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柴油发电机的各种窜气现象及其原因 |
摘要：一般而言，窜气现象的出现，表明燃烧室内的高温、高压混合燃油气已不能形成密封，轻者会造成柴油发电机烧机油、冒黑烟、功率下降，重者则会增大曲轴箱压力，柴油发电机润滑迅速恶化，导致曲轴磨瓦、活塞拉缸等恶性事故。因此，认识、了解和解决窜气问题对康明斯用户来说意义非常重大。康明斯公司在本文中发布了窜气对柴油发电机性能的不利影响的论述，探讨了柴油发电机各种窜气现象及其原因。
一、柴油机窜气故障的危害
发动机窜气是一个综合故障，是发动机的常见故障之一。发动机窜气是在做功过程中，汽缸内产生的高温高压膨胀气体，一部分从非正常通道排出机体外部的一种现象，如图1所示。它的产生和发展严重威胁着发动机的正常运转，轻者降低输出功率，浪费能源，重则损坏机件酿成事故。
1、功率损失大，燃料耗上升
正常情况下，柴油发电机活塞和活塞环总成泄漏的气体应小于进气量的1%，当其窜气超过规定值时，将引起功率损失增大，燃油消耗率增加。
2、润滑油被恶化
（1）因窜气温度高，而且混入进气的灰尘和氧化铝之类物质，除加速机件磨蚀外，使机油粘度增高，油色变黑。
（2）当窜气量增大时，由于气体难以冷却，往往使机油蒸发成白烟或油滴从废气管（曲轴箱呼吸管）处排出，如图2所示。
3、机件过热
由于产生窜气，活塞与活塞环温度升高，使环槽和环上的润滑油烧蚀而粘结。环失去弹力而卡滞或折断，由此故障增多。
4、加剧机件磨损
由于柴油机窜气，活塞和活塞环的温度升高，使环槽和环上的润滑油烧蚀粘结，使活塞环失去弹性而卡死或折断，导致故障增加。而因润滑恶化和活塞环的粘结，不但致使汽缸和活塞及环磨损增加，也加剧了其他相关部分的早期磨损和腐蚀。
5、机油消耗变大
因曲轴箱压力增加，机油损失增大，增加了机油的消耗。
6、腐蚀零件
废气中的二氧化硫遇水则生成亚硫酸，亚硫酸再遇到空气中的氧而生成硫酸，会腐蚀、损坏发动机零件。
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图1 柴油机曲轴箱气体（窜气）过量现象 |
图2 过量机油溢出曲轴箱呼吸器管 |
二、各种窜气现象及其原因
新的发动机曲轴箱窜气量约为15～20L/min，而磨损的发动机曲轴箱窜气量可高达80～130L/min，窜气路线如图3所示，而不同负载情况下窜气如图4所示。窜气量是对一定的工况而言，在确定的工况下，曲轴箱窜气量表示了汽缸活塞组的技术状况和磨损程度。实验表明，曲轴箱窜气量与发动机功率下降和燃油消耗增加成线性关系。随柴油机工作窜气会越来越多必须排放出去否则会影响柴油机动力和损坏柴油机。曲轴箱窜气中含有不少有害成份，所以从很早以前各国家都规定柴油机窜气必须回收再燃烧，这才有了曲轴箱窜气管把窜气从进气道吸入燃烧室再燃烧后从排气管排出。
1、与气门相关部件有关联的窜气
这类窜气现象发生在气缸盖部分，主要包括气门与气门座的间隙泄漏、气门室窜气。
通常情况下，气门与气门座、排气门与气门导管这两组配合间隙因相对磨损会逐渐增大，或气缸盖的局部由于铸造缺陷出现了裂纹等情况，导致气体通过间隙或裂纹进入气门室而引起窜气。此种情况下，应检查与气门相关的部件并进行针对性处理，如更换气门、气门座、气门导管，进行气缸盖补漏等。
2、与气缸套、活塞环有关联的窜气
这类窜气现象可在曲轴箱加油口处观察到，应根据窜气的严重程度进行相应的原因分析与处理。
（1）轻微窜气
当柴油发电机的使用时间较长，这种窜气可判断为气缸套磨损严重，活塞环已达到弹力极限，不能很好地封闭气缸内的气体，如图4所示；当柴油机刚检修过，原因可能在于活塞环选用不合理，导致与气缸套之间的间隙过大，或活塞环安装错误所致，应拆机检查并正确调整。
（2）窜气量较大
这种窜气一般是由于活塞环断裂、卡死，造成密封效果迅速下降，气体从断环的缺口处或环与缸套的间隙处窜入曲轴箱。如图4所示。
（3）突发性喷气
通常还带有少量机油，这种窜气一般是因严重缺水或断水而引起气缸内温度急剧升高，活塞与活塞环、缸套部分粘连，活塞大面积拉伤造成的。一旦出现这种现象，应立即熄火让柴油发电机自然冷却后再处理，切不可继续运转或加冷水降温，否则将造成活塞、缸套与活塞环抱死，酿成更大事故。
3、与气缸垫有关联的窜气
一般是由于汽缸垫老化，缸体、缸盖腐蚀引起的缸盖和缸体之间的密封不严，导致压缩气体从间隙中窜到缸盖、缸体周围的冷却水道、油道。这类窜气现象可分为两类：
（1）气缸垫处有少量气泡逸出
① 缸体上表面或缸盖下表面上的凹坑与划痕、缸垫厚薄不均、铜皮划伤等微观缺陷导致两者结合面产生了微观缝隙。
② 检修时，气缸垫与缸体、缸盖接合部位未处理干净，夹杂了尘土、油泥等，造成接合部有微小缝隙。
③ 检修时，缸盖螺栓紧固力矩不均匀，或未按规定顺序紧固，造成缸盖的微观变形。
④ 检修后，未进行二次紧固。无论如何，气缸垫处窜气要及时检查处理，否则将造成严重的冲缸垫事故。
（2）上下窜气
上下窜气即曲轴箱加油口和气门罩处同时窜气。主要原因是气缸垫的油道口周围烧损而与气缸连通，高压气体通过油道窜出，上端窜入气门室，下端窜入曲轴箱。油道窜气会导致曲轴、凸轮轴、摇臂轴润滑效果恶化，造成抱轴、烧瓦事故。应及时更换气缸垫，排除油道窜气。
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图3 发动机窜气路线示意图 |
图4 不同负荷状态下柴油机窜气路线图 |
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图5 柴油机活塞环轻微窜气部位示意图 |
图6 柴油机活塞环窜气量大部位示意图 |
三、窜油窜气的检查方法
1、气缸压力测量
首先采用汽缸压力表逐缸检查汽缸压力，各缸压力差不超过其平均值的10%。当汽缸压力降低时，为了查明其降低原因，可用少量新鲜机油从火花塞孔注人汽缸内，再重新测量压力。
2、目测观察
打开机油口的盖子，慢慢加油，若窜气严重，用肉眼就可以看出。若窜气不严重，可以用一张白纸，放在离机油口5厘米左右的地方，然后加油，若窜气、窜油，白纸上会有油迹，严重时油迹大。
3、检查排气颜色
正常的柴油发电机在工作时排出的气体应是无色的。柴油发电机带负荷运转时，排气颜色一般为淡灰色，负荷略重时，则可为深灰色。如果排气颜色为蓝色，说明机油窜入燃烧室，气缸内有机油燃烧。若机油油面正常，就是活塞问题，活塞环与气缸壁磨损过大，间隙过大或气缸进气不畅，致使机油吸入燃烧室；如果排气管冒黑烟，是混合气过浓，点火时刻过时等原因。
此外，还可检查进气歧管真空度等方法来判断发动机的漏气故障。在此基础上分析故障产生的原因，然后对症下药，予以排除；同时采取有效措施进行预防，以杜绝此类故障的发生。
四、防止窜气的注意事项
柴油发电机出现各类窜气现象，与主要部件的密封情况都有直接的关系。要杜绝窜气现象的发生，必须加强对这些部件的维修、保养，提高检修质量，这也是防范柴油发电机窜气的根本途径，广大的康明斯用户重点需注意以下几个方面。
1、注意定期保养空滤与柴滤
柴油发电机的使用环境相对较差，通过定期的保养空滤、柴滤，清理或更换滤芯，一方面可以防止空气中硬质微粒进入缸内，避免或减少磨粒对缸套和活塞环的磨损，同时可提高燃油清洁度，减少大量的燃烧积炭，提高柴油机的经济性、动力性与耐久性。
2、注意操作的规范性与科学性
实际操作时要结合运行需要，尽量避免高负荷、长时间的连续运转，增压柴油机及冬季启动后需怠速工况下运转更长时间，等待油温、油压和水温达到规定值后方可作业，严格禁止柴油机刚启动就大负荷作业，而增压柴油机停机前需进入怠速工况运转几分钟。
3、注意经常检查、补充和更换冷却水、润滑油
这样可以保证运动部件处于良好的冷却与润滑状态，减缓运动件的相对磨损，防止高温、拉缸等恶性事故的发生。
4、注意检修质量
检修时，应认真检查缸体、缸盖平面度和缸套圆柱度以及各表面的粗糙度，发现缺陷应及时修补。要选用质量合格的配件，装配时要做到零件清洁，顺序合理，紧固力矩一致。检修完毕后柴油机应运转24小时或水温达到80%，并对缸盖螺栓进行二次紧固，方可投入正式使用。
总结：
柴油机窜气看似问题不大，但如果任其发展，就会恶化，超过安全线，后果更严重，不仅会导致润滑油质量变差，油耗增加，还可能导致柴油发电机零部件出现问题。所以柴油机窜气不可小觑，一定要知道窜气的原因，才能对症下药。目前，柴油发电机窜气的测量和控制技术在实际生产实践中己得到广泛的运用。对窜气问题的重视己逐步深入到柴油发电机研究的一些重要领域，包括气缸、活塞环摩擦副的磨损图的优化，活塞环最佳几何曲面的研究和曲轴箱通风系统的设计与布置等。柴油发电机的窜气量控制标准是衡量柴油发电机制造质量的重要出厂指标之一。
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