張遠(yuǎn)征 朱榮乾 劉光勇 陳健宇

作者通聯(lián)：吐哈油田公司設(shè)備管理處 新疆鄯善縣火車站鎮(zhèn) 838202

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一、概述

大型點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)是原油伴生氣增壓處理、輸氣、氣舉采油、注氣的關(guān)鍵動(dòng)力設(shè)備，大型壓燃式內(nèi)燃機(jī)是海上采油平臺(tái)發(fā)電的驅(qū)動(dòng)機(jī)械。對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的燃燒故障，可以提升其做功能力和減少機(jī)械故障損失，它們的運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到整套裝置是否能夠高效、平穩(wěn)運(yùn)行。然而，由于氣門開啟、關(guān)閉產(chǎn)生的撞擊、進(jìn)排氣流噪聲和燃燒噪聲等相互交織在一起，另外時(shí)域的瞬時(shí)沖擊在頻域表現(xiàn)為寬帶白噪聲，這使得常規(guī)的以傅立葉變換為基礎(chǔ)的振動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)內(nèi)燃機(jī)的監(jiān)測(cè)診斷無能為力。為此，進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的摸索研究，終于找到了通過整周期采集內(nèi)燃機(jī)的次級(jí)點(diǎn)火電壓、壓力、振動(dòng)、超聲波、溫度等波形，在時(shí)域上與吸氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣事件對(duì)應(yīng)分析判斷故障的有效診斷方法，并持續(xù)10余年進(jìn)行1200多臺(tái)次的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在此擇取介紹，供大家參考。

二、內(nèi)燃機(jī)燃燒故障類型

點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程分為三個(gè)階段：①滯燃期，以電火花點(diǎn)火作為起點(diǎn)，直到形成火焰核心并開始火焰?zhèn)鞑サ囊欢螘r(shí)期。在示功圖上，它以缸內(nèi)壓力開始脫離純壓縮線的時(shí)刻為其終點(diǎn)。②急燃期，從火焰核心開始出現(xiàn)火焰?zhèn)鞑?，至火焰遍及燃燒室絕大部分燃料的一段時(shí)間。在這一段時(shí)間里，由于燃燒的混合氣量很大，放熱量急劇增加，缸內(nèi)溫度和壓力上升很快。在示功圖上，它常以缸內(nèi)壓力開始脫離純壓縮線的時(shí)刻為其始點(diǎn)，而以最高燃燒壓力點(diǎn)為其終點(diǎn)。③后燃期，從最高燃燒壓力點(diǎn)起至燃料燃燒基本燒完為止的一段時(shí)間。由于燃料與空氣的混合并非完全均勻，加上燃燒產(chǎn)物在高溫下可能發(fā)生熱分解，因此在火焰鋒面?zhèn)鞯侥┒嘶旌蠚夂?，缸?nèi)仍有未完全燃燒的燃料存在，致使燃燒在膨脹過程中繼續(xù)進(jìn)行。

壓燃式內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程分為四個(gè)階段：①滯燃期，從開始噴油到開始著火，或從開始噴油到缸內(nèi)壓力脫離純壓縮線開始急劇上升為止的階段。②急燃期，從開始著火到缸內(nèi)出現(xiàn)最高壓力的階段。③緩燃期，從最高壓力開始到出現(xiàn)最高溫度的階段。④后燃期，從最高溫度點(diǎn)開始到燃料基本燃燒完畢的階段。

內(nèi)燃機(jī)的燃燒故障類型主要有以下幾種。

（1）爆燃。在火花塞點(diǎn)火后，離火花塞較遠(yuǎn)的末端混合氣，在火焰前鋒尚未到達(dá)前就完成焰前反應(yīng)而發(fā)生自燃，形成新的火焰中心，產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力脈沖，并以極高的速度向附近氣體傳播。強(qiáng)烈的壓力波在活塞頂、汽缸蓋底面等機(jī)件之間多次反射，引起這些零件的高頻振動(dòng)，發(fā)出尖銳的金屬敲擊聲，也稱之為敲缸。爆燃?jí)毫蛪毫ι呗蔬^大，使活塞、缸套、連桿的機(jī)械負(fù)荷過高，長(zhǎng)期爆燃會(huì)使機(jī)件產(chǎn)生裂紋，造成零件損壞。其次，壓力脈沖的反復(fù)作用，破壞了燃燒室壁面的氣體附著層，使傳熱量大大增加，潤(rùn)滑油和冷卻水溫度過高，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，運(yùn)動(dòng)件磨損加劇。另外，強(qiáng)烈爆燃時(shí)燃?xì)鉁囟群芨?，引起燃?xì)獍l(fā)生熱裂解，析出碳粒，造成排氣冒黑煙。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致輕合金的活塞、氣缸蓋出現(xiàn)局部熔化或燒損。

（2）早燃。氣缸內(nèi)的可燃混合氣在火花塞點(diǎn)火前，已被燃燒室內(nèi)的其他熾熱表面點(diǎn)燃。早燃是燃燒室內(nèi)的積碳、過熱的火花塞電極和排氣門等熾熱表面引燃混合氣所致。

（3）失火。一是火花塞不能跳火；二是可燃混合氣過于稀薄時(shí)，火花塞處雖能產(chǎn)生跳火，但是不能形成一定容積的火焰核心和產(chǎn)生必要的熱量，致使火焰無法向外正常傳播，焰核于是很快熄滅。

（4）軟點(diǎn)火?？扇蓟旌蠚廨^稀薄時(shí)，缸內(nèi)廢氣所占比重相對(duì)較大，火花塞雖然跳火并形成火焰核心，但在火焰向外傳播過程中，只能引燃少部分混合氣就熄滅掉了，放出的一小部分熱量使缸內(nèi)做功階段的壓力曲線只比純膨脹曲線稍高。

三、內(nèi)燃機(jī)測(cè)試方法

盤車使發(fā)動(dòng)機(jī)編號(hào)為1的動(dòng)力缸處于精確的上止點(diǎn)位置，在飛輪外圓周或端面靠近外緣處鉆一直徑10mm、深6mm左右的孔，該孔應(yīng)該避免與齒圈或其他盤車孔靠得太近，利用飛輪殼體或重新制作支架，固定安裝一磁電式速度傳感器，使其準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)飛輪上所鉆的孔，進(jìn)行觸發(fā)采樣。因各缸之間相隔確定的角度差，該孔和傳感器即為各缸所有信號(hào)的觸發(fā)參照基點(diǎn)。

對(duì)于火花塞點(diǎn)火的內(nèi)燃機(jī)，在每缸的高壓導(dǎo)線外卡上互感鉗即可測(cè)量出點(diǎn)火電壓波形，可對(duì)100個(gè)做功循環(huán)進(jìn)行點(diǎn)火統(tǒng)計(jì)分析，并可精確給出點(diǎn)火提前角的度數(shù)。但是，對(duì)于屏蔽掉的高壓導(dǎo)線無法獲取信號(hào)。

歐美國家生產(chǎn)的大型二沖程點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)和四沖程壓燃式內(nèi)燃機(jī)，在缸蓋外預(yù)留有測(cè)量壓力的孔，基本都安裝有標(biāo)準(zhǔn)的KIENE測(cè)壓閥。以飛輪上的孔和殼體上對(duì)應(yīng)的傳感器進(jìn)行觸發(fā)采樣，整周期采集各缸的壓力曲線，判斷各缸的燃燒狀況和功率。

對(duì)于四沖程點(diǎn)燃式內(nèi)燃機(jī)，缸蓋上未預(yù)留測(cè)量缸內(nèi)壓力的孔，但是也可借助缸蓋的振動(dòng)和超聲波波形曲線判斷內(nèi)燃機(jī)的燃燒狀況。雖沒有壓力曲線直觀和精確，其準(zhǔn)確度和可靠性也是值得信賴的。另外，還可借助各缸排氣溫度輔助判斷各缸的燃燒狀況。現(xiàn)在，國外一些先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)在缸壁上安裝了燃燒傳感器，用于測(cè)量每個(gè)缸的燃燒時(shí)間，據(jù)此調(diào)整稀薄燃燒的預(yù)燃室針閥的開度大小。

四、內(nèi)燃機(jī)的燃燒故障特征與診斷

1.次級(jí)點(diǎn)火線圈損壞

圖1是驅(qū)動(dòng)氣舉采油壓縮機(jī)的內(nèi)燃機(jī)L7042GSI左排6個(gè)缸的次級(jí)點(diǎn)火電壓波形。該機(jī)12個(gè)缸V形排列，以天然氣為燃料，額定功率1547hp（1153.6kW），轉(zhuǎn)速1200r/min。圖中橫坐標(biāo)是以上止點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，僅截取點(diǎn)火前后時(shí)間段的波形，縱坐標(biāo)是感應(yīng)電壓幅值。左4缸的電離電壓只有－30，而正常值在－240附近；電弧電壓約＋2，正常值在－20，電弧持續(xù)時(shí)間也明顯少于其他缸；振蕩波形消失。這說明線圈出現(xiàn)故障，點(diǎn)火信號(hào)缺失，不但浪費(fèi)燃?xì)?，也加重了其他缸的?fù)荷。

圖1 次級(jí)點(diǎn)火電壓波形

圖2 DPC800動(dòng)力缸內(nèi)壓力曲線

圖3 DPC800動(dòng)力缸內(nèi)壓力曲線

2.點(diǎn)火提前角過遲

圖2是驅(qū)動(dòng)原油伴生氣壓縮機(jī)的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)DPC800動(dòng)力缸40個(gè)做功循環(huán)的壓力曲線。該機(jī)為直列4缸，以天然氣為燃料，額定功率800hp（596.56kW），轉(zhuǎn)速400r/min。橫坐標(biāo)是以上止點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，曲軸旋轉(zhuǎn)一周做功一次的展開，即0～360°轉(zhuǎn)角，縱坐標(biāo)是實(shí)測(cè)壓力的幅值。圖中在上止點(diǎn)后8°急燃期才開始。實(shí)測(cè)峰值壓力角度為28°，正常狀態(tài)應(yīng)在 19°～21°。正常情況下，緊接上止點(diǎn)后壓力就應(yīng)該急速上升。因點(diǎn)火提前角未調(diào)整好，急燃期開始時(shí)刻滯后，致使動(dòng)力缸做功能力降低，燃燒時(shí)間延后，缸內(nèi)潤(rùn)滑條件變差，排氣溫度升高。

3.點(diǎn)火提前角過早

圖3是驅(qū)動(dòng)原油伴生氣壓縮機(jī)的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)DPC800動(dòng)力缸40個(gè)做功循環(huán)的壓力曲線。圖中壓力曲線顯示在上止點(diǎn)前351°曲軸轉(zhuǎn)角時(shí)急燃期就已經(jīng)開始，峰值壓力角度為11°，提早了約9°。燃燒分析報(bào)告顯示四個(gè)動(dòng)力缸的情況基本一致，這表明點(diǎn)火提前角早了約9°。這導(dǎo)致活塞在到達(dá)上止點(diǎn)前就受到過大的活塞力，爆燃傾向增大，發(fā)動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力降低。

4.火花塞故障

圖4是驅(qū)動(dòng)原油伴生氣壓縮機(jī)的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)DPC800動(dòng)力缸空載試機(jī)時(shí)40個(gè)做功循環(huán)的壓力曲線。橫坐標(biāo)是以上止點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，從-180°～+180°曲軸轉(zhuǎn)角展開。由于火花塞故障，3#動(dòng)力缸內(nèi)的可燃混合氣未被點(diǎn)燃，發(fā)動(dòng)機(jī)在其余3個(gè)動(dòng)力缸帶動(dòng)下運(yùn)轉(zhuǎn)，缸內(nèi)混合氣被壓縮后隨著活塞下移隨之膨脹，根本未做一點(diǎn)功。

5.爆燃

圖5是海上采油平臺(tái)8PA5LG柴油發(fā)電機(jī)缸內(nèi)壓力曲線，該機(jī)直列8缸，額定功率 1550hp（1155.8kW），轉(zhuǎn)速1000r/min。天然氣和空氣混合后進(jìn)入缸內(nèi)，通過噴油器噴入少量柴油引燃混合氣燃燒做功。8個(gè)缸的壓力曲線指示各缸均嚴(yán)重爆燃，其原因是噴油時(shí)刻偏早，噴油器多孔噴射需改為單孔噴射，從而降低燃燒速率。

圖6是G3616天然氣內(nèi)燃機(jī)11#缸頭連續(xù)10個(gè)做功循環(huán)的低頻振動(dòng)曲線。該機(jī)16個(gè)缸V形排列，額定功率3531kW，轉(zhuǎn)速1000r/min。由于該機(jī)缸頭上未預(yù)留測(cè)量壓力的孔，無法測(cè)得缸內(nèi)壓力。通過測(cè)量低頻振動(dòng)曲線發(fā)現(xiàn)在上止點(diǎn)后出現(xiàn)簇狀的波形，正常狀態(tài)下，不應(yīng)有此波形，這是嚴(yán)重爆燃的特征。

圖4 DPC800動(dòng)力缸內(nèi)壓力曲線

圖5 8PA5LG缸內(nèi)壓力曲線

圖6 G3616天然氣內(nèi)燃機(jī)缸頭低頻振動(dòng)曲線

6.噴油過遲

圖7是海上采油平臺(tái)W16V32柴油發(fā)電機(jī)缸內(nèi)壓力曲線，該機(jī)16缸V形排列，額定功率7180kW，轉(zhuǎn)速750r/min，燃料為油井開采出來的重油直接加熱后通過噴油泵注入缸內(nèi)燃燒。16個(gè)缸在上止點(diǎn)后7°急燃期才開始，表明噴油正時(shí)出現(xiàn)滯后，致使功率損失了14%。

7.軟點(diǎn)火

圖8是驅(qū)動(dòng)原油伴生氣壓縮機(jī)的二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)DPC800動(dòng)力缸40個(gè)做功循環(huán)的壓力曲線，其中5個(gè)循環(huán)失火、11個(gè)循環(huán)軟點(diǎn)火、其余循環(huán)雖然屬于正常范圍，但是壓力波動(dòng)也偏大。主要原因有兩個(gè)方面：一是該缸燃?xì)忾y開度較小，二是進(jìn)氣閥片密封不嚴(yán)或空氣濾芯不暢使空氣進(jìn)氣量不足，使可燃混合氣濃度較低，火焰不易傳播。

8.間斷燃燒

圖9是16SGT天然氣內(nèi)燃機(jī)右排4#缸頭超聲波曲線。該機(jī)16缸V形排列，額定功率 2650hp（1976.1kW），轉(zhuǎn)速900r/min。該機(jī)無法測(cè)量缸內(nèi)壓力，通過測(cè)量每個(gè)缸的超聲波波形，發(fā)現(xiàn)右排4#缸連續(xù)10個(gè)做功循環(huán)中，對(duì)應(yīng)排氣門開啟時(shí)刻，每隔一個(gè)循環(huán)缺失紡錘形的噪聲波形，這表明該缸未燃燒做功。缸溫也偏低，僅有407℃，正常溫度在550℃左右；其原因是缸內(nèi)混合氣濃度過低。當(dāng)上個(gè)做功循環(huán)未能點(diǎn)燃，缸內(nèi)殘余新鮮燃?xì)饧由媳敬芜M(jìn)入缸內(nèi)的混合氣，濃度稍高些能夠點(diǎn)燃，隨后循環(huán)的殘余燃燒廢氣和進(jìn)入缸內(nèi)的新鮮混合氣使?jié)舛扔制?，仍無法點(diǎn)燃。這是導(dǎo)致間斷燃燒的原因。

圖7 W16V32柴油發(fā)電機(jī)缸內(nèi)壓力曲線

圖8 DPC800動(dòng)力缸內(nèi)壓力曲線

圖9 16SGT天然氣內(nèi)燃機(jī)缸頭超聲波曲線

五、結(jié)論

單純以常規(guī)振動(dòng)測(cè)試技術(shù)難于對(duì)內(nèi)燃機(jī)燃燒故障進(jìn)行分析診斷，而采取整周期采集壓力、振動(dòng)、超聲波等曲線，在時(shí)域上與吸氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣事件對(duì)應(yīng)分析判斷故障，經(jīng)實(shí)踐證明是行之有效的方法。

壓力曲線是分析判斷內(nèi)燃機(jī)燃燒故障的重要技術(shù)手段，當(dāng)無法測(cè)量壓力曲線時(shí)，次級(jí)點(diǎn)火電壓波形、超聲波、振動(dòng)曲線和溫度值也是診斷內(nèi)燃機(jī)故障的替代手段，同時(shí)采集這些曲線，能夠?qū)?nèi)燃機(jī)燃燒故障相互驗(yàn)證，從而保證診斷的準(zhǔn)確性和可靠性。