起缸內(nèi)空氣不足，燃料燃燒不充分，造成配氣機構(gòu)表面形成積碳，如圖4所示。

6、操作或維護保養(yǎng)不正確

（1）在活塞頂部倒機油

      有些修理工在檢修柴油機時，總要在活塞頂部倒些機油，然后再裝缸蓋，以為這樣有利于缸套活塞的潤滑，實際是適得其反，柴油機運轉(zhuǎn)后只會增加缸內(nèi)積碳。

（2）柴油發(fā)電機高負荷工作后，立即熄火。

      這種做法致使缸內(nèi)燃料燃燒不充分，積聚在汽缸內(nèi)，當(dāng)再次發(fā)動時，停留在缸內(nèi)的燃料和噴入缸內(nèi)的燃料混合，造成空氣稀少（氧氣少），形成積碳。

 

圖3  活塞表面積碳示例

圖4  柴油機配氣機構(gòu)積碳示意圖

 

三、積碳對柴油發(fā)電機的影響

 

      柴油發(fā)電機的某些零件（如噴油嘴、節(jié)氣門、排氣門、燃燒室等部位，如圖5所示）在使用一段時間后，零件表面粘著一層牢固的積炭。它具有密實、疏松、柔軟等形態(tài)，顏色從黑至灰白，形成部位的溫度約為200℃。積炭的產(chǎn)生是由于柴油及滲入氣缸中的機油燃燒不完全，而形成的一種復(fù)雜混合物。由于炭的導(dǎo)熱性較差，零件表面大量炭的聚積，將導(dǎo)致零件局部過熱，使其剛度、強度下降，嚴重時還會造成噴油嘴燒結(jié)、氣門燒蝕、活塞環(huán)卡死、拉缸等嚴重事故。同時，高溫顆粒的炭聚積在燃燒室內(nèi)還會引起表面點火、造成功率下降（據(jù)有關(guān)實驗數(shù)據(jù)，功率下降2%~15%）以及燃燒室的容積減小，實際壓縮比增大，形成早燃和爆燃等不良現(xiàn)象。此外，積炭的大量聚積，還會污染潤滑系統(tǒng)，堵塞油路和濾清器，縮短柴油發(fā)電機的使用壽命，因此在修理時必須清除。積碳對柴油機影響如圖6所示。

1、積碳對各機件的影響

      對于柴油機，在噴油嘴處形成積碳極易堵塞噴孔，使燃油霧化不良，燃燒惡化。在氣門頭部形成積碳，減少了進氣通道斷面，影響柴油發(fā)電機的充氣值。氣缸蓋部位有了積碳，會降低柴油發(fā)電機的冷卻效果，使柴油發(fā)電機的動力性和經(jīng)濟性都大大降低。氣門及其座圖工作面上聚有積碳，會引起氣門關(guān)閉不嚴而漏氣，出現(xiàn)柴油發(fā)電機難啟動、工作無力轉(zhuǎn)速快慢不均以及氣門易燒蝕等故障。氣門導(dǎo)管和氣門桿部積碳結(jié)膠，將加速氣門桿與氣門導(dǎo)管的磨損，甚至氣門桿在氣門導(dǎo)管內(nèi)運動發(fā)澀而卡死。沉積在柴油發(fā)電機進氣門、進氣道當(dāng)中的積碳會破壞進氣管內(nèi)的光滑度，阻礙氣體的流動性能，降低氣體的流動速度，形成進氣阻力。充氣量的降低會使進入燃燒室的空氣大量減少，直接導(dǎo)致柴油發(fā)電機功率的下降。活塞環(huán)槽中的積炭會使活塞環(huán)失去彈性而卡死，一方面使活塞環(huán)密封性下降，引起燒機油現(xiàn)象進而加劇了積炭的生成；另一方面也使活塞環(huán)的散熱作用減弱，使活塞可能會因高溫而燒熔。排氣門上的積炭可使氣門關(guān)閉不嚴，出現(xiàn)漏氣，柴油發(fā)電機功率下降，排氣管放炮；高溫顆粒積炭附著在排氣門及氣門座上，加劇氣門漏氣。氣門漏氣，又使高溫燃氣沖刷氣門及氣門座，進一步使氣門及氣門座燒蝕。

2、積碳對潤滑系統(tǒng)的影響

      由于柴油發(fā)電機機械振動和熱應(yīng)力，沉積的積碳會發(fā)生碎裂剝落現(xiàn)象，其中硬質(zhì)顆粒將成為外來磨料，引起柴油發(fā)電機內(nèi)部各摩擦副之間的摩擦磨損，縮短了活塞、活塞環(huán)、氣缸套及曲軸軸承等部件的使用壽命。在柴油發(fā)電機工作過程中，潤滑油不斷被積碳粘污，使其加快變質(zhì)。進入潤滑油中的積碳會堵塞油路和油孔，破壞潤滑系統(tǒng)的正常工作，嚴重時會發(fā)生燒瓦抱軸事故。

 

圖5  積碳易在柴油機上產(chǎn)生的部位

圖6  積碳對柴油機的影響

 

四、積碳的清除方法

 

      積碳的清除其實就是把日積月累附著沉積在氣門、柴油發(fā)電機汽缸內(nèi)的膠質(zhì)與積碳清洗掉，使柴油發(fā)電機“返老還童”。主要有兩種方法來清除——"免拆"和"解體"。使用燃油系統(tǒng)清洗保護劑來清洗柴油發(fā)電機相當(dāng)簡單。燃油添加清洗劑在柴油發(fā)電機工作時，被燃油泵隨同燃油一起吸入供油管路內(nèi)。隨著燃油的流動，它不僅能清洗掉油箱內(nèi)、油泵濾網(wǎng)上的膠質(zhì)和噴油嘴上的膠質(zhì)與積碳，還可以在柴油發(fā)電機正常工作時，自動清洗掉氣門上和柴油發(fā)電機氣缸內(nèi)的積碳。由于從油箱、燃油泵濾網(wǎng)以及燃油管道內(nèi)清潔下來的膠質(zhì)會沉積在燃油濾清器內(nèi)，所以“免拆”清洗后，必須及時更換燃油濾清器。由于清洗劑中的化學(xué)清洗成份對橡膠供油管路有一定腐蝕作用，使用該方法時，一定要注意使用周期與間隔時間，不然會加快燃油橡膠供油管路的老化和腐蝕。

      對于積碳嚴重的柴油發(fā)電機，經(jīng)“免拆清洗”后工作性能仍舊惡劣，而問題又是由氣門和缸內(nèi)積碳太多引起時，那就不得不采用“拆解”的方法來解決了。氣門積碳的清洗較為簡單，在拆下進氣管后，用手工或采用清潔藥物浸泡即可清除。至于缸內(nèi)積碳的清潔，則必須“大動干戈”。由于柴油發(fā)電機拆卸重新裝配后，其動力和密封性能會遜色于原裝，所以一般情況下，清潔氣缸內(nèi)的積碳不宜進行。在萬不得已時，也必須到正規(guī)的維修廠進行，否則性能將大打折扣。具體方法有以下幾種：

1、機械刮除法

      機械法是采用鋼絲刷、刮刀、竹片或砂布打磨等清除積炭的方法，可按照零件清洗部位的形狀做成專用刷子和刮刀。以清除氣缸套上端積碳為例，如圖7所示。具體步驟如下：

（1）首先用用刮刀或類似的鈍邊工具松動積碳。如圖8所示，以用研磨尼龍墊（如 Scotch-Brite ™ 7448）和溶劑去除殘留的積碳。積碳必須清除掉，但不必使表面看上去光潔如新。

（2）清除積碳的另一方法是使用安裝在電鉆上的優(yōu)質(zhì)鋼絲輪刷。在活塞環(huán)行程區(qū)域不要使用鋼絲輪，按圓周方向移動鋼絲輪清除積碳。 不要使用劣質(zhì)的鋼絲輪刷，因為在操作中鋼絲會掉落，造成附加的污染。

2、化學(xué)法

       目前多被一些大的柴油發(fā)電機組保修廠點使用。化學(xué)法除碳是用退碳劑將零件上的積碳軟化，軟化后的積碳很容易除去。退碳劑與積碳接觸后，積碳層表面形成吸附層，退碳分子與積碳分子極性基的相互作用會使退碳劑分子逐漸向積碳層內(nèi)部擴散，并能在積碳網(wǎng)狀分子的極性基間生成聚合，使網(wǎng)狀分子之間極性力減弱，破壞網(wǎng)狀聚合物的有序排列，使聚合物的排列逐漸變松。退碳劑通常有下列配方：

（1）配方一（適合于鋼、Fe、Al件）:

      退碳劑60%（成分為：醋醇乙脂7.5%，丙酮2.5%，乙醇20%，苯68%、石蠟2%）；氨水30%；乙醇10%。使用方法：室溫下浸泡2~3h。

（2）配方二（適合于鋼、Fe、Al件）:

     煤油22%；氨水15%；汽油8%；苯酚30%；油酸8%；松節(jié)油17%。使用方法：常溫下浸泡2h。

（3）配方三（適用于鋼鐵件）:

      苛性鈉（濃度為20%）79%；水玻璃5%、磷酸三鈉（濃度為20%）15%；軟肥皂1%。使用方法：加熱至90-100℃，浸泡2~3h。

       上述退碳劑都是在對柴油發(fā)電機進行解體之后才能使用。目前，對柴油發(fā)電機不解體即能除碳的退碳劑已經(jīng)面世，這些退碳劑從供油系統(tǒng)進入，使柴油發(fā)電機在無負荷而連續(xù)加速的情況下運轉(zhuǎn)一段時間，即可清除積碳。使用這些退碳劑除去積碳后，應(yīng)及時更換柴油發(fā)電機潤滑油。

3、噴射核屑法

      噴核法是利用高速氣流將粉碎后的核桃、桃、杏的核殼顆粒噴向零件表面以去除積炭的方法。此法除積炭的效率高、徹底干凈，但需要專用設(shè)備形成高速氣流，相對成本比較高，因此也不宜廣泛采用。其步驟是將桃、李、杏、核桃等果仁干燥壓碎，經(jīng)篩選按大小分類作噴料，使用400～500kPa壓縮空氣，將其噴射到零件表面。由于噴射物比金屬軟，本身又易粉碎，故不會損傷零件表面，此法效率很高，清除一個缸蓋上的積碳只需10min左右。

4、液體噴砂法

       以液體和石英砂的混合物作為噴射物，用壓縮空氣將其送到噴嘴，向零件噴射。噴射軟的有色金屬零件時，砂含量為15%～18%；噴射硬的有色金屬零件時，砂含量為18%-20%；噴射鋼件時，砂含量為20%~30%；噴鑄鐵件時，砂含量為30‰～45%，噴嘴與積碳距離為80～100mm，噴角為37°~40°，混合物壓力為180～500kPa，石英砂粒度不小于320目。

 

圖7  柴油機氣缸套積碳示意圖

圖8  用研磨尼龍墊清除氣缸套積

 

總結(jié)：

      柴油發(fā)電機積碳的形成，嚴重影響柴油發(fā)電機的動力性、經(jīng)濟性和使用壽命。正確使用和維護柴油發(fā)電機，可抑制但不能避免積炭的生成。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在柴油發(fā)電機本體材料使用上、輔助系統(tǒng)機件的性能上都將有很大的改善，必將研制出更好的預(yù)防和清除積碳的方法。

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