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故障檢查與技術維護 |
康明斯K38系列柴油發電機活塞燒蝕現象 |
導讀：活塞燒蝕是柴油發電機使用中較常見的現象，燒蝕部位大多發生在活塞頂部和第一、第二道活塞環槽處及活塞頭部圓周處，一般以活塞頂而熔洞、穿孔和頭部圓周處鍵槽狀缺口、蜂窩眼為主要形式，故障現象主要表現為發動機下排氣增大，甚至機油從呼吸孔沖出。活塞燒蝕將導致柴油發電機工作不正常，直接導致缸壓降低，動力下降，間接引起拉缸、抱瓦等，并損壞渦輪增壓器、缸蓋等機件。下面，根據我們康明斯K38發電機活塞燒蝕的維修經驗，結合相關相關技術資料后，對康明斯K38系列發電機活塞燒蝕的原因作分析。
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一、活塞燒蝕故障特征
1、活塞燒蝕故障產生及外部特征
一般表現為發動機下排氣明顯增大，運轉中忽然出現排氣冒白煙且有機油從廢氣管中竄出，嚴重燒蝕后，排氣管與缸蓋接口處冒柴油。
2、發動機拆檢后內部特征
表現為（早期）輕微燒蝕，第一道活塞環上部出現蜂窩眼；（晚期）嚴重燒蝕，第一道活塞環鑲槽斷裂或活塞燒缺，隨著發動機的繼續使用，這一現象進一步擴大，最后惡化到活塞環槽脫落所形成的異物在燃燒室中受活塞的往復撞擊而導致缸套拉傷、缸蓋底平面和氣門被碎塊打壞、噴油器噴嘴打壞、碎塊進入排氣道和增壓器將高速運轉的增壓器廢氣渦輪打壞。
二、活塞燒蝕故障原因分析
以下歸納分析造成活塞燒蝕的各種原因。
1、發動機冷卻系統
（1）水泵失效
水泵作為冷卻系統心臟，它使冷卻水以一定的壓力（KTA38系列康明斯發動機最低冷卻水壓力48KPa）和速度在發動機相關冷卻通道內流動，將發動機各部分的熱量帶走，當水泵壓力因為泵內部部件磨損泄露等原因而低于正常值時，就不能對發動機（特別是燃燒室）進行有效的冷卻，使活塞、缸套始終處于高溫狀態，活塞受高溫強度降低而造成燒蝕。
（2）將自來水作為冷卻水使用
自來水因為含有大量的雜質，高溫時極易在水箱和發動機冷卻水道生成水垢，水垢一旦形成，一則減小了冷卻水的正常流通面積，二則阻礙了正常的熱傳遞，從而影響發動機燃燒室熱量的正常散熱。
（3）節溫器卡死和動作值偏移
節溫器的初開啟溫度為80℃,全開溫度為90℃,無論是卡死和動作值變化，都會影響冷卻水在流往水箱這一冷卻大循環的流通性，而使發動機得不到及時冷卻。
（4）機油冷卻噴嘴堵塞或角度變化
柴油膨脹沖程所產生的熱量，一方面以膨脹爆發的形式將熱能轉換成機械能推動活塞作功，另一方面通過排氣、活塞—活塞環一缸套一冷卻水、機油冷卻將多余的熱量傳散出去。冷卻噴嘴與機油主油道直接連通的機油通過冷卻噴嘴噴入活塞底面的一側，從活塞底面另一側流出，以達到冷卻高溫活塞的目的。（拆裝噴嘴時一定要仔細，千萬別碰撞噴嘴，同時裝配時要充分保證其暢通性和緊固螺栓25磅的扭緊力矩。)
2、發動機燃油系統
（1）噴油器噴油量過大或霧化不良
噴孔直徑超過標準時，過多的柴油噴入汽缸，在某工況下，因為進氣量一定，同時過量空氣系數也一定，從而無法保證噴入缸內的柴油都能夠完全燃燒，甚至出現柴油附在活塞上燃燒，造成積炭和活塞過熱。嚴重時可以在活塞頂部看見一個個與噴孔數量相同的噴油痕跡，活塞頭部也會有一層厚厚的不規則的積炭，造成活塞高溫燒蝕。
（2）PT泵油量過大
PT泵油量過大也會使過多的柴油噴入汽缸而無法完全燃燒，而出現發動機冒黑煙，工作粗暴，缸內異常高溫。
（3）噴油提前角不正確
提前角過大，發動機工作粗暴，提前角過小，發動機燃燒滯后引起后燃，極易造成活塞因過熱而燒蝕。KTA38系列康明斯發動機噴油正時由靜態噴油正時和動態噴油正時構成。靜態噴油正時由齒輪室內曲軸齒輪和左、右排凸輪軸齒輪（以及偏心鍵）的相對位置而確定，對它的檢查須借助專門的正時測量工具來完成。而其獨特的動態噴油正時功能能夠使發動機在運轉中根據外界負荷情況自動調節噴入汽缸的柴油油量，以達到最佳的燃燒效果。動態噴油正時機構主要由：STC控制閥、STC油管、帶STC的噴油器組成。簡單的控制原理為：不同工況時，STC控制閥根據檢測到的PT燃油泵柴油壓力一控制STC閥內柱塞的位置一機油進入噴油器的STC油腔形成一段液力柱塞一改變噴油器柱塞的總行程一改變噴油器的開啟和關閉時間這一過程來達到動態調整噴油正時的目的。如果因為機油里混有機械雜質等原因造成STC閥柱塞磨損或卡死以及STC機油油路有泄露存在，就會使發動機喪失這一功能而導致噴油正時紊亂，燃燒不好，活塞積炭，活塞高溫而燒蝕。
3、活塞組件磨損
（1）劣質活塞
活塞在高溫、高壓、高速、潤滑不良的惡劣條件下作往復直線運動，直接與高溫氣體接觸，瞬時溫度可達2500℃以上，受熱嚴重、散熱條件差，所以活塞工作時溫度很高頂部可達600～700℃，且溫度分布很不均勻；活塞頂部承受氣體壓力很大，特別是做功行程壓力最大，柴油發電機高達6～9MPa，這就使得活塞產生沖擊，并承受側玨力的作用活塞在氣缸內以很高的速度（8～12m/s）往復運動，且速度在不斷地變化，產生了很大的慣性力，使活塞受到很大的附加載荷。活塞在這種惡劣的條件下工作，會產生變形并加速磨損，還會產生附加載荷和熱應力。若活塞質量不過關，鑄造時存在氣孔、疏松、微裂紋、夾渣等缺陷，則在高溫高壓作用下，這些氣孔、疏松、微裂紋會導致疲勞損壞；活塞中的夾渣首先熔化，誥成活塞燒熔，導致活塞燒蝕故障。
（2）活塞積碳嚴重
積碳的生成比較復雜，它與發電機結構以及使用燃科、潤滑油科的種類及發電機所處工作條件、工況等密切相關。在燃燒室中，氧氣供給不足，燃料和竄入燃燒室的潤滑油料不能完全燃燒，而產生油煙和焦油微粒，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，羥基酸又進一步氧化變成一種半流體樹脂狀膠質，牢因地粘附在零件上，隨后在高溫的不斷作用下膠質又聚合成更復雜的聚合物，成為一種硬質膠結碳，即形成了積碳。
積碳的組成成分有潤滑油、輕基酸、瀝清質、油焦質、碳青質、硫酸鹽、硅化合物（來自進氣中的灰沙）和微量金屬到及其化合物等。發電機溫度越高，形成的積碳也越硬越緊密，與金屬粘接越牢固。活塞環槽中的積碳會使活塞環失去彈性而卡死，活塞環密封性下降，引起燒枳油現象，進而加劇了積碳的生成，進、排氣門上的積碳會使氣門關閉不嚴，高溫顆粒積碳附著在氣門上也會使氣門及氣門座燒蝕，加劇氣門漏氣。氣門漏氣，又使高溫氣沖氣門及氣門座，進一步使氣門及氣門座燒蝕出現漏氣，最終導致缸床降低，燃燒黑煙大促使活塞積碳的生成。活塞積碳使其散熱作用減弱，溫度升高，當溫度超出活塞的熱承受極限時，將引發活塞燒蝕。造成發電機燃燒黑煙大、積碳嚴重的主要原因是過氣門密封不嚴進、排氣門關閉不嚴，會誥成高溫、高壓的可燃混合氣沖蝕氣門及氣門座工作面，使二者工作面出現嘛點、積碳、燒蝕，麻點、積碳、燒蝕又會加速進、排氣門關閉不嚴，形成惡性循環。氣門關閉不嚴，缸壓降低，燃燒不好，造成缸內積炭過多，導致發電機動力性，經濟性下降。
若活塞環槽內會形成積炭，將活塞環嵌在活塞環槽中不能轉動。可將活塞總成浸泡在煤油中，待其軟化后再進行清除或拆卸，如圖1 所示。
注意∶不可用刮刀、一字旋具等工具硬撬。
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圖2 清除活塞環槽積碳 |
圖3 活塞銷孔直徑檢查示意圖 |
（3）活塞環磨損
活塞環槽的磨損較大，通常第一道活塞環槽的磨損最為嚴重，以下幾道環槽的磨損依次減輕。其原因是由于燃燒室高壓燃氣的作用和活塞高速往復運動，使活塞環對環槽沖擊增大。磨損后的環槽斷面成梯形，外寬里窄，側隙增大 ，導致氣缸漏氣、室油，使發動機動力性下降，潤滑惡化，燃燒室大量積炭等。活塞出現上述現象，在發動機大修時應全部更換。
表1 活塞磨損檢測表單
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檢測項目
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缸
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缸
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缸
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群部直徑D0
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y1-y2
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銷孔直徑E1
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x-x
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y-y
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銷孔直徑E2
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x-x
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y-y
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環槽寬度1
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x1-x2
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y1-y2
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環槽寬度2
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x1-x2
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y1-y2
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環槽寬度3
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x1-x2
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y1-y2
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（4）活塞裙部磨損
活塞裙部雖與氣缸壁直接接觸，但接觸面積較大，潤滑條件較好，所以磨損也較輕。通常只在側壓力較大的一側發生輕微的磨損和擦傷。當活塞裙部與氣缸壁間隙過大時，發動機工作易出現敲缸，并出現嚴重的竄油現象。檢查裙部磨損時，用千分尺測量與活塞銷垂直方向的活塞裙部直徑，如圖4所示；千分尺的使用方法如圖5所示。測得的數值與標準尺寸的最大偏差量不得超過0.04 mm。超過規定值時，在發動機大修時應更換全部活塞。
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圖4 測量活塞裙部尺寸示意圖 |
圖5 活塞直徑測量步驟（轉動千分尺棘輪） |
4、排氣背壓過大
排氣背壓是指發電機排氣的阻力壓力。例如K38康明斯柴油發電機排氣壓力小于0.09kPa，若消聲器發生堵塞或排氣管改裝不當，將會增大排氣阻力，導致排氣背壓過大。由于發電機排氣背壓過高，汽缸內混合氣燒后生成的廢氣難以排出，廢氣只能返流，熱量相對積聚在缸內，導致缸內溫度過高，最終引起活塞燒蝕。
5、其他
（1）空氣系統中進入含磷或硫等酸性物質。
這些酸性物質隨空氣進入汽缸并與柴油一起參與燃燒，在燃燒中會形成磷酸和硫酸等酸性化學物質，而腐蝕缸套、活塞。
（2）柴油里面混有水。
水分在缸內高溫燃燒作用下，迅速形成水蒸氣，對活塞、汽缸造成氣蝕破壞。
（3）活塞和缸套存在質量問題。
如果活塞和缸套鑄造時存在氣孔、疏松、微裂紋及夾渣等缺陷，這些缺陷就會作為疲勞源而導致疲勞損壞，活塞中的夾渣會引起活塞燒熔。鑄造材質及工藝也關系到活塞和缸套的機械強度以及耐高溫能力。
（4）裝配上。
如活塞頂隙調整不當，就會影響發動機壓縮比，而導致活塞拉缸或活塞燒蝕。
（5）操作不當。
如啟動怠速、熄火怠速時間過短，超負荷等，對發動機都會造成損害。
總結：
康明斯發動機在使用過程中，出現活塞燒蝕故障，在日常維護保養工作中一般不易發現，但一旦出現，對發動機則是致命的損壞。為了保證發動機長周期安全運行，除操作員工的精心操作、細心維護外，按要求做好康明斯推薦的發動機A、B、C、D級保養工作顯得十分重要，特別是發動機的C、D級保養。不論是對噴油器、氣門間隙的就機檢查調整，還是將噴油器、PT泵、STC控制閥送外校檢，都要遵循康明斯發動機技術標準，不能一味的片面追求發動機動力，而忽視發動機本身的實際工況。
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