大型礦山電動輪發動機異常排煙機制及故障控制研究

張偉旗

(江西銅業集團銅材有限公司，江西貴溪 335424)

大型礦山電動輪發動機異常排煙機制及故障控制研究

張偉旗

(江西銅業集團銅材有限公司，江西貴溪 335424)

大型礦山電動輪汽車柴油發動機異常排煙故障，一直是國內外關注和重點研究的技術領域。研究異常排煙形成機制及故障控制關鍵技術，可及時采取措施，避免故障擴大及不必要的損失，提高車輛可開動率，減少異常排煙，延長壽命，降低能耗。

大型礦山電動輪；柴油發動機；異常排煙故障

0 引言

柴油發動機功率大、動力性強、經濟性好、壽命長、節能環保，與汽油發動機相比熱效率高30%，它是大型露天礦山電動輪汽車的“心臟”，也是動力之源。其維修難度大、專業技術含量高、造價昂貴，故其正常運行、維修和調整，對礦山安全生產、有序正常進行及經濟效益至關重要。目前江銅德興銅礦銅廠和富家塢采礦區在線使用的830E、730E、630E、EH3500、R-190Ⅲ、R-170型電動輪汽車共63臺，且分別配置SDA16V160、SSA16V159(K2000E)、16V-149TIB、K2000E、MTU12V-4000、16V-149TI型康明斯、小松、底特律柴油發動機，對專業檢修技能要求較高。

該礦電動輪柴油發動機工況十分惡劣，以排煙異常故障最為常見。在車輛的二級維護檢測項目中，也往往根據發動機排氣管的排煙檢測來判斷發動機的工況。因操作調整和維護保養不當，發動機零部件潤滑狀況不良、積炭、過度磨損、松脫、斷裂等，易引起發動機運轉時工作狀態異常，如水、氣、油等泄漏，導致排黑煙、白煙、藍煙、灰煙、不排煙及噴火等故障，使機件磨損加劇，故障率和維修成本高，燃料消耗量驟升，勢必嚴重影響發動機的燃油經濟性和可靠性，污染環境，形成公害，嚴重阻礙和制約生產的順利進行，成為該礦生產技術的“瓶頸”[1]。

1 異常排煙故障機制及分析

影響柴油機燃燒過程的因素很多且錯綜復雜，如噴油提前角、噴油壓力、噴油規律、轉速、負荷、冷卻強度、壓縮比、空氣渦流、配氣相位、噴火及柴油性質等。根據氣缸中溫度、壓力變化的特點，其燃燒過程可分為滯燃期、速燃期、緩燃期及后燃期。發動機排煙是指燃燒室內燃料燃燒后向外排放的廢氣，能直接反映整個燃燒室內的工況。燃料燃燒主要是指燃料中的碳、氫等元素與空氣中的氧之間產生劇烈氧化反應，分別形成CO2、H2O。燃燒不正常時，通常以排煙異常形式表現出來，怠速或高速、重載時更嚴重，它們是判斷柴油機故障的條件之一。技術狀況良好的柴油機排煙呈無色或淡灰色，短期大負荷僅呈深灰色。無色并非純凈無色，而是伴有很淺的淡灰色，憑借肉眼幾乎看不到。由于多種原因或故障，可能出現排煙異常，且伴有起動困難、功率下降、溫度過高、運轉不穩、敲缸及機體抖動等特征，偶爾出現進氣管“嗆氣”、排氣管“放炮”等現象。異常排煙表明發動機工作不正常，即可判斷為發動機發生故障。

對排黑煙故障，從燃燒過程分析，噴入柴油過多或進氣量不足，造成柴油與空氣的混合比例失調，燃料混合氣過濃，燃燒速率下降，導致可燃混合氣形成不良或燃燒不完全即缺氧狀態，且以多孔性碳粒、CO為主，機件易早期損壞，油耗大，污染環境嚴重。柴油是多組分復雜的碳氫化合物，發動機在高溫、高壓、局部缺氧的條件下燃燒，裂解過程釋出、聚合而成不完全燃燒產物，形成游離碳懸浮于燃氣中，混入廢氣排出形成黑煙。因柴油機屬非均質燃燒，燃燒室內各區域的化學反應條件不一致，會隨著時間的推移而變化，故黑煙生成條件迥異，其形成過程可分為核階段、單粒階段、單粒的燃燒消失或積聚成更大的絮團3個階段。若燃油噴射至燃燒室側壁，形成液態油膜，其燃燒取決于蒸發速度、燃料蒸氣與氧的混合速度，若混合速度不夠或周圍氣體中氧濃度太低時，從油膜蒸發的燃料氣體被分解，會產生未燃烴、不完全氧化產物及黑煙。

對排白煙故障，從燃燒過程分析，水進入氣缸內受熱汽化形成水蒸汽，隨廢氣一同排出，或燃燒不良，噴入氣缸的部分柴油未完全燃燒，形成油氣排出。排煙顏色呈水蒸汽的白色，它與無色不同，說明排煙中含未燃燒的燃油或混有水分，且以H2O為主。白煙呈液珠狀態，直徑稍大于藍煙，在光的折射下呈白色，它是未燃烴(含燃油、潤滑油)、不完全燃燒的中間產物及水蒸汽，除水蒸汽外，皆屬于微粒范疇。發動機剛起動或冷機狀態，燃油燃燒不良，部分燃油蒸發為燃油蒸氣，形成白煙，以寒冬臘月時最明顯。冬季寒冷，發動機排氣遇冷空氣也會形成白煙，不可誤認為發動機排白煙。

對排藍煙故障，從燃燒過程分析，過量機油混入燃燒室參與燃燒，機油耗量大，燃燒室里積炭增多，使氣缸、活塞及活塞環磨損加劇。對新的或大修后的發動機，一般磨合時間需30～40 h，方能達到良好技術狀況，若未經良好磨合而直接帶正常負荷工作，易導致發動機排藍煙，此時機油過量竄入燃燒室受熱蒸發為油氣，且以FC為主。

對排灰煙故障，從燃燒過程分析，主要是發動機進氣管路出現問題，如空氣濾清器等故障。對不排煙故障，從燃燒過程分析，主要是燃料系故障不供油即噴油泵不噴油，氣缸內無柴油，根本無法完成燃燒。對排氣管噴火或噴火星故障，從燃燒過程分析，主要是配氣相位不準，噴油過遲或噴油器嚴重滴油，后燃嚴重，造成燃燒不完全。

2 異常排煙故障診斷及控制研究

異常排煙是發動機內部故障的綜合反映，它表明發動機燃燒性能已發生改變，有時可預告其事故性損傷，在某種程度上也反映了其使用、維修及保養狀況，是簡單而行之有效的故障診斷方法和依據之一?？稍诎l動機暖機時進行排查，且根據發動機在低、中、高速及加速過程中煙色的連續變化，通過察“煙”觀“色”即可找到故障病根。

2.1 排黑煙

排黑煙也稱“碳煙”。主要表現為排黑煙的同時，伴有柴油機動力性、經濟性下降，如發動機功率降低，排氣、冷卻水溫度升高，機體和氣缸蓋發熱，柴油消耗量增加，易形成積炭，縮短發動機使用壽命等。

2.1.1 負荷過大

車輛加速、爬坡或發動機超負荷運轉時，噴入燃燒室的燃料陡增，過量的柴油與空氣混合不均，燃燒時不可避免地出現局部空氣不足，柴油在高溫、高壓缺氧的狀況下分解、聚合或形成黑碳煙霧，隨廢氣一同排出。發動機負荷過大時，應減輕負荷，盡量避免發動機長時間超負荷工作。

2.1.2 噴油器霧化不良或滴油

柴油機低速時，該故障最明顯。其故障主因是噴油器壓力調整過低；噴油器調壓彈簧折斷或發卡；噴油器針閥與閥座積炭，針閥卡滯或磨損過甚；噴油泵出油閥減壓環帶過度磨損，致使噴油器滴油。轉速越低，排煙越大，可采用單缸斷油法逐缸進行排查，若對某缸暫時停止供油時，排黑煙現象減輕或消失，在噴油泵正常工作的情況下，可判斷該缸噴油器故障，需酌情清洗、研磨噴油器偶件，必要時需調整或更換。

2.1.3 噴油泵供油過量

燃料供給過大，燃料燃燒不完全，持續不斷排黑煙，且隨著油門加大而變得越來越嚴重，可采用單缸斷油法逐缸進行排查。若對某缸暫時停止供油時，在噴油器正常工作的情況下，可斷定該缸供油過量。其主因通常是噴油泵校正有誤差，或泵油量調節螺釘等松動；煙霧限制器脫落，起動時排黑煙特別嚴重等。噴油泵供油太多時，應調整噴油壓力，適當調小該缸的供油量，必要時卸下噴油泵，上試驗臺重新進行調試。

2.1.4 供油提前角過小

供油提前角過小，使供油過遲時，后燃增加，燃料不能完全燃燒，形成碳煙隨廢氣排出。需嚴格按規定調校供油提前角。

2.1.5 空氣濾清器堵塞

空氣濾清器濾芯積塵過多堵塞，造成氣缸內的新鮮空氣不足，即使噴入氣缸內等量的柴油，也沒有充足的空氣與之混合，柴油無法充分燃燒，導致發動機排黑煙。若斷開空氣濾清器，發動機排黑煙消失或明顯減輕，可斷定空氣濾清器濾芯堵塞，應保養進氣系統，更換濾芯后重裝時，必須確?？諝鉃V清器與連接管道密封到位。

2.1.6 柴油品質較差

發動機對柴油品質有較嚴格的要求，若柴油品質不能保證時，如使用劣質柴油或柴油中含有雜質，易使噴孔堵塞、噴油頭損壞或卡死，造成霧化性能差，甚至不霧化，導致燃燒不完全[2]，易形成碳煙排出，煙色越濃，表明燃燒越不完全，此時往往伴隨有柴油泵柱塞的損壞和動力不足。若運行一段時間后該故障自然消失，說明雜質被高壓油沖掉，一般不作處理，但應使用符合發動機在該地區環境溫度下正常工作的標準柴油。

2.2 排白煙

該故障主要表現為發動機不易啟動、啟動時排氣管排白煙。其故障主因是發動機溫度過低。若柴油機溫度、排氣管溫度皆正常時，排氣管仍然排白煙，表明柴油機工作不正常，即可判斷有故障。判斷白煙是油霧或水蒸汽，可利用手掌來測試，通過“一觀二搓三聞”法進行診斷，若觀察呈珠狀即水蒸汽；指搓捻附著物，滑者為油霧，澀者為水蒸汽；附著物柴油味濃者為油霧，味淡或無味者則為水蒸汽；若是水蒸汽，則需進一步診斷是冷卻系統還是供油系統故障。

2.2.1 氣缸套裂紋或氣缸墊損壞

隨著冷卻液溫度、壓力的不斷升高，冷卻液會進入氣缸內，排氣時易形成水蒸汽或水霧，導致發動機排白煙。其主因是噴油器霧化不良，使噴油壓力過低，產生滴油現象，造成氣缸中的燃油混合氣體不均勻、燃燒不充分，未充分燃燒的燃油量大，從而產生大量的水蒸汽或水霧。

2.2.2 供油提前角過小

供油提前角過小時，易導致柴油機發動機動力不足，排灰白色煙霧；若伴隨有發動機溫度過高、提速減緩的狀況，則表明噴油時間過遲。若突發該狀況時，大多是因噴油泵軸相對噴油泵齒輪轉動，引起供油提前角過小所致。應檢查供油提前角，嚴格按照技術要求進行噴油正時的調校。

2.2.3 噴油時間過遲或過早

柴油機高速運轉時，若出現加速不靈敏、溫度過高、工作不均勻且無力，此時排氣管排灰白色煙霧，表明噴油時間過遲，失去了充分燃燒的時間，氣缸內溫度太低，未燃燒的部分柴油易形成白色油霧從排氣管排出?？膳挪楹驼{整連接盤緊固螺釘、鍵及鍵槽等狀況，緩慢地提前噴油時間，以消除白煙，使柴油機恢復正常運轉；若調整后無明顯好轉，則應檢查噴油泵各缸柱塞的定時調整螺釘有無松動。活塞上行至氣缸頂前時，因噴入氣缸燃油量太少，形成的可燃混合氣體較稀，噴油過遲使預混燃油量太少，預混合氣量減少，燃燒速度降低，燃燒結束滯后，導致燃燒產生的水汽煙霧大[3]。噴油時間過早，壓燃溫度較低，燃油噴入后，充分燃燒條件被破壞，燃油不能完全蒸發燃燒，未充分氧化的燃油會變成油霧排出。

2.2.4 氣缸運行狀況不佳

柴油機剛起動時，個別氣缸工況不好或拒絕工作，未燃燒的燃油混合氣隨其他工作氣缸的廢氣一并排出，形成水汽煙霧。若發動機剛起動時排白煙，溫度升高后卻變為排黑煙，則表明氣缸壓力不足，雖能滿足柴油機起動的要求，但畢竟溫度過低，部分柴油未經燃燒即揮發成蒸汽排出。必須排查氣缸是否磨損過大；噴油器座孔的密封墊或氣缸墊是否漏氣；氣門關閉是否嚴密；配氣相位狀況；活塞環是否卡滯或其開口是否重合等，再采取針對性的措施。

2.2.5 噴油器滴油或霧化不良

因噴油器或噴油泵自身故障，引起噴油器滴油、霧化不良，部分燃油未經燃燒排出氣缸，尤以噴油器噴油結束滴油，排白煙現象最嚴重，且白煙是非連續、一股一股的。若針閥咬死、噴油壓力不足，引起噴油器滴油、霧化不良，產生大量、連續的白煙，且伴有功率下降明顯，排氣、冷卻水溫度降低，需修理噴油器?？得魉筀系列發動機排白煙且工作溫度升高，當冷卻液溫度達70 ℃時，若白煙變為黑煙，表明噴油器滴油或霧化不良，可利用逐缸斷油法排查，再校驗故障噴油器；若噴油時滴油，需排查噴油壓力是否過低、針閥體是否變形或磨損過度。

2.2.6 燃油中混入水、空氣

柴油中含水量大，易被蒸發成水蒸汽排出；氣缸襯墊沖壞或氣缸蓋螺栓不全或氣缸體、氣缸蓋冷卻水套破損時，水便進入氣缸；混入燃油的空氣和水，隨著燃油噴射進氣缸內，使燃油混合氣不均勻，燃燒不完全，產生大量的未然烴排出機外；氣缸套、活塞等磨損過大，使壓縮力不足，燃燒不完全。

可利用單缸斷油法判斷漏水氣缸。若影響柴油機轉速，說明該氣缸工況良好，否則表明該氣缸不工作，需卸下噴油器，排查噴孔上是否有水跡，分析是氣缸墊被沖壞或氣缸破裂；若各缸未發生異常狀況，仍出現工作無力且排白煙，則可打開燃油箱和燃油濾清器的螺塞，檢查柴油中是否帶水。

2.2.7 環境溫度太低

冬季冷車啟動后，呈乳白色的油煙從排氣管排出，較為普遍。因環境氣溫太低，柴油發動機燃燒室溫度過低，燃油噴入氣缸后，部分柴油不完全燃燒，變成油氣隨廢氣排出，導致發動機大量排白煙。發動機啟動后，空車低速或低速、低負荷運轉一段時間，隨著發動機溫度的升高，再增大負荷，乳白煙會逐漸消失，轉變為正常顏色。

2.3 排藍煙

排藍煙也稱“燒機油”。其故障主因是發動機潤滑油混入燃燒室。其主要表現為發動機在運轉過程中，排氣管大量排藍煙，且伴有發動機潤滑油耗量過多。需解體發動機排查，冷機狀態發動機排煙呈藍色，但機油消耗正常，與燃料有關，則視為正常。

2.3.1 活塞、活塞環與缸套配合不良

因缸套、活塞、活塞環嚴重磨損或裝配不良，使活塞與氣缸配合間隙過大時，機油易飛濺至氣缸壁上，易上竄至燃燒室，導致發動機排藍煙。一旦發動機活塞與氣缸的配合間隙過大，甚至超過規定值時，應更換缸套或鏜缸匹配更換大的活塞和活塞環，直至配合間隙符合規定要求。

對修理中更換的活塞環、氣缸套或新裝配柴油發動機，若磨合不良，接觸面不平整，表面殘存的加工刀痕會削弱油環刮油能力，機油易竄入燃燒室，導致發動機排藍煙。應卸去或降低發動機負荷，低速運行，只要磨合運轉一段時間后，藍煙會自行消失。

活塞環磨損失圓、彈力不足和切口間隙過大時，氣缸密封性降低，環槽與活塞環端面間隙隨之變大，活塞環泵油能力變強，大量機油通過活塞環切口、端面間隙竄入燃燒室，或活塞環磨損過大、機油耗量增大，且伴有功率下降、啟動困難、燃燒不良等，導致發動機排藍煙，需更換切口和端面的間隙超過規定值或彈力消失的活塞環；怠速時排藍煙主要表現為熱車急加速，故障主因是：活塞環工況差，上機油；活塞銷堵片松動，竄機油；掃氣泵油封漏油；830E、730E柴油發動機泵噴嘴定時線路斷開等。冷車急加速時排藍煙故障主因是：泵噴嘴滴油；活塞環狀況差，上機油；活塞銷堵片松動竄機油等。

2.3.2 曲軸箱內機油過多

曲軸箱內機油過多時，曲軸高速旋轉易將大量機油飛濺至氣缸壁上，當超過油環的刮油能力時，機油易竄入燃燒室，導致發動機排藍煙?？刹捎脵C油尺檢查曲軸箱內機油面高度，為保證檢查結果的準確性，需待柴油發動機停車半小時后方可進行，以使各潤滑部位的機油流回曲軸箱，應放出多余機油，使油面放至標準位置。凡大修過的車輛或新車，通常不會因活塞與氣缸的間隙過大而引起潤滑油上竄，但活塞環內外切口(或切角)裝反會引起潤滑油上竄。

2.3.3 氣門桿導管間隙過大或注油過多

氣門導管磨損過大，使氣門桿與導管配合間隙過大，或向氣門導管注油過多時，機油易竄入燃燒室參與燃燒，導致發動機排藍煙。應及時更換氣門導管，且按說明書要求按時按量向氣門導管人工加注機油。

2.3.4 油環磨損嚴重或積炭過多

油環磨損嚴重、開口間隙過大或油環裝反時，需更換活塞和缸套；積炭過多時，油環易在環槽內膠結，失去刮油功能，氣缸壁的機油便竄至燃燒室，導致發動機排藍煙，機件磨損加劇。應及時清除油環、環槽上的積炭或更換油環，重新安裝活塞環。

2.3.5 渦輪增壓器漏油

該故障較少見。渦輪增壓發動機燒機油排藍煙，但動力未下降，進氣軟管或壓縮空氣出口處有機油油污，其故障主因是渦輪增壓器漏油。如發動機進氣系統進灰或缸蓋氣門頭斷裂時，引起渦輪增壓器葉輪損壞或斷裂，引起轉子動平衡被破壞或溫度高，浮動油封損壞，機油進入進、排氣系統，燃燒不完全的機油混入排氣管中進行二次燃燒而排藍煙。若使用不當、保養不及時，引起轉子軸油封損壞而滲漏機油，混入新鮮空氣中或從渦輪端隨廢氣排出時被高溫廢氣汽化而排藍煙。應更換油封，清除渦輪積炭，檢查轉子軸軸承間隙，避免損壞新油封。

2.4 排灰煙

發動機排煙呈淡灰色，說明柴油機工作正常。排煙顏色逐漸加深，呈灰色抑或是黑色，則表明工作不正常。其故障主因除上述排黑煙的因素外，還有空氣供給不暢即進氣不良。卸下進氣空氣濾清器后，若排煙由深變淺或變成無色，則表明空氣濾清器堵塞嚴重，必須排查進氣管路故障原因[4]。

2.5 不排煙

該故障較明顯。其主因是燃料系統故障不供油，如柴油濾清器堵塞，使高壓油路不供油；油箱油量不足，或油箱蓋通氣閥失靈，油泵難以正常吸油；輸油泵損壞如彈簧折斷，無法泵油；噴油泵故障；油管內混入空氣，不能保證柴油正常供給等。應先松開噴油泵放氣螺釘，用手油泵泵油，觀察放氣螺釘處是否流油，流油或排氣泡說明低壓油路故障；流油正常則表明高壓油路故障。

2.6 噴火或噴火星

該故障較明顯。其故障主因是配氣相位不準如排氣門開啟提前角過大等時，部分燃燒在排氣管中進行，且伴有“噴火”、“放炮”現象；噴油過遲或噴油器嚴重滴油，造成后燃嚴重；排氣門彈簧彈力變弱或斷裂，排氣門卡滯或間隙過小、排氣密封不嚴等，導致排氣提前或使部分燃燒在排氣管中進行，必須立即進行排查、調整或更換。

而實際操作中，要準確地描述柴油發動機排氣煙色則應綜合考量，除煙色變化的連續性外，還應知曉報煙色的人是否色弱色盲及外部環境對察“煙”觀“色”的影響。因而有時向別人咨詢異常排煙故障時，不妨直問是有負荷煙或無負荷煙、熱車煙或冷車煙、濃煙或淡煙及設備所處的環境。

3 結束語

發動機排煙顏色的變化與其故障有著千絲萬縷的聯系，直接影響其工作效率、故障率及成本能耗水平，是判斷發動機故障的重要標志之一。對使用中后期車輛，異常排煙故障原因更錯綜復雜，需據現場實際診斷分析，針對大型礦山電動輪發動機異常排煙機制及故障控制進行深入的研究，可準確、快速地判斷故障，保證發動機正常工作。

【1】張偉旗.礦用汽車發動機故障診斷與維修關鍵技術研究[J].重型汽車，2015(3)：42-44.

【2】周寧.車用柴油機排煙異常的原因分析[J].南寧職業技術學院學報，2006，11(2)：98-101.

【3】魏東升.淺談柴油發動機冒白煙故障診斷[J].中國科技博覽，2011(37):419.

【4】丁群.通過排煙分析柴油發動機的故障[J].機電產品開發與創新，2010，23(2)：80-81.

Exhaust Smoke Abnormal Mechanism and Fault Control Researchfor Large Mine Electric Wheel Engine

ZHANG Weiqi

(Copper Co.，Ltd.,Jiangxi Copper Corporation，Guixi Jiangxi 335424，China)

The abnormal exhaust smoke failure of diesel engine of large mining electric wheel cars，is a technical field of attention and focus research at home and abroad. The forming mechanism of abnormal exhaust smoke and fault control key technologies were studied. Measures could be taken timely, to avoids failure expansion and unnecessary loss. So the vehicle actuate rate is high，abnormal discharge smoke is less，the service life is long，and energy consumption is low.

Large mine electric wheel cars；Diesel engine；Abnormal discharge smoke failure

2015-11-24

張偉旗(1965—)，男，工學學士，高級工程師，中國機械工程學會高級會員，主要研究方向為礦山機械、銅加工、有色冶金、機電設備工程。E-mail:Zhangwq678@126.com。