故障檢查與技術維護

康明斯柴油發電機組“超速”問題分析

摘要：發動機超速故障被發電機組行業稱之為飛車現象。飛車是指柴油機的轉速快速升高，超過最高空轉轉速，并且失去控制，同時發出巨大吼聲的故障現象。飛車是柴油機的一種特有故障，柴油機發生“飛車”后，往往引起活塞、連桿、曲軸、氣缸蓋甚至氣缸體等大型機件損壞。由于超速問題通常都是因為設備使用不當造成的，因此，該故障一般不在康明斯發電機組保修范圍內，必須對飛車現象嚴加防范并立即處理。

 

一、柴油機“飛車”現象的定義

 

      所謂柴油發動機飛車故障，是指發動機突然自行加速運轉，轉速越來越高，超過柴油發電機額定轉速1500r/min以上。此外，排氣管冒出大量黑煙或藍煙，并形成很大的噪聲和振動現象。柴油發動機“飛車”有兩種表現：

（1）在冷車啟動后，發動機的轉速猛增，但過幾秒鐘轉速即可穩定，稱之為啟動“飛車”。

（2）在熱車工作中，發動機轉速突然失去控制，發動機狂轉，轉速遠遠超過規定的轉速。

      發生“飛車”后，隨著柴油機轉速的增高，進入缸內的柴油增加，導致其轉速再增高，從而形成惡性循環。柴油機轉速的不斷增高，使汽缸內溫度不斷上升，活塞的膨脹量增加，活塞連桿組各零件運動加劇，負荷增大，超過其強度極限后，將發生打壞缸體，連桿折斷，曲軸斷裂，以及活塞、缸套打壞等嚴重事故。

      因此，發動機超速簡單來說，就是指發動機的轉速超過了其規定的轉速的最大值。當發動機處于超高速時，就會損壞發動機的零部件。發動機超速一般會導致凸輪軸齒輪甩出，氣閥拍打活塞頂部或者影響氣閥的正常工作順序，對燃油系統的來說，超速一般會損壞飛錘。

      氣閥拍打活塞一般發生在活塞到達上至點的位置。在超高速時，進氣門和排氣門不能完全關閉，這種情況一般會導致“氣門浮動”。當活塞撞擊到一個開啟的氣閥時，氣門浮動就會導致發動機的損壞。氣閥拍打活塞會損壞推桿，挺桿體，氣門彈簧，氣閥，活塞，氣缸蓋，更有甚者會導致氣缸體，增壓器以及其他過熱件的損壞；同時在發動機高速運轉下，氣閥高頻率的運動會破壞其工作順序，從而會影響與氣閥工作順序相關的零部件的負荷能力，最終有可能會損壞推桿，凸輪軸的凸輪，挺桿體表面，甚至會使氣閥鎖夾破裂。

 

二、超速“飛車”產生的原因分析

 

      柴油機“飛車”的實質，是油料（柴油或機油）過量且無節制地進入氣缸內燃燒。在大多數情況下，這是由于調速器性能失常、燃油泵柱塞調節齒桿卡清在最大供油位置、噴油器的針閥卡死在開啟位置等原因引起的，但是也有不少例外，即故障原因不在調速器和燃油供給系統，而是柴油或潤滑油通過非正常途徑（即從噴油器以外）進入氣缸內，并且參與燃燒的結果。歸納起來，引起“飛車”的特殊原因大致有以下幾種：

1、預熱器損壞

      若柴油機進氣管上安裝了預熱器，預熱器的閥芯與閥座關閉不嚴，在非預熱狀態下，預熱柴油經過閥座孔進入進氣管，并且隨氣流源源不斷地進入氣缸燃燒。

2、油底殼內機油過多

      柴油機運轉時，機油在曲軸、連桿等零件的強烈攪拌和激濺下，從氣缸壁與活塞環的間隙處大量進入氣缸參與燃燒。

3、活塞環“對口”

      油底殼內的機油從“對口”處比較順暢地進入燃燒室，這種情況在臥式柴油機上比較容易發生。

4、曲軸箱通氣裝置堵塞

      當該通氣裝置堵塞后，從氣缸壁與活塞環的間隙處泄漏的廢氣越積越多，曲軸箱內的氣壓越來越高，迫使油底殼內的機油竄入氣缸參與燃燒。

5、空氣濾清器油面過高

      對于油浴式空氣濾清器，由于在油盤內加注的機油過多，或因為空氣濾清器吸入了嘴水，使油盤內的油平面升高，機油被強氣流吸入氣缸。

6、空氣濾清器濾芯清洗不當

      在用柴油，煤油甚至汽油清洗空氣濾清器的濾芯后，未甩凈濾芯上粘附的殘油就裝上了，工作中這部分燃油被強氣流吸入燃燒室。

7、調速裝置失效

      以康明斯發電機組為例，其轉速傳感器信號傳輸原理如圖1所示，電子調速器電路如圖2所示。在開機運行情況下，電子調速器最高設置為1800r/min，超速值為1725r/min，常規值是1475-1575r/min為正常范圍，停機報警功能是自由設定。當調速裝置中的電子調速器或轉速傳感器因故障而失效時，會造成柴油發電機超速誤報警現象。此種情況下，并非設備真實在超速狀態，只是由于調速裝置傳輸錯誤的數據給主控器，誤導致其下達停機命令。

      要判斷一臺發動機是否超速，一般要從相關的零部件的損壞狀態來判斷。如果一個零件的損壞狀況符合發動機超速的癥狀，但發動機本身顯示沒有超速的異相，那么該零件的損壞就不是因為超速而引起的。發動機超速的極端情況就會導致發動機抖動，發動機抖動時間過長，減震器和飛輪上的螺栓就會松動，這種故障模式一般發生在發動機的高速運轉下。如果是因為超速引起了減震器和飛輪的松動，那么不久就會有更多的故障呈現出來。 

 

圖1  柴油機轉速信號傳輸原理圖

圖2  柴油機速度控制器電路圖

 

三、超速飛車現象的征兆和檢查步驟

 

1、出現“飛車”現象的征兆檢測

      這一部分用零部件舉例說明發動機超速的原因和影響，以此來幫助分析診斷因發動機超速引起的故障，講述從發動機的基本構成零件表現出來的癥狀來判斷發動機是否超速。

（1）檢查活塞頂部，看是否有氣閥拍過的痕跡。

（2）檢查氣閥鎖夾是否破裂，破裂后，會導致氣門彈簧下沉。

（2）檢查氣門鎖夾是否脫落或丟失，超速也會導致單個的鎖夾頭部的珠面磨損。

（3）檢查氣門鎖夾頭部的珠面是否過度磨損或變形。

（4）如果發現發動機有一個氣閥已經彎曲或斷裂，那就要檢查所有的活塞，看其活塞頂部是否有氣閥拍的痕跡，還要檢查所有的氣門鎖夾，看有沒有磨損。

（5）如果檢查發現氣門已經彎曲或者斷裂，鎖夾損壞，就表明該發動機超速了。如果發現氣門已經損壞，還應該檢查氣閥桿上面（裝鎖夾端）的凹槽是否被損壞。如果有一個鎖夾已經損壞，那么彈簧就要受到其他鎖夾的不均衡的力，最終就會在氣閥桿的凹槽部位留有損壞的痕跡；

（6）檢查氣門彈簧座是否有裂紋，如果氣門彈簧座承載的負荷過大，就會導致其破裂；

（7）檢查推桿或連桿是否彎曲或有裂痕；注意：推桿或連桿即使有了裂紋，也會在短時間內保持原來的狀態繼續工作。斷裂的推桿可以進入缸體和缸蓋之間狹小的縫隙，所以一定要仔細檢查所有的推桿。

2、檢查步驟

（1）減震器和飛輪檢查

  檢查減震器和飛輪是否松動。超速時發動機振動幅度過大，會使減震器和飛輪的固定螺栓松動，最終會導致其安裝螺栓的平面磨損，螺栓孔破裂，螺栓斷裂。這種狀況只會發生在發動機處于超長時間的超速狀態下或者是一些極端情況下。如果是由超速引起的，其他的因超速導致零件損壞的表象也能證明這一點。

（2）凸輪軸檢查

① 檢查凸輪軸齒輪的位置。如果發動機是超速，凸輪軸的斜齒輪就因軸向壓力而向外突出，引起凸輪軸異響。

② 檢查各個凸輪呈現出來的狀態。

③ 檢查挺桿體表面是否剝落，如果凸輪軸上面的凸輪承受的壓力過大，也會損壞噴油器和導管等相關件。

④ 超速不可能導致挺桿體和導管的獨立損壞，所以還必須要檢查其他會因超速而損壞的關聯零部件的狀態。

（3）挺桿體

      認真檢查挺桿體的底座，莖干以及其表面，如果表面磨損嚴重，同樣也會致使氣閥拍打到活塞頂部。

（4）燃油系統

      這一部分主要講述在超速狀態下，發動機的燃油系統中油泵將會出現的問題：

① 油泵不正常的工作，也會引起發動機的超速。

② 超速可能會損壞油泵調速器中的飛錘。

③ 拆下油泵，送到康明斯柴油機維修廠仔細檢查。

 

四、柴油機“飛車”的緊急應對措施

 

       眾所周知，柴油機要能運轉，必須同時具備3個條件，一是氣缸具有足夠大的壓縮力；二是定時有霧化的燃油噴入；三是有充足的空氣供應。三者缺一不可。根據上述“飛車”形成機理的分析，需要迅速采取如下緊急措施終止“飛車”:

1、斷氣

      切斷燃燒室空氣的來源。對于進氣管設置有閥門的柴油機，可以將該閥門關閉。也可以拆除空氣濾清器的上部，用座墊、細密的棉布等物堵死柴油機的進氣口，迫使柴油機“室息”而熄火。當然，要達到憋滅柴油機的目的，必須以進氣系統不漏氣為前提。如果進氣系統各接頭密封不嚴，采取斷氣的方法難以奏效。

2、減壓

       破壞氣缸內燃燒的條件。可以扳下減壓手柄，讓部分氣門一直打開，使氣缸內的混合氣無法壓縮，混合氣不能達到高溫和高壓，最終柴油機停止運轉。

3、斷油

      切斷柴油發電機燃油系統的供應。

① 迅速收回油門，并且將手油門拉到“熄火”位置；

② 如果燃油泵的柱塞調節齒桿露在外面，可以用手直接將其拉到熄火位置；

③ 快速擰松或者破壞高壓油管。由于曲軸和活塞具有很大的慣性，所以采取斷油的方法見效較慢。

4、安裝超速保護板

      超速報警保護板用于康明斯柴油發電機組儀表控制箱內，以3036453型電路板為例，如圖1、圖2所示。當轉速超過額定轉速便報警停車，以達到保護柴油機、防止飛車之目的。

（1）超速保護的目的

      超速保護的目的是防護發電機轉子導線飛損。發電機飛車設定為＋20%nH，柴油發電機組＋15%nH，即1725rpm（50HZ車）或2070rpm（60HZ車），但柴油機到2200轉/分以上仍是允許的。

（2）功能

      超速板的正名是“速度開關板”，它為發電機組提供三個轉速信號，即：

① 離合器脫開：起動到300轉/分，上燈亮，柴油機引爆，升到怠速（600-650轉/分），對柴油機預潤滑、預熱，為高速和加載作準備。

② 并車允許：怠速1～3分鐘，開關扳到高速，轉速升至1450轉/分以上，為并車提供基本條件，中燈亮，調動微調電位器即可和外電同步、并車。

③ 超速：當發電機組故障、失控，發生飛車，超過1725轉/分（50HZ發電機組）或2070轉/分（60HZ發電機組）時，下燈亮，并停車。但紅燈繼續亮。必須關電源，燈熄，才能再開車。

      自動化發電機組用上了三個功能，通用發電機組只用了最后一個“超速保護”功能，所以常稱“超速板”。

 

圖1  康明斯柴油機超速報警保護板背面圖

圖2  康明斯柴油機超速報警保護板正面圖

 

總結：

      柴油發電機發生的超速現象俗稱“飛車”，是柴油發電機的一種特殊故障。它不僅會造成柴發機組零部件的嚴重損壞，而且還有可能危及操作員人身安全。因此特別需要注意，一旦柴油或機油通過噴油器之外的渠道進入氣缸燃燒而發生“飛車”，采取松開高壓油管接頭、按熄火開關等斷油措施往往無濟于事，并且安裝的超速保護裝置失效情況下，應當采用斷氣、減壓、超載等方法盡快終止“飛車”。 

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