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故障检查与技术维护 |
康明斯K38系列柴油发电机活塞烧蚀现象 |
导读：活塞烧蚀是柴油发电机使用中较常见的现象，烧蚀部位大多发生在活塞顶部和第一、第二道活塞环槽处及活塞头部圆周处，一般以活塞顶而熔洞、穿孔和头部圆周处键槽状缺口、蜂窝眼为主要形式，故障现象主要表现为发动机下排气增大，甚至机油从呼吸孔冲出。活塞烧蚀将导致柴油发电机工作不正常，直接导致缸压降低，动力下降，间接引起拉缸、抱瓦等，并损坏涡轮增压器、缸盖等机件。下面，根据我们康明斯K38发电机活塞烧蚀的维修经验，结合相关相关技术资料后，对康明斯K38系列发电机活塞烧蚀的原因作分析。
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一、活塞烧蚀故障特征
1、活塞烧蚀故障产生及外部特征
一般表现为发动机下排气明显增大，运转中忽然出现排气冒白烟且有机油从废气管中窜出，严重烧蚀后，排气管与缸盖接口处冒柴油。
2、发动机拆检后内部特征
表现为（早期）轻微烧蚀，第一道活塞环上部出现蜂窝眼；（晚期）严重烧蚀，第一道活塞环镶槽断裂或活塞烧缺，随着发动机的继续使用，这一现象进一步扩大，最后恶化到活塞环槽脱落所形成的异物在燃烧室中受活塞的往复撞击而导致缸套拉伤、缸盖底平面和气门被碎块打坏、喷油器喷嘴打坏、碎块进入排气道和增压器将高速运转的增压器废气涡轮打坏。
二、活塞烧蚀故障原因分析
以下归纳分析造成活塞烧蚀的各种原因。
1、发动机冷却系统
（1）水泵失效
水泵作为冷却系统心脏，它使冷却水以一定的压力（KTA38系列康明斯发动机最低冷却水压力48KPa）和速度在发动机相关冷却通道内流动，将发动机各部分的热量带走，当水泵压力因为泵内部部件磨损泄露等原因而低于正常值时，就不能对发动机（特别是燃烧室）进行有效的冷却，使活塞、缸套始终处于高温状态，活塞受高温强度降低而造成烧蚀。
（2）将自来水作为冷却水使用
自来水因为含有大量的杂质，高温时极易在水箱和发动机冷却水道生成水垢，水垢一旦形成，一则减小了冷却水的正常流通面积，二则阻碍了正常的热传递，从而影响发动机燃烧室热量的正常散热。
（3）节温器卡死和动作值偏移
节温器的初开启温度为80℃,全开温度为90℃,无论是卡死和动作值变化，都会影响冷却水在流往水箱这一冷却大循环的流通性，而使发动机得不到及时冷却。
（4）机油冷却喷嘴堵塞或角度变化
柴油膨胀冲程所产生的热量，一方面以膨胀爆发的形式将热能转换成机械能推动活塞作功，另一方面通过排气、活塞—活塞环一缸套一冷却水、机油冷却将多余的热量传散出去。冷却喷嘴与机油主油道直接连通的机油通过冷却喷嘴喷入活塞底面的一侧，从活塞底面另一侧流出，以达到冷却高温活塞的目的。（拆装喷嘴时一定要仔细，千万别碰撞喷嘴，同时装配时要充分保证其畅通性和紧固螺栓25磅的扭紧力矩。)
2、发动机燃油系统
（1）喷油器喷油量过大或雾化不良
喷孔直径超过标准时，过多的柴油喷入汽缸，在某工况下，因为进气量一定，同时过量空气系数也一定，从而无法保证喷入缸内的柴油都能够完全燃烧，甚至出现柴油附在活塞上燃烧，造成积炭和活塞过热。严重时可以在活塞顶部看见一个个与喷孔数量相同的喷油痕迹，活塞头部也会有一层厚厚的不规则的积炭，造成活塞高温烧蚀。
（2）PT泵油量过大
PT泵油量过大也会使过多的柴油喷入汽缸而无法完全燃烧，而出现发动机冒黑烟，工作粗暴，缸内异常高温。
（3）喷油提前角不正确
提前角过大，发动机工作粗暴，提前角过小，发动机燃烧滞后引起后燃，极易造成活塞因过热而烧蚀。KTA38系列康明斯发动机喷油正时由静态喷油正时和动态喷油正时构成。静态喷油正时由齿轮室内曲轴齿轮和左、右排凸轮轴齿轮（以及偏心键）的相对位置而确定，对它的检查须借助专门的正时测量工具来完成。而其独特的动态喷油正时功能能够使发动机在运转中根据外界负荷情况自动调节喷入汽缸的柴油油量，以达到最佳的燃烧效果。动态喷油正时机构主要由：STC控制阀、STC油管、带STC的喷油器组成。简单的控制原理为：不同工况时，STC控制阀根据检测到的PT燃油泵柴油压力一控制STC阀内柱塞的位置一机油进入喷油器的STC油腔形成一段液力柱塞一改变喷油器柱塞的总行程一改变喷油器的开启和关闭时间这一过程来达到动态调整喷油正时的目的。如果因为机油里混有机械杂质等原因造成STC阀柱塞磨损或卡死以及STC机油油路有泄露存在，就会使发动机丧失这一功能而导致喷油正时紊乱，燃烧不好，活塞积炭，活塞高温而烧蚀。
3、活塞组件磨损
（1）劣质活塞
活塞在高温、高压、高速、润滑不良的恶劣条件下作往复直线运动，直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500℃以上，受热严重、散热条件差，所以活塞工作时温度很高顶部可达600～700℃，且温度分布很不均匀；活塞顶部承受气体压力很大，特别是做功行程压力最大，柴油发电机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧珏力的作用活塞在气缸内以很高的速度（8～12m/s）往复运动，且速度在不断地变化，产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力。若活塞质量不过关，铸造时存在气孔、疏松、微裂纹、夹渣等缺陷，则在高温高压作用下，这些气孔、疏松、微裂纹会导致疲劳损坏；活塞中的夹渣首先熔化，诰成活塞烧熔，导致活塞烧蚀故障。
（2）活塞积碳严重
积碳的生成比较复杂，它与发电机结构以及使用燃科、润滑油科的种类及发电机所处工作条件、工况等密切相关。在燃烧室中，氧气供给不足，燃料和窜入燃烧室的润滑油料不能完全燃烧，而产生油烟和焦油微粒，它们和润滑油混合在一起后，进一步氧化成为稠性胶状液体羟基酸，羥基酸又进一步氧化变成一种半流体树脂状胶质，牢因地粘附在零件上，随后在高温的不断作用下胶质又聚合成更复杂的聚合物，成为一种硬质胶结碳，即形成了积碳。
积碳的组成成分有润滑油、轻基酸、沥清质、油焦质、碳青质、硫酸盐、硅化合物（来自进气中的灰沙）和微量金属到及其化合物等。发电机温度越高，形成的积碳也越硬越紧密，与金属粘接越牢固。活塞环槽中的积碳会使活塞环失去弹性而卡死，活塞环密封性下降，引起烧枳油现象，进而加剧了积碳的生成，进、排气门上的积碳会使气门关闭不严，高温颗粒积碳附着在气门上也会使气门及气门座烧蚀，加剧气门漏气。气门漏气，又使高温气冲气门及气门座，进一步使气门及气门座烧蚀出现漏气，最终导致缸床降低，燃烧黑烟大促使活塞积碳的生成。活塞积碳使其散热作用减弱，温度升高，当温度超出活塞的热承受极限时，将引发活塞烧蚀。造成发电机燃烧黑烟大、积碳严重的主要原因是过气门密封不严进、排气门关闭不严，会诰成高温、高压的可燃混合气冲蚀气门及气门座工作面，使二者工作面出现嘛点、积碳、烧蚀，麻点、积碳、烧蚀又会加速进、排气门关闭不严，形成恶性循环。气门关闭不严，缸压降低，燃烧不好，造成缸内积炭过多，导致发电机动力性，经济性下降。
若活塞环槽内会形成积炭，将活塞环嵌在活塞环槽中不能转动。可将活塞总成浸泡在煤油中，待其软化后再进行清除或拆卸，如图1 所示。
注意∶不可用刮刀、一字旋具等工具硬撬。
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图2 清除活塞环槽积碳 |
图3 活塞销孔直径检查示意图 |
（3）活塞环磨损
活塞环槽的磨损较大，通常第一道活塞环槽的磨损最为严重，以下几道环槽的磨损依次减轻。其原因是由于燃烧室高压燃气的作用和活塞高速往复运动，使活塞环对环槽冲击增大。磨损后的环槽断面成梯形，外宽里窄，侧隙增大 ，导致气缸漏气、室油，使发动机动力性下降，润滑恶化，燃烧室大量积炭等。活塞出现上述现象，在发动机大修时应全部更换。
表1 活塞磨损检测表单
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检测项目
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缸
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缸
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缸
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群部直径D0
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y1-y2
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销孔直径E1
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x-x
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y-y
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销孔直径E2
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x-x
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y-y
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环槽宽度1
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x1-x2
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y1-y2
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环槽宽度2
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x1-x2
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y1-y2
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环槽宽度3
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x1-x2
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y1-y2
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（4）活塞裙部磨损
活塞裙部虽与气缸壁直接接触，但接触面积较大，润滑条件较好，所以磨损也较轻。通常只在侧压力较大的一侧发生轻微的磨损和擦伤。当活塞裙部与气缸壁间隙过大时，发动机工作易出现敲缸，并出现严重的窜油现象。检查裙部磨损时，用千分尺测量与活塞销垂直方向的活塞裙部直径，如图4所示；千分尺的使用方法如图5所示。测得的数值与标准尺寸的最大偏差量不得超过0.04 mm。超过规定值时，在发动机大修时应更换全部活塞。
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图4 测量活塞裙部尺寸示意图 |
图5 活塞直径测量步骤（转动千分尺棘轮） |
4、排气背压过大
排气背压是指发电机排气的阻力压力。例如K38康明斯柴油发电机排气压力小于0.09kPa，若消声器发生堵塞或排气管改装不当，将会增大排气阻力，导致排气背压过大。由于发电机排气背压过高，汽缸内混合气烧后生成的废气难以排出，废气只能返流，热量相对积聚在缸内，导致缸内温度过高，最终引起活塞烧蚀。
5、其他
（1）空气系统中进入含磷或硫等酸性物质。
这些酸性物质随空气进入汽缸并与柴油一起参与燃烧，在燃烧中会形成磷酸和硫酸等酸性化学物质，而腐蚀缸套、活塞。
（2）柴油里面混有水。
水分在缸内高温燃烧作用下，迅速形成水蒸气，对活塞、汽缸造成气蚀破坏。
（3）活塞和缸套存在质量问题。
如果活塞和缸套铸造时存在气孔、疏松、微裂纹及夹渣等缺陷，这些缺陷就会作为疲劳源而导致疲劳损坏，活塞中的夹渣会引起活塞烧熔。铸造材质及工艺也关系到活塞和缸套的机械强度以及耐高温能力。
（4）装配上。
如活塞顶隙调整不当，就会影响发动机压缩比，而导致活塞拉缸或活塞烧蚀。
（5）操作不当。
如启动怠速、熄火怠速时间过短，超负荷等，对发动机都会造成损害。
总结：
康明斯发动机在使用过程中，出现活塞烧蚀故障，在日常维护保养工作中一般不易发现，但一旦出现，对发动机则是致命的损坏。为了保证发动机长周期安全运行，除操作员工的精心操作、细心维护外，按要求做好康明斯推荐的发动机A、B、C、D级保养工作显得十分重要，特别是发动机的C、D级保养。不论是对喷油器、气门间隙的就机检查调整，还是将喷油器、PT泵、STC控制阀送外校检，都要遵循康明斯发动机技术标准，不能一味的片面追求发动机动力，而忽视发动机本身的实际工况。
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