康明斯K38发动机活塞烧蚀的主要原因

摘要：通过大面积康明斯K38发动机活塞烧蚀维修经验，分析K38发动机活塞烧蚀的主要原因。

关键词：康明斯K38发动机;活塞烧蚀;主要原因

0  引言

活塞烧蚀是柴油发动机使用中较常见的现象，烧蚀部位大多发生在活塞顶部和第一、第二道活塞环槽处及活塞头部圆周处，一般以活塞顶面熔洞、穿孔和头部圆周处键槽状缺口、蜂窝眼为主要形式，故障现象主要表现为发动机下排气增大，甚至机油从呼吸孔冲出。活塞烧蚀将导致柴油机工作不正常，直接导致缸压降低，动力下降，间接引起拉缸、抱瓦等，并损坏涡轮增压器、缸盖等机件。下面，笔者根据康明斯K38发动机活塞烧蚀维修经验，结合相关相关技术资料后，对康明斯K38发动机活塞烧蚀的原因作分析。活塞烧蚀如图1所示。

1  排气背压过大

排气背压就是指发动机排气的阻力压力。K38发动机排气压力小于0.09kPa，若消声器发生堵塞或排气管改装不当，将会增大排气阻力，导致排气背压过大。由于发动机排气背压过高，汽缸内混合气燃烧后生成的废气难以排出，废气只能返流，热量相对积聚在缸内，导致缸内温度过高，最终引起活塞烧蚀。

2  劣质活塞

活塞在高温、高压、高速、润滑不良的恶劣条件下作往复直线运动，直接与高温气体接触，瞬时温度可达2500℃以上，受热严重、散热条件差，所以活塞工作时温度很高，顶部可达600～700℃，且温度分布很不均匀;活塞顶部承受气体压力很大，特别是做功行程压力最大，柴油机高达6～9MPa，这就使得活塞产生冲击，并承受侧压力的作用;活塞在气缸内以很高的速度（8～12m/s）往复运动，且速度在不断地变化，产生了很大的惯性力，使活塞受到很大的附加载荷。活塞在这种恶劣的条件下工作，会产生变形并加速磨损，还会产生附加载荷和热应力。若活塞质量不过关，铸造时存在气孔、疏松、微裂纹、夹渣等缺陷，则在高温高压作用下，这些气孔、疏松、微裂纹会导致疲劳损坏;活塞中的夹渣首先熔化，造成活塞烧熔，导致活塞烧蚀故障。

3  燃烧黑烟大，活塞积碳严重

积碳的生成比较复杂，它与发动机结构以及使用燃料、润滑油料的种类及发动机所处工作条件、工况等密切相关。在燃烧室中，氧气供给不足，燃料和窜入燃烧室的润滑油料不能完全燃烧，而产生油烟和焦油微粒，它们和润滑油混合在一起后，进一步氧化成为稠性胶状液体羟基酸，羟基酸又进一步氧化变成一种半流体树脂状胶质，牢固地粘附在零件上，随后在高温的不断作用下，胶质又聚合成更复杂的聚合物，成为一种硬质胶结碳，即形成了积碳。积碳的组成成分有润滑油、羟基酸、沥清质、油焦质、碳青质、硫酸盐、硅化合物（来自进气中的灰沙）和微量金属屑及其化合物等。发动机温度越高，形成的积碳也越硬越紧密，与金属粘接越牢固。活塞环槽中的积碳会使活塞环失去弹性而卡死，活塞环密封性下降，引起烧机油现象，进而加剧了积碳的生成;进、排气门上的积碳会使气门关闭不严，高温颗粒积碳附着在气门上也会使气门及气门座烧蚀，加剧气门漏气。气门漏气，又使高温燃气冲刷气门及气门座，进一步使气门及气门座烧蚀出现漏气，最终导致缸压降低，燃烧黑烟大促使活塞积碳的生成。活塞积碳使其散热作用减弱，温度升高，当温度超出活塞的热承受极限时，将引发活塞烧蚀。活塞积碳如图2所示。造成发动机燃烧黑烟大、积碳严重的主要原因是：

3.1 气门密封不严

进、排气门关闭不严，会造成高温、高压的可燃混合气冲蚀气门及气门座工作面，使二者工作面出现麻点、积碳、烧蚀，麻点、积碳、烧蚀又会加速进、排气门关闭不严，形成恶性循环。气门关闭不严，缸压降低，燃烧不好，造成缸内积炭过多，导致发动机动力性，经济性下降。

3.2 泵咀不匹配，喷油量过大

K38发动机上有CPL844和CPL1628两种型号，CPL1628和CPL844两个控制号的燃油泵和喷油器存在差异，其中，与CPL1628相匹配使用的为BA94燃油泵和3077760喷油器，与CPL844相匹配使用的为B844燃油泵和3058802或3076132喷油器。BA94泵与B844泵相比较油量更大，3058802或3076132喷油器与3077760喷油器相比较喷油量更大。只有匹配正确，遵循大泵配小咀的原则（大、小指喷油量），才能得到正确的喷油油量，若出现混装的话，就会导致最终喷油器的实际供油量过大，燃烧黑烟大，将损坏发动机相关零件，特别是活塞烧蚀。

3.3 STC阀工作不正常

为达到严格的排放要求，康明斯发动机发展了一种新型的液压驱动的可变喷油正时控制系统，称作STC（Step Timing Control）分步喷油正时控制系统。STC系统将发动机喷油正时分为两部分，一部分为机械正时（即由正时齿轮和凸轮轴控制），也称“常态正时方式”，另一部分为机械-液压正时（即由发动机燃油压力控制，也称“喷油提前正时方式”）。在启动和轻载工况下，采用“喷油提前正时方式”，燃油在压缩循环中更早喷射;而在中、重载工况下，采用“常态正时方式”，燃油在压缩循环中更晚喷射。STC阀相当于一个方向控制阀，燃油压力相当于先导油压，STC阀开启压力为27Psi，关闭压力为65Psi。若STC阀工作不正常，那么发动机喷油正时将发生变化，燃油燃烧不好，后燃期延长，缸内产生大量积碳，活塞散热不良，长时间运行将导致最终的活塞烧蚀、缸盖炸裂等故障。

4  冷却不好，造成温度过高

发动机正常工作温度在82～93℃之间，若出现冷却液不够或混入其它油品、散热器堵塞、风扇工作不正常等状况时，将会造成发动机缸内温度过高。另外，发动机活塞、缸套主要通过机油冷却喷咀喷出的機油将其热量带走。若冷却喷咀喷管有变形、砂眼、喷射位置不对等故障或机油压力过低时，将会造成喷射机油量减少，直接导致活塞，缸套温度过高。

参考文献：

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[2]秦朝举.柴油机活塞铝合金材料烧蚀规律研究[D].北京理工大学，2015.

[3]贺园玲.柴油机活塞烧蚀失效分析[J].内燃机与配件，2014（11）：41-43.

作者简介：王发理（1981-），男，本科，机械工程师，瓮福（集团）有限责任公司瓮福磷矿，从事矿山设备管理工作。