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故障检修与技术维护 |
柴油机冒黑烟、冒白烟和蓝烟三种烟色的原因分析 |
摘要：柴油发电机在正常工作温度下，其排气烟色应该是无色或淡灰色，所谓无色不是完全无色，不能像汽油机那样无色，而是在无色中伴有淡淡的灰色，这是正常排气烟色。柴油机在怠速时排气烟色可能重一些，在高速、高负荷时也可能重一些，要注意观察正常排气烟色，才能对非正常的排气烟色进行判断和分析。柴油机燃料完全燃烧后，正常颜色一般为淡灰色，负荷工作时为深灰色。柴油机在工作中，会经常出现冒烟现象，柴油机排烟有黑烟、蓝烟、白烟三种，它们是判断柴油机故障的条件之一。如果排出的烟呈黑色、蓝色及白色均属不正常，应查明原因，及时排除，使柴油机恢复正常工作状态，以延长零部件的使用寿命，提高其动力性和经济性。
一、故障现象
柴油发电机正常工作时，排出的废气呈淡灰色，只是在加速时会出现一股黑色排烟，所以当出现烟色异常时，会出现以下现象。
1、冒黑烟
这是柴油发电机不完全燃烧的特征。此比时排出的废气中有大量固体炭粒。有时甚至带火星，并伴随排气温度的升高。
排气冒黑烟（碳烟）黑烟也称碳烟，柴油机排气冒黑烟主要是燃料混合气过浓，可燃混合气形成不良或燃烧不完善等原因造成的。柴油机在高温、高压燃烧条件下（燃烧过程曲线如图1所示），局部缺氧、裂解并脱氢而形成的以碳为主要成分的固体微小颗粒，是燃烧室内燃料燃烧不完全的表现。由于柴油机是非均质燃烧，燃烧室内各区域的化学反应条件是不一致的，而且随着时间而变化的，所以黑烟很可能是由许多不同途径生成的。柴油是复杂的碳氢化合物，喷入燃烧室内未燃烧的柴油受高温分解，形成炭黑，排气时随同废气一起排出形成黑色烟雾。黑烟是不完全燃烧产物，是烃燃烧在高温缺氧情况下裂解过程释出并聚合而成的。某些情况下燃油喷射在燃烧室壁面上，形成液态油膜，油膜是最后蒸发的一部分，它的燃烧取决于其蒸发速度和燃料蒸气与氧的混合速度。如果周围气体中氧的浓度太低，或混合的速度不够时，从油膜蒸发的燃料气体将被分解，并产生未燃烃、不完全氧化产物和黑烟。
2、冒白烟
这是柴油发电机废气中水或燃油蒸汽的特征。此时柴油发电机排出的废气呈白色雾状，并伴随着柴油发电机功率下降和转速不稳。燃油系统在柴油机上部件位置如图2所示。
白烟是指排气烟色为白色，它与无色不同，白色是水蒸气的白色，表示排烟中含有水分或含未燃烧的燃油成分。白烟呈液珠状态，和蓝烟相比较直径稍大，一般大于1μm。在光的折射下呈白色，柴油机的白烟是未燃烃（含燃油和润滑油）、水蒸气以及不完全燃烧的中间产物（如含氧碳氢），除水蒸气外，它们也都属于微粒范畴。柴油机在刚起动时或冷机状态时，排气管冒白烟，是因为柴油机气缸内温度低油气蒸发而形成，冬季尤为明显。柴油机在寒冷天气运行时，柴油机温度低，排气管温度也低，有水蒸气排气凝结成水气形成白色排烟，是正常现象。若当柴油机温度正常，排气管温度也正常时，仍然排出白色烟雾，说明柴油机工作不正常，可判断为柴油机故障。
3、冒蓝烟
此时柴油发电机排出的废气呈蓝色雾状，并伴有呛人的烟味和柴油发电机机油消耗增加。排气冒蓝烟，一般情况下是柴油机使用日久，慢慢开始烧机油引起的，随着蓝色烟雾的加重，烧机油越来越多，就应考虑维修柴油机了。有时燃油中混有水分，或有水分漏入燃烧室中，引起燃烧的改变，柴油机会冒浅蓝色烟。
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图1 柴油机燃烧过程曲线图 |
图2 康明斯燃油系统部件在柴油发动机上位置图. |
二、后果危害
柴油在柴油机气缸内燃烧的作用就是将柴油中的化学能释放出来，变为气体的热能，使气缸中气体的温度和压力升高，从而推动活塞膨胀做功，达到热能转化为机械能的目的。燃烧过程在柴油机的工作循环中起加热作用。气缸中柴油喷油量的多少以及燃烧程度决定了可能释放出热能的数量，也就是决定了热量的多少，它对柴油机的功能指标和经济指标有着决定性的影响。燃烧完善就是柴油在气缸内充分燃烧，尽可能地将化学能转化为热能释放出来达到对外做功目的。也就是说：柴油中的可燃成分碳和氢能够在气缸内与氧气进行化学反应，全部生成二氧化碳和水，这样柴油机的工作性能就好，空气利用率高，排气时带走的热量就少，热能转化为机械能的部分就多，其经济指标就高，此时外部表现排烟呈银灰色。
而柴油发电机当出现烟色异常时，会带来以下危害∶
1、功率下降，燃油消耗增加
因为黑烟是不完全燃烧的产物。当燃烧不完全时，势必造成热效率下降，使油耗增加、功率下降。
2、机油消耗增加
因为蓝烟是机油不完全燃烧的产物，出现蓝烟，势必造成机油消耗增加。
3、排放增加
蓝烟、白烟是低温不完全燃烧的产物，黑烟是高温不完全燃烧的产物这些产物成炭烟、HC、C0等排放到大气中，对环境起到污染作用。
4、使设备寿命减低
柴油能否完全燃烧在很大程度上受燃烧空间内的温度、氧气含量以及油气混合条件所影响。根据其燃烧化学反应可以看出，在柴油燃烧过程中产生黑烟通常是由于在气缸内未能充分燃烧，从而导致油料裂解聚合不完全的产物。一般情况下，柴油机所排出的黑烟主要包括碳烟微粒与部分可溶性有机物，所以在燃烧过程中，一切因素都可能会对柴油燃烧产生影响导致黑烟的产生。而黑烟的危害主要在于加大了燃油消耗量，使得柴油发电机组功率下降，并导致柴油机积碳严重，加速其磨损程度，进而导致柴油发电机组使用寿命下降，使得运行效率降低。
三、原因分析
由于黑烟、白烟、蓝烟是三种不同性质的异常烟色，所以其生成的原因也是不相同的，主要原因如图3所示，下面分别予以分析。
1、冒黑烟
既然黑烟是燃油不完全燃烧的产物，因此造成冒黑烟的原因主要由燃油。燃烧系综的故障和进排气系统故障引起。柴油发电机之所以冒黑烟，是由于略入柴油发电机气缸内的倾油在燃烧时，局部高温缺氧裂解，并脱氢而变成以碳为主要成分的固态微小颗粒。是一种不完全燃烧的产物。一般用烟度来表示，其单位是BSU（波许）。所以无论是燃油系统，燃烧系统，还是进排气系统，凡是影响燃烧完全性的因素，均可引起冒黑烟。
（1）喷油器雾化不良，油粒大小不均或太大，与空气无法良好地、均匀地混合，局部地区在燃烧时缺氧，高温裂解，从而产生黑烟。喷油器结构如图4所示，同时试验表明，当有一个缸雾化不良，此时尽管燃油耗只增加0.1%，但烟度却可达到4BSU。
（2）喷油器异常喷射（包括二次喷射、隔次喷射、多次喷射或滴漏），将使燃料在气缸着火后仍继续喷入气缸，这部分燃油是在高温缺氧情况下燃烧的，所以容易产生冒黑烟。
（3）个别气缸供油量过大或者柴油发电机超负荷运转，都是缸内燃油过多，空气不足，燃烧缺氧，从而引起冒黑烟。其实，拉缸、抱轴引起冒黑烟也是这个道理。此时，柴油发电机摩擦功大大增加，加大气缸作功能力，才能发出同样大的有效功，这也相当柴油发电机超负荷运转，从而造成冒黑烟。
（4）柴油质量不符合要求，特别是十六烷值太低，使柴油发电机着火性能变差，燃烧差火落后期变大，造成冒黑烟。
（5）高压油管内孔变形，将导致油管流通能力和油管压力变化，从而引起喷油器二次喷射和影响雾化质量；喷油泵柱塞磨损大.出油阀磨损大造成油管压力降低，从而恶化了喷油器雾化质量。这一切都使燃油燃烧不完全，局部高温缺氧，引起冒黑烟。
（6）康明斯系列柴油发电机的喷油器伸出缸盖平面高度有一定要求，为2.4-3.0mm，当在拆装过程中将垫件搞错，将导致油头伸出缸盖平面距离太大、太小，这样就不能保证喷出的雾矩和燃烧室形状很好的吻合，或喷到燃烧室壁，或喷到缸盖下平面，造成局部的燃油不能很好和空气接触.混合，引起燃烧局部高温缺氧产生黑烟。
（7）柴油发电机燃烧时的一个重要条件是，气缸要有一定的压缩压力和压缩温度。当活塞环密封不良、气门密封不良，均使缸内压缩压力不足，从而造成燃烧不充分，产生黑烟。
（8）柴油发电机的换气系统的作用是根据柴油发电机的工况大小，定时定规律定量地供给柴油机新鲜空气，并将废气排走。当空滤器污堵、压气机污堵、中冷器污堵、排气消声器污堵，以及增压器故障引起的进气压力不足，均使进入柴油发电机气缸的空气量不足，造成燃烧时的空气不足、高温缺氧，产生黑烟现象。
（9）配气相位不对，既易造成柴油发电机进气不足、排气不畅，还使进排气的规律发生变化，从而影响柴油发电机正常换气，燃烧，引起冒黑烟。
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图3 柴油机冒黑烟故障原因 |
图4 电控喷油器结构图 |
2、冒白烟
白烟是柴油发电机低温起动运转后，柴油未燃微粒或水汽所形成的液体雾粒，是低温产物。不同于固体状的黑烟。所以分析原因时，应抓住这个特点。
（1）水汽的原因
既然白烟成分之一是水蒸汽，所以凡是在柴油发电机燃烧中能产生水蒸汽的因素都是造成冒白烟的原因。柴油中含水、缸盖漏水、中冷器漏水，甚至机油内含水，在柴油发电机燃烧过程中，这些水成水蒸汽形式从排气管排出，呈白烟状态。这种情况低速低负荷特别明显。而在高负荷时基本消失，除非含水特别多。不过此时柴油发电机会出现转速不稳和功率下降。
（2）燃气的原因
既然冒白烟的成分之一是未燃烧的柴油蒸汽，所以凡是在柴油发电机燃烧过程中产生柴油蒸汽的因素都是造成柴油发电机冒白烟的原因。当然，这种情况也是在柴油发电机低速低负荷时发生的。
① 喷油器雾化不良
燃油和空气混合不良，不具备着火条件，而在低速低负荷时未被燃烧，而呈蒸汽状态从气缸排出，产生白烟。
② 各缸供油量不均。
低速低负荷时，只有供油量大的气缸着火燃烧，而供油量小的气缸的燃油未及燃烧，呈蒸汽状态，从气缸排出，产生白烟。
③ 气缸温度太低。
水温低或环境温度低，气缸压缩温度低，均造成缸内着火条件不良，使喷入气缸之燃油未及燃烧，呈蒸汽状态从气缸排出，产生白烟。
④ 供油提前角太晚
柴油和空气混合条件不充分，未及良好燃烧，一部分燃油呈蒸汽状态从气缸排出，产生白烟。
3、冒蓝烟
蓝烟也是柴油发电机低速低负荷运转时，机油在几乎没有燃烧或只有部分燃烧或处于分解状态，液体微粒也是低温产物。所以形成蓝烟的因素也是机油消耗高的原因。机油消耗高主要由于机油进入燃烧室，被不完全燃烧排出气缸。而机油进入燃烧室主要途径之一是从缸盖活塞之间里飞溅.泵吸。所以影响缸套活塞间密封和飞溅过度的因素，均是造成机油窜入燃烧室的原因。
（1）活塞环卡住、折断、弹力消失、漏光、开口间隙过大、扭曲环位置装错，或四道活塞环开口未错开，均造成活塞环和缸套贴和不良、密封失效，使机油窜入燃烧室，造成机油消耗高。
（2）活塞外圆磨损过大、环槽磨损过大及缸套磨损过大、失圆，也均造成活塞缸套间隙过大，使机油窜入燃烧室，造成机油消耗高。
（3）机油进入燃烧室的另一途径是机油从进气道被吸入燃烧室，所以这方面的因素也是机油消耗高的原因。
（4）当缸盖回油孔不畅，润滑摇臂的机油回不到油底壳，使存在缸盖上罩壳的大量机油从气门导管进入燃烧室，造成机油消耗过高。
（5）当主油道到缸盖摇臂的节油阀未装，或者节流阀孔太大，从主油道到摇臂的油太多，无法全部从缸盖回油孔回到油底壳，而积聚在缸盖上罩壳内，从气门导管进入燃烧室，造成机油消耗过高。
（6）当气门导管与气门杆磨损严重，间隙过大时，也造成机油从此处大量进入燃烧室，造成机油消耗过高。
（7）当空气滤清器脏污，空气吸入真空度大，当大于5.5kpa时，或者增压的封油系统失效，增压器的润滑油被吸入压气机，而进入气缸，造成机油消耗过大。
四、诊断方法
对烟色异常的诊断，首先用眼睛来分辨出冒黑烟还是冒蓝烟、冒白烟。
1、对于冒黑烟
可用不透光烟度仪测量出烟度的大小，结构如图5所示。不透光烟度计不仅可以测柴油机排气中的黑烟，而且可以测蓝烟和白烟排放，对低浓度的可见污染物有较强的测量能力，可以实现排气烟度的连续测量。其测量单位用FSU（波许）表示。具体诊断原因和部位时，可用部分停止或比较法，判断是否是燃油系统故障引起。并可用仪器法进一步是燃油系统的那一部位；对配气系统故障可用析检法或仪器法，具体判断是那一个部位。
2、对于白烟
如图6所示。可用一张硬纸对准排气口。让白烟喷到白纸上，根据白纸上的液珠，判断是水汽引起还是燃油系统引起。水汽液珠无味，燃油液粒有烟味。再用析检法查出漏水原因或燃油不雾化的原因。
3、对于冒蓝烟
可用部分停止法和观察法先找出窜机油的原因。
（1）部分停止法
经分析怀疑故障是由某一工作部位所引起时，可使该部分局部停止工作，观察故障现象是否消失，从而可断定故障发生部位。如柴油机冒蓝烟，分析认为是空气滤清器过脏所造成的。此时可将拆掉或更换全新空滤，若蓝烟消失，运转稳定，则可证明判断正确。
（2）观察法
观察法就是柴油机修理工按照柴油机使用者指出的故障发生的部位仔细观察故障现象，而后对故障做出判断，这是一种应用最多的最基本的也是最有效的故障诊断法。
例如对发机排气管冒蓝色烟雾的故障，可以通过冒蓝烟的现象来判断，如在使用过程中长期冒蓝烟，发动机使用里程又很长，一般可以判断为气缸或活塞环磨损，致使配合间隙过大，由于机油盘中的机油通过活塞环与缸壁之间的间隙窜入燃烧室引起的；如果只是在发动机刚一发动时冒出一股蓝烟，以后冒蓝烟又逐渐变得比较轻微，一般可以判断为发动机气门杆上的挡油罩老化或内孔磨损使挡油功能失效，而有少量机油沿着气门杆漏入气缸引起的。有经验者可以准确判断，经验不足者还应进一步观察。
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图5 柴油机烟度测量不透光烟度计结构 |
图6 柴油机冒白烟现象检查方法 |
总结：
对柴油发电机组运行来说，由于受多种原因所影响，柴油机在工作中会出现烟色异常是常见现象之一。对此我们不仅要加强重视，还应充分分析烟色不正常现象产生的原因，并据此采取相对应的措施进行处理，从而切实有效地保障柴油机良好的运行效率。总之，如果柴油机工作时排烟颜色不正常，不管是黑色、白色，还是蓝色，都应引起现场使用人员的重视，只有及时查找原因，排出故障，才能延长柴油发电机的使用寿命，提高经济效益。
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