柴油機呼吸器出氣口冒白煙問題分析

湯必強 吳士軍 葉飛 張玉娟 張楠楠

摘要： 某公司某款柴油機，市場反饋呼吸器出氣口冒白煙嚴重，故障機返回后進行臺架故障復現(xiàn)，結(jié)果與市場表現(xiàn)一致。針對此故障現(xiàn)象，建立故障樹，結(jié)合相關試驗，對可能產(chǎn)生的故障原因逐一進行驗證排查，最終確定故障根源為活塞底部高溫產(chǎn)生小粒徑分布油霧。通過增加活塞冷卻噴嘴和改進機油泵，可有效解決市場柴油機呼吸器出氣口冒白煙問題。

Abstract： A certain diesel engine of our company，the market has reported serious white smoke from the outlet of the respirator，reproduce the failure of the test bench after the failed machine returns，the result is consistent with the market failure phenomenon. Build a fault tree for this symptom，combine related tests，verify and investigate the possible causes of failure one by one， and finally determine the the root cause of the fault is the small particle size distribution oil mist generated by the high temperature at the bottom of the piston. By increasing the piston cooling nozzle and improving the oil pump， the problem of white smoke from the outlet of the respirator in the market is effectively solved.

關鍵詞： 呼吸器;冒白煙;故障樹;試驗

Key words： respirator;white smoke;fault tree;test

中圖分類號：U664.121.1????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A??????????????????????????????? 文章編號：1674-957X（2021）21-0043-03

0? 引言

柴油機作為一種動力性和經(jīng)濟性并存的動力裝置，已經(jīng)被廣泛應用于工程機械、車機和農(nóng)機領域[1]。隨著科技的進步，柴油機已逐漸克服原有的笨重、噪音大、噴黑煙等缺點，不僅如此，現(xiàn)代柴油機經(jīng)過多年研究和新技術利用，在各方面都取得了重大突破[2]。柴油機由眾多復雜零部件組成，隨著使用時間的增加以及環(huán)境因素影響，不可避免會在使用過程中發(fā)生各種異常現(xiàn)象，從而轉(zhuǎn)變成故障。呼吸器作為柴油機重要零部件，作用是控制曲軸箱壓力在正常范圍內(nèi)，同時也可以分離出廢氣中的燃油和機油顆粒[3]，呼吸器出氣口冒白煙正是從呼吸器上表現(xiàn)出的典型故障之一。

1? 故障現(xiàn)象

某公司某機型柴油機在市場反饋呼吸器出氣口冒白煙嚴重，市場調(diào)研后證明情況屬實，與反饋現(xiàn)象基本一致，將故障機返回后在試驗室進行故障復現(xiàn)：發(fā)動機在熱機過程中，水溫78℃，油溫100℃，1000r/min滿油門時出現(xiàn)明顯呼吸器口冒白煙現(xiàn)象，已不屬于用戶接受范圍，逐漸提升到標定點，冒白氣持續(xù)存在且更明顯，回到怠速點出現(xiàn)輕微冒白煙情況，穩(wěn)定5分鐘左右現(xiàn)象消失。

2? 故障原因分析

2.1 綜述

柴油機正常工作期間，從呼吸器口排出的煙色應為無色或者淡灰色[4]，出現(xiàn)大量白煙現(xiàn)象已明顯屬于故障范圍。柴油機作為一種復雜的動力裝置，會引起呼吸器出氣口冒白煙的因素有很多，為了順利進行故障起因分析，找出最終原因并制定方案解決問題，采取如圖1所示故障樹模式進行逐一排查[5]。

2.2 原因分析

2.2.1 出氣含水量高分析

針對市場故障的某機型柴油機呼吸器出氣口冒白煙問題，在試驗室進行呼吸系統(tǒng)油氣分離試驗[6]，采用絕對濾芯收集出氣顆粒，試驗持續(xù)2h，完成后在100℃烘干機下烘干1h，得到具體數(shù)據(jù)如表1和圖2。

從試驗數(shù)據(jù)看：含水比例在1%～2.1%，占比小，可排除出氣含水量高這一因素對故障現(xiàn)象的影響。

2.2.2 出氣含燃油量高分析

選取油氣分離試驗后表1中序號1、3和4號絕對濾芯，繼續(xù)烘干24h，得到結(jié)果如表2和圖3。

絕對濾芯烘干24h后不會再留有燃油成分[7]，現(xiàn)試驗發(fā)現(xiàn)殘余比例在96.7%～97.7%，可得出：呼吸器口排出氣體中的燃油成分占比很小，氣體中基本為機油成分。

進一步排查故障機噴油器角度與噴油泵供油提前角[8]，發(fā)現(xiàn)與設計值無差異，均無異常，結(jié)合油氣分離試驗烘干結(jié)果，可排除出氣燃油量高這一因素對故障現(xiàn)象的影響。

2.2.3 出氣含機油量高分析

2.2.3.1 漏氣量分析

為進一步驗證柴油機漏氣量對呼吸器口冒白煙的影響[9]，在試驗室進行相同負荷下不同漏氣量與不同負荷相同漏氣量對比試驗，試驗結(jié)果如表3。

從試驗結(jié)果可以看出：①相同負荷不同漏氣量下，均有冒白煙現(xiàn)象，可排除漏氣量大這一因素對故障現(xiàn)象的影響;②相同漏氣量下，冒白煙與負荷相關，負荷越低，呼吸器出氣口冒白煙現(xiàn)象越不明顯，低負荷下無冒白煙現(xiàn)象。

2.2.3.2 呼吸器分離效率分析

為驗證呼吸器出氣口冒白煙現(xiàn)象是否為呼吸器分離效率低導致，采用上述試驗中呼吸器口冒白煙嚴重的標定點，同時將原迷宮式呼吸器更換為國六用纖維濾芯，從規(guī)格查出：迷宮式呼吸器可分離5μm～10μm顆粒，纖維濾芯可分離0.5μm～1μm顆粒[10]。試驗結(jié)果如表4。

由試驗結(jié)果可以得出：纖維濾芯可有效抑制呼吸器口冒白煙現(xiàn)象，出氣口白煙顆粒在0.5μm～1μm范圍內(nèi)。

2.2.3.3 機油溫度高分析

為驗證是否為機油溫度過高引起的呼吸器口冒白煙，首先探究機油在何溫度下開始冒煙。利用試驗室中的溫度箱進行滴機油試驗，如圖4所示，持續(xù)加溫，試驗測得當機油溫度超過180℃時，開始出現(xiàn)機油冒白煙現(xiàn)象。

查詢此機型前期試驗過程中機油溫度和機油壓力穩(wěn)定，試驗后拆檢查看摩擦副均無異常磨損，但都存在呼吸器口冒白煙現(xiàn)象，故可排除零部件摩擦副干磨導致機油溫度高。

根據(jù)缸蓋的設計結(jié)構，發(fā)現(xiàn)推桿孔靠近排氣道，排氣溫度高，機油從推桿孔回油時可能導致機油冒白煙，故對前期試驗缸蓋進行解剖，發(fā)現(xiàn)靠排氣道推桿孔距離頂面80mm處有高溫變色和粘連現(xiàn)象，如圖5所示，根據(jù)解剖結(jié)果，在結(jié)焦處進行推桿孔測溫試驗，結(jié)果如表5。

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)3缸靠排氣道推桿孔溫度超180℃，已達到機油冒煙點，針對此結(jié)果，在推桿孔中增加襯套結(jié)構減少傳熱，試驗結(jié)果如表6。

由兩輪試驗結(jié)果可知，增加襯套可以明顯減小推桿孔溫度，但依舊存在冒白煙現(xiàn)象，說明此處高溫會造成機油冒白煙，但不是造成故障現(xiàn)象的主要原因。查詢此機型柴油機無活塞冷卻噴嘴結(jié)構，前期試驗拆檢后活塞底部均存在嚴重高溫變色現(xiàn)象，為探究活塞底部高溫是否會造成機油冒白煙，進行模擬活塞冷卻噴嘴降低活塞溫度試驗。通過加機油提升油底殼液位，加至曲拐沒入10mm，利用曲拐甩油來冷卻活塞底部，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)同樣工況下，冒白煙現(xiàn)象基本消失，由此判斷，該機型柴油機呼吸器出氣口冒白煙故障現(xiàn)象主要為活塞底部高溫引起。

3? 改進與驗證

為解決該問題，在此機型基礎上改進機油泵，加大流量，并且增加活塞冷卻噴嘴，臺架試驗驗證后，得出結(jié)果如表7，改進前后臺架驗證結(jié)果如圖6和圖7所示。

從試驗數(shù)據(jù)以及臺架驗證結(jié)果得出：在同工況下，加活塞冷卻噴嘴，改進機油泵后對呼吸器口冒白煙現(xiàn)象改善明顯;市場環(huán)境溫度下，冒白煙現(xiàn)象消失，增加冷卻噴嘴，改進機油泵可解決此市場故障現(xiàn)象。

4? 結(jié)論

通過故障樹模式結(jié)合試驗數(shù)據(jù)分析可以得出造成柴油機呼吸器出氣口冒白煙現(xiàn)象主要原因如下：①活塞底部溫度高，產(chǎn)生小粒徑分布油霧;②呼吸器分離效率低，無法過濾小粒徑的油霧?？紤]到成本及解決故障根源問題，增加活塞冷卻噴嘴，改進機油泵加大流量方案可更好的解決市場呼吸器口冒白煙問題。

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