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康明斯柴油机飞车原因及超速保护装置原理 |
摘要：柴油机飞车现象是指转速失去控制，大大超过额定转速，柴油机剧烈振动，发出轰鸣声，排气管冒出大量黑烟或蓝烟的故障表征。针对目前柴油发电机组在运行过程中偶会产生超速保护的现象，康明斯公司在本文中通过加装柴油机超速保护装置解决方案的原理剖析，并从电路框架、电气原理、常见故障及应急处理等几方面出发，详细分析了柴油发电机超速保护装置的实际应用情况。
一、柴油机“超速飞车”现象的原因分析
发生“飞车”后，随着柴油机转速的增高，喷油泵柱塞与柱塞套间的漏损减小，进入气缸内的柴油增加，导致柴油机的转速再增高，从而形成恶性循环。柴油机转速的不断增高，使气缸内温度不断升高，活塞的膨胀量增加，活塞连杆组各零件运动加剧，负荷增大，超过其强度极限后，将发生打坏缸体、连杆折断、曲轴断裂以及活塞、缸套和缸盖被打碎等事故。而且严重危及柴油发电机组操作员的人身安全，严重影响柴油发电机组的正常供电。因此，柴油发电机一旦发生“飞车”，必须采取措施减短“飞车”时间减少损失。
1、喷油泵调速器原因
正常情况下，当柴油发电机的负荷变化时，调速器能自动调节喷油泵的供油量，使其转速保持稳定;反之，当柴油发电机负荷变化时，喷油泵的供油量不能做出响应，即会发生“飞车”。喷油泵供油量不能随负荷而变化的原因如下：
（1）B型喷油泵调节齿杆或Ⅱ号喷油泵的调节拉杆卡死在最大供油量位置上；
（2）喷油泵柱塞弹簧折断使柱塞卡在高速位置；
（3）柱塞调节齿圈或拨叉松动移位使柱塞失控；
（4）油量调节齿杆与调速器拉杆连接脱落；
（5）调速器杠杆销子脱落；
（6）调速器飞铁销轴断裂、飞铁脱落;飞铁压力轴承损坏；
（7）调速器弹簧折断或弹力减弱；
（8）调速器内加机油太多，机油粘度太大；
（9）调速器的高速限制螺钉或最大油量限制螺钉调整不当。
2、额外油料进入燃烧室的原因
（1）发动机油底壳内机油过多，气缸和活塞环磨损过甚，使机油窜入气缸内；
（2）使用惯性油浴式空气滤清器的柴油机，在清洗后，残余清洗油或加注机油过多，被吸入燃烧室；
（3）增压器油封损坏，机油进入燃烧室；
（4）低温起动装置的电磁阀漏柴油，使其进入气缸。
二、超速飞车保护的解决方案
由上述原因可知，飞车主要是柴油机调速系统故障等原因，造成柴油机燃烧室燃油量供应超量，一般发生在发电机组突卸负载时。为了应对柴油机在突卸负载时发生超速飞车现象，在康明斯柴油机中，除PT燃油泵中设置了超速断油保护装置外，还应在设备控制箱中也设置了超速保护控制板。当柴油机的转速超过额定转速的15%（即1725rpm）时，系统自动切断通向停车电磁阀的供电，使柴油机断油停机，从而达到保护发电机组的功能。
1、柴油机超速断油保护停车装置
柴油机超速断油保护停车装置包括配装在柴油机燃油管路上的输油泵、燃油滤清器、输油泵、喷油泵之间经联接油管液密封联接有由执行器控制的二位四通换向阀，二位四通换向阀具有两个工作位置和四个进出油通道；喷油泵配接有单向止回阀。当柴油机失控时，通过监视装置发出信号，二位四通换向阀具有改变供油方向，利用输油泵的泵吸功能使喷油泵中的低压油腔内局部形成真空，使喷油泵内失油，而阻断向喷油咀提供压力油，使气缸内缺油而不能燃烧，迫使柴油机转速下降直至停机，从根本上杜绝了柴油机的超速事故的发生。
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图1 柴油机超速断油保护装置结构示意图 |
图2 柴油机超速断油保护装置原理图 |
2、超速报警保护板面板结构
柴油发电机组中的超速报警保护板，又名速度开关板。以3036453超速报警保护板为例，其主要为柴油发电机组提供了以下三个信号：
（1）曲轴停止（STOP CRANK）信号（启机成功）：
起动到300rpm，上部13灯亮，柴油机引爆，升到怠速（625rpm~700rpm），对柴油机预润滑、预热，为高速和加载作准备。
（2）并车允许（PARALLELING）信号：
怠速3min~5min后，开关扳到RUN位，转速升到1450mpm以上，中灯L2亮，为并车提供基本条件，调动微调电位计可与外电同步并车。
（3）超速保护（OVERSPEED）信号：
当发电机组故障、发生飞车、转速超过1725rpm时，下灯L1亮，并自动停车。但红灯继续亮，必须关断24V电源后灯才能熄灭，才能重新开机。
3、超速报警保护板工作原理
超速报警保护板安装位置如图2所示，其工作原理是转速传感器接收到柴油机的转速信号，经频率→电压变换器（F/V）转换成相应的电流信号、ABCD电阻产生电压。和设定的电位器（CW）比较，在相应转速上继电器动作，发出灯指示，继电器触点供外电路使用。
柴油机机型不同，飞轮齿数不同，转速传感器感应脉冲数也不同。为了补偿差异，超速板内有4组切换电阻，通过A、B、C、D插脚引出，在大底板上采用剪留三根跳线J3、J4、J5来解决。对K系列康明斯柴油机而言，飞轮号为0，齿数为142，留用J4跳线。
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图3 康明斯柴油机3036453超速报警保护板 |
图4 柴油机超速停机保护装置安装位置 |
4、超速报警保护板的使用与调整
（1）超速报警保护板的设定
超速报警保护板中三套设定电位器，可以改变继电器动作所对应的转速，即起动成功，并车允许、超速保护。正旋为整定值上升，反之为下降。如果发电机组经常出现超保护，而实际并非故障时，正调OVERSPEED ADJUST少许，即可解决。这主要是整定值太小的缘故。
（2）超速报警保护板的调整
在正常情况下打开电源时，超速板上没有灯亮。在超速板右下方，有一个按钮OVERSPEED TEST，是模拟超速保护的。高速运行时，按下此按钮，如果报警停机，表明超速板的保护继电器是正常的。柴油发电机组出厂时，不一定进行超速保护测试，一般不进行超速保护值的整定，因此柴油发电机组进段后，最好进行保护数据的整定。为了防止柴油机在飞车时不能起到保护作用而造成不必要的损失，可采取以下方法来调整保护值：
① 将超速板中的OVERSPEEDADJUST整定旋钮正旋少许。
② 起机后，通过RUN SPD调升空在转速到1725rpm:
③ 将整定电位器慢慢反旋至保护动作，OVERSPEED红灯亮停车。
④ 重起后，再将空车转速调回正常1500 pm位置。
4、超速保护装置失效后的应急方法
一旦出现“飞车”，而超速保护系统又失效的情况下，必须要采取紧急措施，设法立即熄火（截断喷油泵的进油和空气滤清器的进气），避免发生机器报废或造成伤亡的严重事故。
（1）切断油路
即将油门拉到停机位置，关掉油门开关。但由于产生飞车的多数原因是油门失去对油泵柱塞控制，并且在低压油路中尚有存油，这种措施往往不能很快使柴油机停机。如果拧开高压油管连接螺帽，使柴油机立即“断油”，大多数情况可以迅速停机。
（2）切断气路
对柴油机来说，一般进气管道较小，可直接用棉衣等物包住空气滤清器，或将空气滤清器迅速拆下，直接堵住进气口。在任何情况下，只要确实堵住进气通路，都可以迅速停机。
总结：
柴油机飞车是一种严重的故障，可能会导致柴油机转速迅速增加，超出正常工作范围，造成严重的机械损伤和安全事故。因此，一旦发生飞车，应立即采取紧急措施，以防止进一步损坏。而加装超速保护装置是柴油发电机组三级停机保护中的一个重要功能，其功能的好坏将直接影响发电机组的安全、正常运行。切实掌握柴油机超速保护装置的工作原理和必要应急处理知识是十分必要的，将有助于柴油发电机组的安全正常运行。
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