TAD1643GE型发动机异常抖动冒黑烟现象

TAD1643GE型发动机异常抖动冒黑烟现象

故障分析及排除

李伟     赵俊   练顺久  罗天波

中石化西南石油工程有限公司井下作业分公司   四川 德阳 618000

中石化西南石油工程有限公司井下作业分公司

摘  要：TAD1643GE发动机出现异常抖动冒黑烟现象，本文通过拆解发动机、分解连杆活塞，对做功冲程和排气冲程时曲柄连杆机构与活塞运动特征进行故障分析，表明该型号发电机长期运行后存在柴油燃烧不充分，导致做功冲程和排气冲程切换时出现爆燃，进而产生反向推力导致活塞和连杆出现扭曲变形，以及活塞底部出现断裂和侧面摩擦，进一步表现为发动机异常抖动冒黑烟现象。通过更换活塞、排气歧管与主增压器接口垫片以及更换大通量空气滤芯等方式将故障排除。

关键词：TAD1643GE发动机；异常抖动；爆燃；故障排除

1 引言

柴油发动机作为施工场地重要的电力供应设备，其安全、稳定运行对工程电力稳定供应起重大保障作用。异常抖动冒黑烟故障是柴油发动机较为常见的故障，可能造成的原因是气缸内空气不足、柴油过量或者机械故障或性能故障等，有研究认为环境温度和进气温度都会可能导致发动机供气量异常[1]，可见黑烟现象的且具体原因较为复杂，需要根据实际案例情况具体分析。

本案例的TAD1643GE型发动机冒黑烟和异常抖动现象同时出现。对于大型柴油发动机而言，造成以上现象的可能诱因包括固定螺栓或机组放置不平整、发电机风扇变形或轴承损坏、发动机与发电机对中不正确、发动机燃烧粗爆、超载或负载波动过大、发动机曲柄连杆机构出现问题、发动机减震器损坏等。其中，发动机供油量过大、喷油提前角过大或过小、喷油器雾化不良或滴油、进气不足、配气相位不正确、气门间隙过大、气缸压力低、柴油质量差、柴油机工作温度过高、供油时间不正确、超负荷工作等因素是产生黑烟的主要原因。但是，对于TAD1643GE型发动机而言，冒黑烟和异常振动现象同时出现的情况较少。目前，针对该类问题缺乏有效的应对经验，需要进一步深入研究。

2故障分析

2.1基本工况

该发电机组为VOLVO TAD1643GE，运行小时数为4400小时，运行海拔为3800-4500米、作业环境温度0-10度。

2.2故障描述

TAD1643GE型发动机出现异常抖动和冒黑烟后，采取了以下故障排除措施：

首先，采用VODIA软件检测发动机，读取发动机故障代码，发现发动机无故障事件记录，同时ECU程序信息完整。其次，启动发动机后，发现发动机初次启动时转速约1000转/分，爆燃声音特别强，并伴随浓灰白烟，运转约30-50秒后发动机转速升至额定转速1500转/分，爆燃声和灰白烟的异常均消除，发动机恢复正常运转状态，此时再次检查发动机空载运行参数，各项参数值均正常并无故障报警。同时，热机运行10分钟后进行带载试验，两台约35KW电焊机分两次加载，发现第一台焊机启动后发动机排烟立刻变为浓黑色，震动和爆燃声出现且非常严重，随后启动第二台焊机，第二台焊机刚启动发动机便熄火。以上措施，既是故障排除措施，也对故障进行了更深层次的描述，故障现象包括灰白烟、黑烟、爆燃、震动、不能带载（达不到额定功率）等。

经检测，机组运行时工况与正常工况相比如下表1：

表1 机组主要故障现象整理表

2.3故障分析

（1）“灰白烟”原因分析。灰白烟属于未完全燃烧的油气分子。灰白烟产生的原因包括以下四个方面：一是受到温度的影响，发动机温度过低导致气缸压力过低、发动机自然磨损造成气缸压力过低、部分柴油未燃烧变成油蒸汽随废气排出，便形成白烟。二是受水分子的影响，燃油中或燃烧室中有水分，水在气缸内被燃烧释放出的热量加热成水蒸气，从排气管排出形成白烟。三是受作用时间的影响，喷油时间过迟，油时气缸温度已下降，部分柴油未燃烧变成油蒸气而冒白烟。四是受喷油嘴雾化情况的影响，雾化不良导致柴油未完全燃烧，和正常工作气缸排出的高温废气在排气管内汇合，从而冒白烟。

（2）“黑烟”原因分析。黑烟是未完全燃烧的柴油在燃烧室中高温缺氧的情况下，分解聚合形成碳烟，碳烟比气化的燃油反应速度慢，由于碳烟来不及燃烧而呈黑色的烟雾排出。黑烟产生的原因包括供油量过大、喷油提前角过大或过小、喷油器雾化不良或滴油、进气不足、配气相位不正确，气门间隙过大、气缸压力低、柴油的质量太差、柴油机工作温度过高、供油时间不正确、超负荷工作等因素都会产生严重的黑烟。

（3）“异常抖动”原因分析。异常抖动产生的原因包括固定螺栓或机组放置不平整、发电机风扇变形或轴承损坏、发动机与发电机对中不正确、发动机燃烧粗爆、超载或负载波动过大、发动机曲柄连杆机构出现问题、发动机减震器损坏等。

（4）“不能带载”原因分析。达不到额定功率常称为不能带载或带载能力低。发动机功率降低产生的原因涉及燃油系统、进排气系统、外部负载等综合因素。

2.4拆解分析

通过发动机拆解的方式来进行进一步查验和分析故障原因。首先将机组运回车间进行大修拆解，并在拆解前再次核对了气门间隙、喷油预行程及正时，未发现异常。分解发动机汽缸盖检查气门、气门座圈、气门导管、摇臂未发现有断裂等情况。进一步检查发现，气门工作面存在较小磨损量，缸套磨损网纹清晰可见，但是未见有明显的拉缸现象。

需要特别指出，在拆解过程中发现发动机排气歧管与主增压器接口垫片损坏，进一步通过拆解活塞，发现以下异常损坏情况：

（1）每个活塞底部均有不同程度的断裂损坏情况，如图1所示。

图1  活塞底部断裂损坏实物图

（2）在活塞断裂对称方向也存在轻微的摩擦痕迹，如图2所示。

图2  活塞断裂对称方向摩擦痕迹

（3）分解连杆活塞，发现连杆小头端和活塞断裂同侧有碰撞痕迹，如图3所示。

图3 连杆小头端和活塞断裂同侧碰撞痕迹

同时，从维修记录中发现该发电机在此之前2-3个月因冷车无法启动时更换过全车喷油器，但缸盖、活塞连杆的内部部件从未进行过拆解。因此，可以排除因维修所造成的内部问题。

2.5故障推断

由于该机组运行海拔为3800-4500米、环境温度0-10度，结合对上述现象的初步分析及对发动机的拆解，认为可能的原因如下：

（1）在发动机刚启动时的低速并且排气成灰白烟现象，是受当地海拔高度和气温低的影响，使得在刚启动的时候缸内燃烧温度不够，但此时所需的氧气是相对充足的，雾化后的柴油与氧气充分融合但未完全燃烧而形成灰白烟。此时各缸未完全工作致使发动机转速出现缓慢上升的状态，待发动机温度有所上升该现象消除。

（2）发动机在上升至额定转速后用VODIA检测，并未发现参数上有明显的异常，发动机运行状态良好。此时发动机处于空载状态，所需油量和进气量小，复杂情况还未表现出来。

（3）提高发动机供油量、进气量后，发动机排气歧管与主增压器接口垫片损坏使增压器动力不足，造成压缩力不足、气缸内空气不足[2]。同时，由于高海拔的影响，空气稀薄、进气不足导致发动机带载能力降低，加之上述垫片损坏，使发动机处于的故障状态，造成大量柴油未燃烧排气成黑烟，带载能力降低，甚至出现加载熄火停机的情况。

（4）发动机在高速运转下，由于进气不足造成大量柴油未燃烧，当发动机处于做功冲程结束进入排气冲程时由于缸内温度仍然很高，导致在做功时未燃烧的柴油在此时爆燃。由于，虽然排气门已经打开，但不能完全释放爆燃所产生的压力，便对活塞形成了向下的推力，而此时曲柄连杆机构又正将活塞向上推，进而产生强烈碰撞使活塞和连杆出现扭曲变形，致使最后活塞底部出现断裂和侧面摩擦现象，进而大大增加了机组的震动。

3解决措施

通过上述分析，在具体维修中，采取以下解决措施：

（1）更换损坏的活塞。通过对曲轴、连杆进行测量，发现没有发生弯曲现象，因此仅对受损的活塞进行了更换。

（2）更换发动机排气歧管与主增压器接口垫片，保证增压器的压缩功率和气缸内空气供应充足。

（3）考虑到机组的工作环境，进一步更换了空气通量更大的空气滤芯，确保在高海拔地区机组空气供应的充足。

为了进一步消除可能存在的部件机械性能故障，以确保维修后机组长期稳定运行，采取了以下措施：

（1）对发动机的气门和气门套管油封进行了更换，以确保气门工作性能。

（2）将活塞的油环在车床上车一个15°的角，可以实现油环下部积碳通过该角部位置进行刮除后进入机油底壳，以防止积碳的堆积。

通过以上维修措施，机组完成维修后，试运行时机组恢复正常，异常震动和黑烟现象得到根本性改善。

4结论

通过对TAD1643GE型发动机黑烟、抖动现象故障的分析和排除，发现高原的低压环境导致发动机的进气不足，发动机排气歧管与主增压器接口垫片损坏进一步导致发动机的增压器动力不足、进气不足，进而导致发动机内大量柴油未燃烧，引起冒黑烟和异常抖动，甚至机组无法正常运转。本案例通过对故障的排除以及产生原因的分析，可以为柴油发动机的黑烟和严重震动等故障解决提供了参考性思路和经验，对机组的日常维护和保养提供了有价值参考。

参考文献

[1]谭小磊,路晓光.内燃机车柴油机冒黑烟现象原因分析[J].科技创新导报,2009(35):51-51.

[2]赵松潮,潘明存.工程机械柴油机冒黑烟故障分析与排除方法[J].产业与科技论,2012年第11卷第20期.