柴油机积碳形成原因分析与预防措施
时间：2022-02-25 07:20:47
摘 要：文章简要介绍了柴油机积碳的形成机理，从柴油和机油油品，柴油机窜机油、柴油渗漏、漏气、气门间隙过小、空气滤器脏污等检修保养不及时，柴油机长时间超负荷、怠速、过热等运转，以及柴油机满负荷停机、停机前猛给油、预热等操作不当几个方面对积碳形成进行分析，说明了积碳对柴油机的危害，通过空气滤清器的改造、制定减少积碳的预防措施，抑制柴油机积碳的形成取得了良好的效果。
中图分类号：TK424.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）35-0073-03
大型养路机械QS-650清筛机、DC-32捣固车、DCL-32捣固车、CDC-16道岔捣固车、WD-320动力稳定车和SPZ-200配砟车等均采用德国道依茨风冷柴油机为动力源。在2012年度大型养路机械年修中，发现柴油机排气管积碳较严重、气门导管与气门杆之间积碳较多。为提高柴油机动力性能，减少积碳危害，延长柴油机使用寿命，通过对大型养路机械车用柴油机使用燃油、油、维护保养、操作及运转工况等方面形成积碳的原因进行分析，并制定减少积碳生成的预防措施。
1 积碳形成机理
柴油机运转一段时间后，汽缸盖、缸套、活塞、活塞环、气门、喷油器等零件以及燃烧室表面会黏着一层积碳，它是柴油机运转中燃料和油高温氧化作用的产物。在柴油机运转中，燃烧室内因氧气供应不足，柴油和窜入的油不能完全燃烧而产生油烟和焦油微粒，它们同油混合在一起氧化成胶状液体――羟基酸，羟基酸进一步氧化成树脂状胶质物牢固地附着在机器零件上，在高温不断作用下，胶质物聚合成硬质胶结物，即积碳。积碳主要成分有油、羟基酸、沥青质、油胶质、硫酸盐、硅化物等。柴油机温度越高，形成的积碳越硬越紧密，与金属粘结越牢固。
2 积碳形成原因分析
柴油机积碳产生原因比较复杂，与柴油机结构、燃油和油的种类、所处工作条件、工况等密切相关，以下从柴油机柴油和油油品、操作、保养等方面进行分析。
2.1 柴油油品差
柴油油品越差，在贮存、运输过程中越容易发生氧化反应生成胶状物质，这些胶状物质中既有溶于柴油的胶质，也有不溶于柴油的胶质。由于大型养路机械停留车站距油库较远，加油时需通过油罐汽车运输到施工现场随到随加，使不溶于柴油的胶质来不及沉淀便随柴油加入油箱，在柴油机运转中，不溶于柴油的部分胶质堵塞柴油滤清器的过滤介质和喷油器，引起供油不足、燃油雾化不良、可燃混合气体变稀等，导致柴油机动力性能和经济性下降;部分不溶于柴油的微小颗粒胶质和溶于柴油的胶质随柴油进入燃烧室燃烧后因燃烧不完全，在进气门、活塞顶部、活塞环槽、燃烧室等部位形成积碳，造成柴油机气门关闭不严，性能下降，加速不顺、怠速不稳、失速、爆震等一系列故障。
柴油品质越差，含残碳值越高，越易诱发柴油机形成积碳。同时，油品较差的柴油中酸性物质和水分使喷油器早期磨损，导致其工作不正常，使燃烧室内柴油燃烧不充分而形成积碳;柴油中的杂质在柴油机工作时不能燃烧，虽然大部分被排出机外，但仍有少量残留物不断累积在喷油嘴喷孔、燃烧室、气门口及传感器表面形成附着，在高温氧化作用下形成积碳。
根据柴油机工作环境和季节，选择柴油牌号不当，最低气温低于柴油凝固点时，柴油结蜡而堵塞柴油滤清器，导致燃油系统供油不畅，喷油器雾化不良而形成积碳。
2.2 喷油器工作不正常
在柴油机运转过程中，喷油器向燃烧室内喷入均一、细微、均匀的柴油，当喷油器发生雾化不良、喷油压力过高或过低、喷油时间提前或延迟、喷油过多等某一故障时，使进入燃烧室内的柴油达不到要求而燃烧不充分或来不及燃烧而形成积碳。
2.3 机油品质差、粘度低或加注过多
在柴油机运转过程中，机油除运动件表面之外，还不断清洗、清洁运动件表面，在系统循环过程中燃烧室内不可避免地进入少量机油，因机油品质差致使进入燃烧室内的机油不能完全燃烧而形成积碳。机油粘度低、加注过多均使进入燃烧室内的机油增多而形成积碳。QS-650清筛机油浴式空气滤清器中机油加注过多，机油通过进气系统进入燃烧室而生成积碳。
2.4 柴油机窜机油
当柴油机活塞环磨损、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大时，均使进入燃烧室内的机油量增多，不能充分燃烧而生成积碳。
2.5 柴油机漏气
当汽缸螺母松动、汽缸垫破损、喷油器与汽缸盖密封不良均导致汽缸漏气，造成汽缸内混合气体压力不足，难以产生高温使柴油完全燃烧而生成积碳;进、排气门漏气、配气相位不正确或气门堵塞，进入汽缸内的空气量减少造成柴油燃烧不完全而生成积碳。柴油机气门与气门座的配合部位磨损、烧蚀或粗糙等密封不良，气门间隙过小，气门积碳过多，气门在导管内上下往复运动发涩或卡滞、汽缸盖螺栓紧固力矩不一致等导致气门漏气。
2.6 气门间隙调整过小
大型养路机械用柴油机的气门间隙一般为0.2～0.3 mm，气门间隙调整过小，气门杆受热后膨胀会被摇臂经常顶开，使气门关闭不严，导致气门密封锥面严重积碳或烧损。气门与气门导管间隙过大，机油吸入燃烧室，严重时约占窜入燃烧室机油量的30%。
2.7 柴油机长时间超负荷运转
燃油泵在调速器作用下增加供油量以提高柴油机输出扭矩，同时因外界阻力过大使柴油机转速下降，此时进入燃烧室内柴油增多，因转速下降进入空气量减少，汽缸内油气混合气体浓度增大，柴油不能充分燃烧而形成积碳。
2.8 柴油机长时间怠速运转
因柴油机在低转速情况下运转，其喷油器压力减小，柴油雾化效果不好，进入燃烧室内的柴油燃烧不完全，形成积碳。
2.9 柴油机在满负荷工作状态下熄火
柴油机在满负荷状态工作下，喷入汽缸内柴油较多，立即熄火使未燃烧的柴油积聚在汽缸内，再次启动时，停留在汽缸内的柴油和喷入汽缸内的燃油混合，造成空气稀少，柴油燃烧不完全而生成积碳。
2.10 柴油机停机前猛给油
停机前猛给油，进入汽缸内柴油增多，未燃烧的柴油一部分积聚在缸内，另一部分积聚在活塞顶部和燃烧室的四壁，柴油机再次启动时，与喷入的柴油混合造成空气稀少，因柴油燃烧不完全，易在活塞、气门和燃烧室处生成积碳，随积碳增多，导致气门关闭不严、柴油机过热等不良后果。同时，汽缸内的柴油与喷入的柴油同时燃烧，导致汽缸内压力急剧上升，产生严重的敲击声，造成柴油机转速不稳和功率下降。
2.11 柴油机过热运转
使机油温度升高、粘度下降以致烧结，产生大量积碳，失去作用，加速机件的磨损。
2.12 柴油机在低温环境，预热不当
在高寒地区低温启动柴油机，由于低温时机油粘度大、流动性及性能差，进入气门导管内的极少量机油仅有少部分粘着在气门杆上，随着气门开启关闭次数与高低温条件的交变作用而得不到充分清洗，粘着在气门杆上的机油发生变质胶化，长时间低温运转形成积碳，导致气门卡死。
2.13 空气滤清器
柴油机吸入的空气清洁度取决于空气滤清器过滤性能，大型养路机械清筛地段尘土飞扬，柴油机工作环境恶劣，灰尘吸入空气滤清器较多，易造成空气滤清器堵塞，细小灰尘大量进入柴油机的进气系统。
当空气滤清器堵塞时，导致柴油机进气量不足，汽缸内柴油不能充分燃烧形成积碳。同时，柴油机吸入空气中的细小灰尘颗粒，随油气一起长时间冲刷气门背部形成细微划痕，细小颗粒与来自曲轴箱的油储存在划痕中，长时间在高温下形成胶状物形成积碳。
3 积碳的危害
积碳以密实、疏松、柔软等形态聚集在柴油机内部，柴油机启动时，喷油嘴喷出的燃油被过多的积碳吸收，导致燃烧室内混合气体过稀而无法启动，只有积碳吸收的燃油饱和后才能启动，启动后吸附在积碳上的燃油又会被柴油机的真空吸力吸入汽缸内燃烧，使混合气体变浓，这样混合气体时稀时浓，造成柴油机冷启动怠速抖动。在柴油机运转过程中，积碳形成部位温度约为200 ℃，其导热性较差，零件表面的大量积碳导致零件局部过热，使零件刚度和强度下降，严重时造成喷油器偶件烧结、气门烧蚀、活塞环卡死和拉缸等;同时，高温颗粒的积碳在燃烧室内引起表面点火，造成功率下降和燃烧室容积减小而实际压缩比增大，出现早燃和爆燃现象;积碳随机油进入系统，污染机油，堵塞油路和滤清器，造成柴油机各机件不良。
由此可见，柴油机内部各处积碳给柴油机带来诸多不利影响，对柴油机的主要危害有：
①喷油嘴处积碳堵塞喷油孔，使柴油雾化不良，导致各缸喷油嘴喷油量不同，造成柴油机抖动。
②气门头处积碳减少进气通道断面，降低了柴油机进气量，加速了积碳的形成。
③汽缸盖处积碳降低了柴油机冷却效果，极大地降低了柴油机的动力性能和经济性。
④气门及其座圈工作面上积碳导致气门关闭不严，造成柴油机启动困难、工作无力、转速快慢不均、气门烧蚀等。
⑤气门杆与气门导管处积碳，加速气门杆与气门导管的磨损，甚至导致气门杆在气门导管内运动发涩而卡死。
⑥进气门、进气道内积碳破坏进气管的光滑度，阻碍气体流动性能，降低气体流动速度，减少进入燃烧室内空气量，导致柴油机功率下降。
⑦活塞环槽内积碳使活塞环边间隙、背隙减小，甚至无间隙，造成活塞环失去弹性而卡死、拉缸，降低活塞环密封性，加剧积碳形成。
⑧排气门上积碳使气门关闭不严，出现漏气现象，使柴油机功率下降，排气管放炮。高温颗粒积碳附着在排气门及气门座上，加剧了气门漏气，使高温燃气冲刷气门及气门座，进一步使气门和气门座烧蚀。
⑨积碳在柴油机振动和热应力作用下碎裂剥落，其硬质颗粒加剧柴油机内部各摩擦副磨损，缩短活塞、活塞环、汽缸套、曲轴轴承等部件使用寿命。同时，积碳不断污染机油，加快机油变质，机油中积碳堵塞油路和油孔，破坏系统的正常工作。
4 减少柴油机积碳的措施
柴油机工作过程中，不可避免的生成积碳，我们应根据积碳的生成机理采取预防措施，减少积碳的生成。
4.1 按最低气温选用柴油牌号
根据柴油机工作地当月最低气温选用柴油牌号，柴油凝点须比当月的最低气温低4 ℃～6 ℃，确保柴油在最低气温时不致凝固和结蜡。选择柴油牌号时，0号柴油适用于最低气温在4 ℃以上地区，-10号柴油适用于最低气温在-5 ℃以上地区，-20号柴油适用于最低气温在-5 ℃～-14 ℃范围的地区，-35号柴油适用于最低气温在-14 ℃～-29 ℃范围的地区。一般情况下，我们从每年10月到次年5月间选用-35号柴油，其它时间选用0号柴油。
4.2 提高柴油清洁度，定期排放油箱内的沉淀物和水分
用柴油滤油机加注燃油，清洁柴油。对加入油箱内杂质和水分经过一个月左右时间沉淀后排放，新加柴油后沉淀48 h左右后排放，以减少柴油中杂质和水分的含量。
4.2 选用适当牌号的机油
由于机油粘度随温度而变化，SAE（粘度等级）级的选择应根据当地常见温度按油粘度图进行选择机油牌号如图1所示。夏季选用CD15W-40机油，冬季选用CD10W-30机油。
4.3 正确使用柴油机
在柴油机运转过程中，应监视机油压力和温度的变化，防止柴油机过热工作，不得使柴油机超负荷长时间工作和长时间怠速运转。柴油机停机时，应先卸除负荷，降低油门，怠速运转2 min左右再停机。
在低温环境下，防止柴油机过冷工作。每天首次启动柴油机时，油门一定要置于怠速位，当启动正常后，首先须检查机油压力，待机油压力显示正常，才可适当提升转速以满足发电机发电之用，当发电机正常发电时，以中等转速运转预热柴油机，机体温度升至40 ℃以上方可带负载运转。
4.4 空气滤清器技术改造
针对大型养路机械清筛作业地段灰尘大的情况，我们将DC-32捣固车的空气滤清器改造为离心式空气滤清器，极大地降低了细小灰尘吸入进气系统的数量，提高了进入燃烧室空气的清洁度，取得了良好的效果。
4.5 柴油机检查保养
①检查进气系统的配置是否齐全、正确，空气滤、增压器总成与进气管系统各连接部分卡箍是否紧固到位，是否有漏气现象，发现异常及时处理。每年年修时，检查配气机构，调整进气气门间隙为0.2 mm，排气气门间隙为0.3 mm;检查紧固缸盖螺栓，紧固力矩为200 N.m，在检查保养中发现柴油机进气管路有积碳，须着重检查进气门漏气或配气相位、排气堵塞等。
②及时清洗或更换空气滤清器滤芯。根据柴油机工作环境，缩短空气滤清器清理和滤芯更换周期，当发现滤清器脏污报警时，应及时清理或更换空气滤芯。每次施工作业后，排出空气滤清器呼吸器内尘土，防止空气滤清器过早污染和进气系统吸入较多细小灰尘;对QS-650清筛机油浴式空气滤清器及时清除脏污的油，防止油污吸入进气系统，加速积碳生成。
③检查冷却风扇进气通道畅通，确保冷却风扇传动系统工作正常和冷却室密封性良好，定期清理机油散热器、液压油散热器、中冷器，汽缸套等散热部件表面异常附着的油污，保证柴油机散热性能良好。
④检查燃油系统，及时排除进入燃油系统内的空气，定期清洗或更换柴油滤芯，发现渗油处所及时处理，尤其是喷油器、高压油泵与高压油管的连接处。
⑤按季节、柴油机工作时间及时更换机油和机油滤清器滤芯，防止机油变质而导致积碳的生成。柴油机运转中应监视机油压力变化，发现异常及时处理，防止过多的机油进入燃烧室。
5 结 语
为降低柴油机积碳的生成速度，减少积碳对柴油机的影响，提高柴油机的动力性能，我们通过对在恶劣环境中运转柴油机空气滤清器的改造，制定减少柴油机积碳的预防措施，培训操作人员提高其使用和维护保养柴油机技能，柴油机经过一年运转后形成的积碳明显减少，达到了抑制积碳生成的速度、延长柴油机使用寿命的目的。
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