摘要：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛運(yùn)用于油田鉆井、鐵路牽引、動(dòng)力發(fā)電、礦山機(jī)械、工程機(jī)械、船舶運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域，其運(yùn)行狀態(tài)的好壞直接影響到整個(gè)機(jī)車的工作狀態(tài)。目前，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能優(yōu)化管理的一種主要手段，因此，對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和對(duì)其故障進(jìn)行自診斷，提早發(fā)現(xiàn)和預(yù)告設(shè)備的故障，確保系統(tǒng)安全正常運(yùn)行，時(shí)時(shí)處于最佳運(yùn)行工況，提高設(shè)備的修理質(zhì)量和效率是十分必要的。

一、引言

隨著當(dāng)今社會(huì)工業(yè)化水平的迅猛發(fā)展，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為最常用的動(dòng)力機(jī)械設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油礦場(chǎng)、固定發(fā)電、鐵路牽引、工程機(jī)械及特種船舶等領(lǐng)域，日益朝著大型化、高速化、精密化方向發(fā)展，工作性能不斷改善，自動(dòng)化程度越來(lái)越高。一方面它將大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和能耗；但另一方面，帶來(lái)的問題是，一旦其中某一部分或某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障，往往會(huì)造成停工停產(chǎn)，直接或間接造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成關(guān)鍵設(shè)備損壞，危及人身安全。

二、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)

（一）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的每個(gè)工作循環(huán)經(jīng)歷進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣四個(gè)行程。其工作原理是：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)氣行程中吸入純空氣，在壓縮行程接近終了時(shí)，柴油經(jīng)噴油泵將油壓提高到10MPa以上，通過噴油器噴入氣缸，在很短時(shí)間內(nèi)與壓縮后的高溫空氣混合，形成可燃混合氣。由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比高（一般為16～22），所以壓縮終了時(shí)氣缸內(nèi)空氣壓力可達(dá)3.5～4.5MPa，同時(shí)溫度高達(dá)750～1000K，大大超過柴油的自燃溫度。因此柴油在噴入氣缸后，在很短時(shí)間內(nèi)與空氣混合后便立即自行發(fā)火燃燒。氣缸內(nèi)的氣壓急速上升到6～9MPa，溫度也升到2000～2500K。在高壓氣體推動(dòng)下，活塞向下運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)而做功，同時(shí)廢氣經(jīng)排氣管排入大氣中。

2、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)-  

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)主要結(jié)構(gòu)有：機(jī)組體、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)、供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和起動(dòng)系統(tǒng)。柴發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)分級(jí)：第一級(jí)是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)本身；第二級(jí)是組成柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的各個(gè)子系統(tǒng)；第三級(jí)是組成各子系統(tǒng)的各個(gè)部件。這些結(jié)構(gòu)的劃分為有效地組織不同的動(dòng)力性能優(yōu)化知識(shí)提供了條件。通過對(duì)這些結(jié)構(gòu)的描述，可以將動(dòng)力性能優(yōu)化分塊化，從而有利于動(dòng)力性能優(yōu)化策略控制。

三、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的典型故障

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)是非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，激勵(lì)和響應(yīng)都具有非平穩(wěn)性，這是因?yàn)椋菏紫仍诮Y(jié)構(gòu)上，發(fā)動(dòng)機(jī)是由許多機(jī)、電、液等各種子系統(tǒng)組成的復(fù)雜機(jī)電設(shè)備，因而它是一個(gè)多層次系統(tǒng)；其次，完成不同功能的各子系統(tǒng)之間無(wú)論在結(jié)構(gòu)上，還是在功能上都存在著一定的差異；最后，同一層次的各子系統(tǒng)以及不同層次的各子系統(tǒng)之間雖然可能相聯(lián)，但在結(jié)構(gòu)與功能上大多無(wú)嚴(yán)格的邏輯與定量關(guān)系。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在工作過程中，其零部件由于磨損、疲勞和老化等因素都會(huì)引起系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的劣化、失效及各子系統(tǒng)間關(guān)系的變化，使系統(tǒng)故障特征在傳播過程中發(fā)生一定的扭曲，再加上傳播路徑不止一條等因素，從而造成原始故障可能表現(xiàn)為多個(gè)子系統(tǒng)故障。因此故障與故障源之間的關(guān)系十分復(fù)雜。這種復(fù)雜的關(guān)系主要表現(xiàn)有：

1、故障的多樣性和復(fù)雜性。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障的可能是多種多樣的，并且在多數(shù)情況下可能同時(shí)出現(xiàn)幾個(gè)故障。

2、一因多果，一果多因。系統(tǒng)的一個(gè)故障可能由多個(gè)原因引起，而這些原因也常常是交織在一起相互影響的。另一方而，系統(tǒng)的同一個(gè)原因可能由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和影響程度不同，可能導(dǎo)致不同的結(jié)果。

3、故障的產(chǎn)生有偶然性和必然性。系統(tǒng)中故障發(fā)生有時(shí)是偶然的，沒有一定的規(guī)律可循，比如油泵壞。系統(tǒng)故障有時(shí)也是必然發(fā)生的，這是因?yàn)樗鼈兂掷m(xù)不斷，經(jīng)常發(fā)生，并有一定的規(guī)律可循，比如潤(rùn)滑油粘度下降，其壓力會(huì)降低等。

4、故障的產(chǎn)生與使用條件或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的工作條件密切相關(guān)。同一系統(tǒng)隨著使用條件或工作條件的不同，系統(tǒng)所產(chǎn)生的故障也不同。例如柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的工作負(fù)荷下，可能出現(xiàn)故障，也可能不出現(xiàn)故障，并且出現(xiàn)故障的部位也不一定相同。另外司機(jī)的水平也對(duì)故障的產(chǎn)生有一定的影響。

5、故障的分析判斷難，而處理容易。由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)故障發(fā)生后，要想準(zhǔn)確判斷故障的發(fā)生部位和發(fā)生原因是比較困難的，必須對(duì)故障認(rèn)真地檢查、分析和判斷，才能找出故障的部位和故障原因。由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為使問題簡(jiǎn)單化，按照柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在不解體的情況下通過振動(dòng)測(cè)試可以解決的故障主要存在于燃油系統(tǒng)和進(jìn)排氣系統(tǒng)。因此，我們專門針對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)的某些故障進(jìn)行典型分析。主要包括：曲柄連桿機(jī)構(gòu)故障、配氣機(jī)構(gòu)故障、氣缸故障以及活塞故障。

（一）曲柄連桿機(jī)構(gòu)故障

1、連桿的彎曲與扭曲。主要原因是由于長(zhǎng)時(shí)間低速重載運(yùn)行，使連桿超載。

2、連桿螺栓損壞。其主要形式是：產(chǎn)生裂紋或斷裂、發(fā)生拉伸永久變形和螺紋部分松動(dòng)、粘結(jié)。主要原因是不按規(guī)定進(jìn)行裝配，扭緊力矩過大或過小，用力不均勻，螺栓、螺母支撐表面與螺紋中心線不垂直，上緊后產(chǎn)生歪扭現(xiàn)象。螺紋配合過緊或過松，表面不清潔，容易產(chǎn)生連接松脫或咬死。連桿軸承間隙增大，產(chǎn)生沖擊時(shí)就可能引起螺栓斷裂事件。

（二）配氣機(jī)構(gòu)故障

1、氣門關(guān)閉不嚴(yán)。主要原因是氣門、氣門座由于磨損、積炭、燒蝕使接觸表面粘合不好而造成的。另外，氣門桿部彎曲或在導(dǎo)管中粘住，氣門彈簧折斷或彈力不足，氣門間隙調(diào)整過小等均會(huì)使氣門關(guān)閉不嚴(yán)。

2、氣門間隙過大。其原因除了氣門間隙調(diào)整過大以外，主要是氣門間隙調(diào)節(jié)螺釘松動(dòng)或凸輪、氣門挺桿等配氣機(jī)構(gòu)零件的正常磨損造成的。

3、氣門桿卡住。由于氣門桿與氣門導(dǎo)管配合間隙選擇不當(dāng)，或?qū)Ч軆?nèi)出現(xiàn)積炭現(xiàn)象，以及氣門桿彎曲等所造成。

4、氣門斷裂。氣門斷裂一般發(fā)生在頭部與桿部過渡區(qū)域桿部環(huán)槽處。氣門斷裂落入氣缸內(nèi)，造成活塞頂缸重大事故。造成氣門斷裂的主要原因一般是由于內(nèi)燃機(jī)溫度過高，突然冷卻，氣門上溫度分布不均產(chǎn)生熱應(yīng)力所造成的，或由于進(jìn)、排氣門裝錯(cuò)，造成變形、斷裂。

5、氣門彈簧斷裂。氣門彈簧斷裂不僅破壞內(nèi)燃機(jī)正常工作，也會(huì)落入氣缸內(nèi)造成嚴(yán)重事故。造成原因是結(jié)構(gòu)和材料及加工不合格，工作過程中發(fā)生變形等。

（三）氣缸故障

1、拉缸。所謂拉缸，是指在氣缸套工作面上，出現(xiàn)一些深淺不同的軸向溝紋，影響氣缸的密封。造成拉缸的原因很多，除因跑合不好外，如活塞環(huán)間隙過小，發(fā)動(dòng)機(jī)在過低溫度下啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)過熱等都可能產(chǎn)生裂紋。發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷急劇增加，也會(huì)產(chǎn)生裂紋。

2、氣缸套裂紋。氣缸套發(fā)生裂紋的原因主要是使用操作不當(dāng)。如發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中，水量不足，發(fā)動(dòng)機(jī)過熱時(shí)，若突然加入冷水，使缸套驟冷收縮就可能產(chǎn)生裂紋。發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械負(fù)荷與熱負(fù)荷急劇增加，也會(huì)產(chǎn)生裂紋。為防止氣缸發(fā)生裂紋，必須嚴(yán)格按操作規(guī)程管理好發(fā)動(dòng)機(jī)，嚴(yán)禁發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行。

（四）活塞故障

由于發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)期使用摩擦、磨損及安裝、調(diào)整維修不當(dāng)?shù)仍蛟斐砂l(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷與銷座孔襯套磨損間隙變大，這種現(xiàn)象我們常稱之為發(fā)動(dòng)機(jī)活塞銷故障。如果連桿小端銅套磨損以后必然使連桿銅套與活塞之間的間隙增大，這將導(dǎo)致在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)連桿與活塞銷的沖擊作用增強(qiáng)。這種沖擊激勵(lì)的變化會(huì)影響活塞橫向撞擊氣缸套并使機(jī)體的振動(dòng)響應(yīng)發(fā)生變化。

四、提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的對(duì)策

（一）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能優(yōu)化指標(biāo)

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能優(yōu)化指標(biāo)是指發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率、額定轉(zhuǎn)速、扭矩和平均有效壓力等，這些指標(biāo)是根據(jù)與之配套的使用要求而確定的。

柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速和活塞平均速度是指柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)速和活塞平均速度?；钊骄俣纫彩菦Q定柴油發(fā)動(dòng)機(jī)高速性的指標(biāo)。提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速與活塞平均速度是提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)單位體積功率的有效措施之一。但是隨著轉(zhuǎn)速提高，單位時(shí)間內(nèi)氣缸所完成的工作循環(huán)的次數(shù)增加了，會(huì)使零件的受熱程度加劇，而且噪聲增大；隨著活塞平均速度的增加，作用于曲柄連桿機(jī)構(gòu)零件的慣性力增加，加速磨損，特別是活塞環(huán)和氣缸套的磨損加劇，這將縮短使用壽命。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速確定之后，在額定工況下的扭矩也就確定了。但是，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)除對(duì)功率和轉(zhuǎn)速有要求外，還要求具有一定的扭矩儲(chǔ)備，即具有較好的扭矩特性.扭矩特性一般用扭矩儲(chǔ)備系數(shù)（又稱扭矩適應(yīng)性系數(shù)）Km和轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)Kn及兩者的乘積——總適應(yīng)系數(shù)K來(lái)表示，即

Km=最大扭矩/額定工況時(shí)的扭矩=Memax/Me  

Kn=額定轉(zhuǎn)速/最大扭矩時(shí)的轉(zhuǎn)速=Ne/Nemax

K=KmKn  

扭矩適應(yīng)性系數(shù)越大，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)外界阻力變化的能力越強(qiáng)。轉(zhuǎn)速適應(yīng)性系數(shù)越大，則工作越穩(wěn)定，從而簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

（二）主要技術(shù)

提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性和安全性，采用的主要技術(shù)有：

1、進(jìn)氣系統(tǒng)

進(jìn)氣管諧振動(dòng)力效應(yīng)增壓技術(shù)和進(jìn)、排氣管隔熱技術(shù)。通過提高進(jìn)氣壓力和降低進(jìn)氣溫度，增加進(jìn)氣充量；排氣管外表面溫度降低，提高了運(yùn)轉(zhuǎn)安全性。

2、燃油供給系統(tǒng)

高壓管路動(dòng)力效應(yīng)增壓技術(shù)，在燃油噴射系統(tǒng)中設(shè)置漸縮短管結(jié)構(gòu)，利用漸縮短管對(duì)流體的加速作用，在高壓油管中產(chǎn)生較高的壓力波動(dòng)，改善噴油霧化和提高噴油速率。 ‑

3、燃燒系統(tǒng)

縮口形燃燒室，組織一定強(qiáng)度的氣流運(yùn)動(dòng)，提高混合氣形成速度和均勻度，改善燃燒。

（三）提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的對(duì)策

以上提到的幾個(gè)方面是造成柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力不足的主要原因，因此，攙查柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)不足的故障原因是一項(xiàng)涉及面較廣、難度較大的工作。不過，根據(jù)理論分析和經(jīng)驗(yàn)，故障的排查工作還是有規(guī)律可循的。

1、先從柴油發(fā)動(dòng)機(jī)較常出現(xiàn)故障的系統(tǒng)人手，對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣供給系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)等進(jìn)行常規(guī)檢查，這樣做可避免多走彎路。檢查方法應(yīng)從易到難，先查傳統(tǒng)項(xiàng)目，后查電控系統(tǒng)。檢查可按點(diǎn)火系統(tǒng)、進(jìn)氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、配氣機(jī)構(gòu)、其它機(jī)械及電路的順序進(jìn)行。

2、有故障代碼時(shí)，先排查故障代碼所表示的故障，然后再排查其它可能的故障。

3、對(duì)于安裝有氧傳感器的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，利用示波器對(duì)氧傳器的波形進(jìn)行分析是一個(gè)比較快捷、直接的好方法。氧傳感器信號(hào)在燃料反饋控制系統(tǒng)中具有非常重要的地位，在示波器的顯示屏上，氧傳感器的波形就相當(dāng)于醫(yī)院里心電監(jiān)護(hù)儀的心電圖，通過它可以看到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的燃燒狀態(tài)，另外，根據(jù)氧傳感器的波形可以推斷出柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械性能、空氣供給系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況，為快捷、有效地排除柴油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力故障提供了判斷依據(jù)。

4、斷缸試驗(yàn)也是一個(gè)好方法，用它往往能迅速找到輸出功率較小的氣缸。

文章來(lái)源：中國(guó)發(fā)電機(jī)組協(xié)會(huì) 柴油發(fā)電機(jī)組