柴油机呼吸器出气口冒白烟问题分析

汤必强 吴士军 叶飞 张玉娟 张楠楠

摘要： 某公司某款柴油机，市场反馈呼吸器出气口冒白烟严重，故障机返回后进行台架故障复现，结果与市场表现一致。针对此故障现象，建立故障树，结合相关试验，对可能产生的故障原因逐一进行验证排查，最终确定故障根源为活塞底部高温产生小粒径分布油雾。通过增加活塞冷却喷嘴和改进机油泵，可有效解决市场柴油机呼吸器出气口冒白烟问题。

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.

關键词： 呼吸器;冒白烟;故障树;试验

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

中图分类号：U664.121.1                                      文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）21-0043-03

0  引言

柴油机作为一种动力性和经济性并存的动力装置，已经被广泛应用于工程机械、车机和农机领域[1]。随着科技的进步，柴油机已逐渐克服原有的笨重、噪音大、喷黑烟等缺点，不仅如此，现代柴油机经过多年研究和新技术利用，在各方面都取得了重大突破[2]。柴油机由众多复杂零部件组成，随着使用时间的增加以及环境因素影响，不可避免会在使用过程中发生各种异常现象，从而转变成故障。呼吸器作为柴油机重要零部件，作用是控制曲轴箱压力在正常范围内，同时也可以分离出废气中的燃油和机油颗粒[3]，呼吸器出气口冒白烟正是从呼吸器上表现出的典型故障之一。

1  故障现象

某公司某机型柴油机在市场反馈呼吸器出气口冒白烟严重，市场调研后证明情况属实，与反馈现象基本一致，将故障机返回后在试验室进行故障复现：发动机在热机过程中，水温78℃，油温100℃，1000r/min满油门时出现明显呼吸器口冒白烟现象，已不属于用户接受范围，逐渐提升到标定点，冒白气持续存在且更明显，回到怠速点出现轻微冒白烟情况，稳定5分钟左右现象消失。

2  故障原因分析

2.1 综述

柴油机正常工作期间，从呼吸器口排出的烟色应为无色或者淡灰色[4]，出现大量白烟现象已明显属于故障范围。柴油机作为一种复杂的动力装置，会引起呼吸器出气口冒白烟的因素有很多，为了顺利进行故障起因分析，找出最终原因并制定方案解决问题，采取如图1所示故障树模式进行逐一排查[5]。

2.2 原因分析

2.2.1 出气含水量高分析

针对市场故障的某机型柴油机呼吸器出气口冒白烟问题，在试验室进行呼吸系统油气分离试验[6]，采用绝对滤芯收集出气颗粒，试验持续2h，完成后在100℃烘干机下烘干1h，得到具体数据如表1和图2。

从试验数据看：含水比例在1%～2.1%，占比小，可排除出气含水量高这一因素对故障现象的影响。

2.2.2 出气含燃油量高分析

选取油气分离试验后表1中序号1、3和4号绝对滤芯，继续烘干24h，得到结果如表2和图3。

绝对滤芯烘干24h后不会再留有燃油成分[7]，现试验发现残余比例在96.7%～97.7%，可得出：呼吸器口排出气体中的燃油成分占比很小，气体中基本为机油成分。

进一步排查故障机喷油器角度与喷油泵供油提前角[8]，发现与设计值无差异，均无异常，结合油气分离试验烘干结果，可排除出气燃油量高这一因素对故障现象的影响。

2.2.3 出气含机油量高分析

2.2.3.1 漏气量分析

为进一步验证柴油机漏气量对呼吸器口冒白烟的影响[9]，在试验室进行相同负荷下不同漏气量与不同负荷相同漏气量对比试验，试验结果如表3。

从试验结果可以看出：①相同负荷不同漏气量下，均有冒白烟现象，可排除漏气量大这一因素对故障现象的影响;②相同漏气量下，冒白烟与负荷相关，负荷越低，呼吸器出气口冒白烟现象越不明显，低负荷下无冒白烟现象。

2.2.3.2 呼吸器分离效率分析

为验证呼吸器出气口冒白烟现象是否为呼吸器分离效率低导致，采用上述试验中呼吸器口冒白烟严重的标定点，同时将原迷宫式呼吸器更换为国六用纤维滤芯，从规格查出：迷宫式呼吸器可分离5μm～10μm颗粒，纤维滤芯可分离0.5μm～1μm颗粒[10]。试验结果如表4。

由试验结果可以得出：纤维滤芯可有效抑制呼吸器口冒白烟现象，出气口白烟颗粒在0.5μm～1μm范围内。

2.2.3.3 机油温度高分析

为验证是否为机油温度过高引起的呼吸器口冒白烟，首先探究机油在何温度下开始冒烟。利用试验室中的温度箱进行滴机油试验，如图4所示，持续加温，试验测得当机油温度超过180℃时，开始出现机油冒白烟现象。

查询此机型前期试验过程中机油温度和机油压力稳定，试验后拆检查看摩擦副均无异常磨损，但都存在呼吸器口冒白烟现象，故可排除零部件摩擦副干磨导致机油温度高。

根据缸盖的设计结构，发现推杆孔靠近排气道，排气温度高，机油从推杆孔回油时可能导致机油冒白烟，故对前期试验缸盖进行解剖，发现靠排气道推杆孔距离顶面80mm处有高温变色和粘连现象，如图5所示，根据解剖结果，在结焦处进行推杆孔测温试验，结果如表5。

试验结果发现3缸靠排气道推杆孔温度超180℃，已达到机油冒烟点，针对此结果，在推杆孔中增加衬套结构减少传热，试验结果如表6。

由两轮试验结果可知，增加衬套可以明显减小推杆孔温度，但依旧存在冒白烟现象，说明此处高温会造成机油冒白烟，但不是造成故障现象的主要原因。查询此机型柴油机无活塞冷却喷嘴结构，前期试验拆检后活塞底部均存在严重高温变色现象，为探究活塞底部高温是否会造成机油冒白烟，进行模拟活塞冷却喷嘴降低活塞温度试验。通过加机油提升油底壳液位，加至曲拐没入10mm，利用曲拐甩油来冷却活塞底部，试验结果发现同样工况下，冒白烟现象基本消失，由此判断，该机型柴油机呼吸器出气口冒白烟故障现象主要为活塞底部高温引起。

3  改进与验证

为解决该问题，在此机型基础上改进机油泵，加大流量，并且增加活塞冷却喷嘴，台架试验验证后，得出结果如表7，改进前后台架验证结果如图6和图7所示。

从试验数据以及台架验证结果得出：在同工况下，加活塞冷却喷嘴，改进机油泵后对呼吸器口冒白烟现象改善明显;市场环境温度下，冒白烟现象消失，增加冷却喷嘴，改进机油泵可解决此市场故障现象。

4  结论

通过故障树模式结合试验数据分析可以得出造成柴油机呼吸器出气口冒白烟现象主要原因如下：①活塞底部温度高，产生小粒径分布油雾;②呼吸器分离效率低，无法过滤小粒径的油雾。考虑到成本及解决故障根源问题，增加活塞冷却喷嘴，改进机油泵加大流量方案可更好的解决市场呼吸器口冒白烟问题。

参考文献：

[1]罗玉贵，叶作霖，欧宇钧，林文源.国内外原油主机发展和技术服务现状[J].内燃机与配件，2020（15）：188-189.

[2]Chiong Meng-Choung， Chong Cheng Tung， Ng Jo-Han，Mashruk Syed， Chong William Woei Fong， Samiran Nor Afzanizam，Mong Guo Ren， Valera-Medina Agustin. Advancements of combustion technologies in the ammonia-fuelled engines[J]. Energy Conversion and Management， 2021， 244（5）.

[3]周亚超，张青锋，陈孝平，刘锋，刘少辉，邹凤娇.某型柴油机试车过程呼吸器烟大的故障原因分析和排除[J].内燃机，2019（03）：1-2.

[4]李正平.一种柴油机呼吸器.安徽省，安徽天沃重工机械有限公司，2017-11-07.

[5]陈紫起.基于故障树方法的柴油机可靠性研究[D].大连理工大学，2020.

[6]占伟国.某汽油发动机缸盖罩迷宫式油气分离器的优化[D].重庆理工大学，2018.

[7]李帅，马延朋.柴油组分变化对共轨柴油机燃烧性能的影响[J].山东化工，2021，50（06）：115-118.

[8]孙永泰.6E390系列柴油机喷油提前角调整法[J].农机质量与监督，2020（01）：26.

[9]朱衛华.柴油机漏气量试验研究[J].车用发动机，2021（03）：88-92.

[10]何雨，曾涛，刘少北，谢君科.新型纤维滤芯过滤特性实验研究[J].机床与液压，2019，47（01）：18-22.