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故障检查与技术维护 |
柴油发电机“积碳”的形成、影响及清除手段 |
摘要：积碳容易引起柴油机发抖、冷启动困难、带载无力、燃油油耗高、机油消耗量大、尾气排放超标。积碳严重时，可能引起气门烧蚀、活塞烧顶、粘气门、早燃、爆燃、拉缸等故障，甚至导致柴油发电机报废。柴油发电机组积碳故障是由好多原因造成的，如果发现后仍然不去处理，慢慢的都会成大问题的。因此，康明斯公司在本文中论述了柴油发电机在使用过程中积碳的生成机理，并详细介绍了积碳对柴油机的影响、防治积碳的注意事项及清除积碳的方法。
一、积碳的生成机理与预防措施
1、积碳的形成
积碳产生的原因比较复杂，与柴油发电机的结构以及使用燃料和润滑油的种类、所处工作条件及工况等密切相关。目前国内由于试验设备条件的限制，对其生成机理并未形成很完善的系统理论。目前为人们所普遍接受的一种观点是：积碳是燃料及润滑油在高温氧化作用下的产物。在燃烧室中，氧气供应不足，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（如图1所示）。羟基酸又进一步氧化变成一种半流体树脂状胶质，牢固地粘附在零件上，并在高温的不断作用下，胶质又聚合成更复杂的聚合物——硬质胶结碳，即成了积碳（如图2所示）。积碳的组成成分有润滑油、羟基酸、沥青质、油胶质、碳青质、硫酸盐、硅化合物等，并且柴油发电机温度越高，形成的积碳也越硬越紧密，与金属粘结越牢固。
2、减少积碳的措施
柴油发电机在工作过程中，积碳不可避免的要生成，应根据其生成机理及日常使用经验，采取措施，控制积碳的生成。具体方法是：
（1）合理调整柴油发电机，使柴油发电机燃料系统处于良好的工作状态。
（2）及时清理水套水垢，防止冷却水温及润滑油温过高。
（3）按规定牌号使用燃油及润滑油。
（4）作好保修工作，如柴油发电机“三滤”的保养、润滑油的检查与更换、燃烧室积碳的清除以及活塞环的适时更换等。
（5）正确使用柴油发电机，防过冷、过热、大负荷长时间工作。
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图1 柴油机燃烧不完全构成稠性胶状液体残留物 |
图2 柴油机气缸积碳形成示意图 |
二、产生积碳具体原因
柴油发电机积碳多的原因是柴油品质差，含有杂质；柴油发电机内的润滑油使用时间过长，胶状物含量高；活塞环松旷、开口过大、气门导管与气门杆之间的间隙过大，导致机油窜入燃烧室内燃烧；点火正时过早或过迟，喷油泵供油量过大；柴油发电机长时间低温运转或气缸密封件磨损、损坏，使燃油燃烧不完全；喷油器压力过低，雾化不良，有滴油、漏油现象；柴油发电机长时间超负荷作业。产生积碳具体原因如下：
1、喷油器工作不正常
如雾化不良、喷油压力过高或过低及喷油时间过早或过迟、喷油过多等，均会使进入汽缸的燃料燃烧不充分，形成积碳。其原因主要是：
（1）喷油器雾化不良
喷入汽缸内的柴油要求均一、细微、均匀，否则就不能充分燃烧，排气管冒黑烟，缸内容易形成积碳。解决的办法为：检查、调整喷油器喷针开启压力，必要时更换喷油器偶件。
（2）喷油压力过高或过低
这都会使喷入缸内的柴油来不及充分燃烧或不能完全燃烧。解决的办法为检查、调整喷油器喷针开启压力，必要时更换喷油器偶件。
（3）喷油过多
一般是由于高压泵及操作装置调整不当或因故障所至。解决的办法是校正高压柴油泵，检查调整高压泵操作装置。
（4）供油错时
所谓供油错时，指的是供油时刻所对应的曲轴转角产生了变化，即供油过晚或过早。这都会使喷入缸内的柴油不能完全燃烧，容易形成积碳。使用中应定期检查调整供油提前角。
2、油质差或用错牌号
柴油与机油质量差或牌号不对，影响柴油在缸内的充分燃烧，容易形成碳渣。
燃油在贮存、运输过程中，容易发生氧化反应，生成胶状物质。这些胶状物质按柴油的溶解性可分为：可溶胶质和不可溶胶质。不可溶胶质又称为沉积物，它和燃油一起加入油箱后，就会粘附在燃油滤清器上，堵塞过滤介质，使供油量减少，输油量不足，燃油雾化不良，致使可燃混合气变稀，柴油发电机动力性和经济性下降。
可溶胶质进入燃烧室和柴油一起燃烧后，就会在活塞顶部、活塞环槽、燃烧室等部位形成许多坚硬的积碳，如图3所示。而且会造成气门关闭不严，柴油发电机性能下降，如加速不顺，怠速不稳，失速、抖动、爆震等一系统列故障。
3、长时间超负荷运行
柴油机长时间超负荷运转，温度过高，着火过早，使喷入缸内的柴油过多来不及燃烧，形成积碳。当柴油机的负荷超过额定功率后，工作十分吃力，声音也变得沉重，同时排气管冒黑烟，转速相应下降。负荷过重时，柴油机还会有一种被迫要熄火的趋势。
（1）如果是短时间超负荷，燃油泵可在调速器作用下，自然增加供油量，来使柴油机提高扭矩，克服外界过大的阻力，并继续维持运转状态。不过，由于此时进入缸内的柴油太多，而转速下降又导致空气供给量的锐减，因而柴油机工作粗暴，震动加剧。
（2）如果是长时间超负荷，柴油机粗暴的工作状况必然加剧机件的磨损，有时还会因曲轴连杆机构或配气机构的主要零件损坏而引起大事故的发生。缸内来不及充分燃烧的柴油，一部分则形成积碳，并造成柴油机功率降低、油耗上升的不良后果。
因此，当柴油机超负荷工作时，应尽快减轻负荷，以恢复其正常的运转状态。技术状况良好的柴油机，在额定功率下运转时，排烟应是无色或淡色的，此时机械声轻快柔和，耗油省，工效高，作业成本也最低。
4、窜机油严重
如果机油窜入燃烧室，也会增加缸内的积碳。因此，当活塞环磨损、活塞与缸套间隙过大、气门与气门导管间隙超过允许尺寸或机油压力过高时，都应予以更换、检修和调整。
（1）活塞环磨损
当活塞环开口间隙超过允许尺寸后，活塞在压缩时严重漏气，缸内压缩力明显下降，喷人的柴油就不能充分燃烧，因而形成积碳。此时应更换活塞环，恢复汽缸的正常压缩力。
（2）活塞与缸套磨损，长时间低温运转
此时，加速气缸套磨损有两个原因：一是由于低温而造成燃烧不良，积碳从汽缸套上部开始整延，使汽缸套上部产生严重磨料磨损；另一原因则是电化学腐蚀作用，活塞与缸套的配合间隙因磨损而超过允许尺寸后，即使更换活塞环也不能恢复缸内应有的压缩力。此时应更换缸套活塞组。
5、柴油发电机漏气严重
配气机构漏气严重会引起缸内空气不足，燃料燃烧不充分，造成配气机构表面形成积碳，如图4所示。
6、操作或维护保养不正确
（1）在活塞顶部倒机油
有些修理工在检修柴油机时，总要在活塞顶部倒些机油，然后再装缸盖，以为这样有利于缸套活塞的润滑，实际是适得其反，柴油机运转后只会增加缸内积碳。
（2）柴油发电机高负荷工作后，立即熄火。
这种做法致使缸内燃料燃烧不充分，积聚在汽缸内，当再次发动时，停留在缸内的燃料和喷入缸内的燃料混合，造成空气稀少（氧气少），形成积碳。
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图3 活塞表面积碳示例 |
图4 柴油机配气机构积碳示意图 |
三、积碳对柴油发电机的影响
柴油发电机的某些零件（如喷油嘴、节气门、排气门、燃烧室等部位，如图5所示）在使用一段时间后，零件表面粘着一层牢固的积炭。它具有密实、疏松、柔软等形态，颜色从黑至灰白，形成部位的温度约为200℃。积炭的产生是由于柴油及渗入气缸中的机油燃烧不完全，而形成的一种复杂混合物。由于炭的导热性较差，零件表面大量炭的聚积，将导致零件局部过热，使其刚度、强度下降，严重时还会造成喷油嘴烧结、气门烧蚀、活塞环卡死、拉缸等严重事故。同时，高温颗粒的炭聚积在燃烧室内还会引起表面点火、造成功率下降（据有关实验数据，功率下降2%~15%）以及燃烧室的容积减小，实际压缩比增大，形成早燃和爆燃等不良现象。此外，积炭的大量聚积，还会污染润滑系统，堵塞油路和滤清器，缩短柴油发电机的使用寿命，因此在修理时必须清除。积碳对柴油机影响如图6所示。
1、积碳对各机件的影响
对于柴油机，在喷油嘴处形成积碳极易堵塞喷孔，使燃油雾化不良，燃烧恶化。在气门头部形成积碳，减少了进气通道断面，影响柴油发电机的充气值。气缸盖部位有了积碳，会降低柴油发电机的冷却效果，使柴油发电机的动力性和经济性都大大降低。气门及其座图工作面上聚有积碳，会引起气门关闭不严而漏气，出现柴油发电机难启动、工作无力转速快慢不均以及气门易烧蚀等故障。气门导管和气门杆部积碳结胶，将加速气门杆与气门导管的磨损，甚至气门杆在气门导管内运动发涩而卡死。沉积在柴油发电机进气门、进气道当中的积碳会破坏进气管内的光滑度，阻碍气体的流动性能，降低气体的流动速度，形成进气阻力。充气量的降低会使进入燃烧室的空气大量减少，直接导致柴油发电机功率的下降。活塞环槽中的积炭会使活塞环失去弹性而卡死，一方面使活塞环密封性下降，引起烧机油现象进而加剧了积炭的生成；另一方面也使活塞环的散热作用减弱，使活塞可能会因高温而烧熔。排气门上的积炭可使气门关闭不严，出现漏气，柴油发电机功率下降，排气管放炮；高温颗粒积炭附着在排气门及气门座上，加剧气门漏气。气门漏气，又使高温燃气冲刷气门及气门座，进一步使气门及气门座烧蚀。
2、积碳对润滑系统的影响
由于柴油发电机机械振动和热应力，沉积的积碳会发生碎裂剥落现象，其中硬质颗粒将成为外来磨料，引起柴油发电机内部各摩擦副之间的摩擦磨损，缩短了活塞、活塞环、气缸套及曲轴轴承等部件的使用寿命。在柴油发电机工作过程中，润滑油不断被积碳粘污，使其加快变质。进入润滑油中的积碳会堵塞油路和油孔，破坏润滑系统的正常工作，严重时会发生烧瓦抱轴事故。
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图5 积碳易在柴油机上产生的部位 |
图6 积碳对柴油机的影响 |
四、积碳的清除方法
积碳的清除其实就是把日积月累附着沉积在气门、柴油发电机汽缸内的胶质与积碳清洗掉，使柴油发电机“返老还童”。主要有两种方法来清除——"免拆"和"解体"。使用燃油系统清洗保护剂来清洗柴油发电机相当简单。燃油添加清洗剂在柴油发电机工作时，被燃油泵随同燃油一起吸入供油管路内。随着燃油的流动，它不仅能清洗掉油箱内、油泵滤网上的胶质和喷油嘴上的胶质与积碳，还可以在柴油发电机正常工作时，自动清洗掉气门上和柴油发电机气缸内的积碳。由于从油箱、燃油泵滤网以及燃油管道内清洁下来的胶质会沉积在燃油滤清器内，所以“免拆”清洗后，必须及时更换燃油滤清器。由于清洗剂中的化学清洗成份对橡胶供油管路有一定腐蚀作用，使用该方法时，一定要注意使用周期与间隔时间，不然会加快燃油橡胶供油管路的老化和腐蚀。
对于积碳严重的柴油发电机，经“免拆清洗”后工作性能仍旧恶劣，而问题又是由气门和缸内积碳太多引起时，那就不得不采用“拆解”的方法来解决了。气门积碳的清洗较为简单，在拆下进气管后，用手工或采用清洁药物浸泡即可清除。至于缸内积碳的清洁，则必须“大动干戈”。由于柴油发电机拆卸重新装配后，其动力和密封性能会逊色于原装，所以一般情况下，清洁气缸内的积碳不宜进行。在万不得已时，也必须到正规的维修厂进行，否则性能将大打折扣。具体方法有以下几种：
1、机械刮除法
机械法是采用钢丝刷、刮刀、竹片或砂布打磨等清除积炭的方法，可按照零件清洗部位的形状做成专用刷子和刮刀。以清除气缸套上端积碳为例，如图7所示。具体步骤如下：
（1）首先用用刮刀或类似的钝边工具松动积碳。如图8所示，以用研磨尼龙垫（如 Scotch-Brite ™ 7448）和溶剂去除残留的积碳。积碳必须清除掉，但不必使表面看上去光洁如新。
（2）清除积碳的另一方法是使用安装在电钻上的优质钢丝轮刷。在活塞环行程区域不要使用钢丝轮，按圆周方向移动钢丝轮清除积碳。 不要使用劣质的钢丝轮刷，因为在操作中钢丝会掉落，造成附加的污染。
2、化学法
目前多被一些大的柴油发电机组保修厂点使用。化学法除碳是用退碳剂将零件上的积碳软化，软化后的积碳很容易除去。退碳剂与积碳接触后，积碳层表面形成吸附层，退碳分子与积碳分子极性基的相互作用会使退碳剂分子逐渐向积碳层内部扩散，并能在积碳网状分子的极性基间生成聚合，使网状分子之间极性力减弱，破坏网状聚合物的有序排列，使聚合物的排列逐渐变松。退碳剂通常有下列配方：
（1）配方一（适合于钢、Fe、Al件）:
退碳剂60%（成分为：醋醇乙脂7.5%，丙酮2.5%，乙醇20%，苯68%、石蜡2%）；氨水30%；乙醇10%。使用方法：室温下浸泡2~3h。
（2）配方二（适合于钢、Fe、Al件）:
煤油22%；氨水15%；汽油8%；苯酚30%；油酸8%；松节油17%。使用方法：常温下浸泡2h。
（3）配方三（适用于钢铁件）:
苛性钠（浓度为20%）79%；水玻璃5%、磷酸三钠（浓度为20%）15%；软肥皂1%。使用方法：加热至90-100℃，浸泡2~3h。
上述退碳剂都是在对柴油发电机进行解体之后才能使用。目前，对柴油发电机不解体即能除碳的退碳剂已经面世，这些退碳剂从供油系统进入，使柴油发电机在无负荷而连续加速的情况下运转一段时间，即可清除积碳。使用这些退碳剂除去积碳后，应及时更换柴油发电机润滑油。
3、喷射核屑法
喷核法是利用高速气流将粉碎后的核桃、桃、杏的核壳颗粒喷向零件表面以去除积炭的方法。此法除积炭的效率高、彻底干净，但需要专用设备形成高速气流，相对成本比较高，因此也不宜广泛采用。其步骤是将桃、李、杏、核桃等果仁干燥压碎，经筛选按大小分类作喷料，使用400～500kPa压缩空气，将其喷射到零件表面。由于喷射物比金属软，本身又易粉碎，故不会损伤零件表面，此法效率很高，清除一个缸盖上的积碳只需10min左右。
4、液体喷砂法
以液体和石英砂的混合物作为喷射物，用压缩空气将其送到喷嘴，向零件喷射。喷射软的有色金属零件时，砂含量为15%～18%；喷射硬的有色金属零件时，砂含量为18%-20%；喷射钢件时，砂含量为20%~30%；喷铸铁件时，砂含量为30‰～45%，喷嘴与积碳距离为80～100mm，喷角为37°~40°，混合物压力为180～500kPa，石英砂粒度不小于320目。
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图7 柴油机气缸套积碳示意图 |
图8 用研磨尼龙垫清除气缸套积 |
总结：
柴油发电机积碳的形成，严重影响柴油发电机的动力性、经济性和使用寿命。正确使用和维护柴油发电机，可抑制但不能避免积炭的生成。随着科学技术的发展，在柴油发电机本体材料使用上、辅助系统机件的性能上都将有很大的改善，必将研制出更好的预防和清除积碳的方法。
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