內燃機典型燃燒故障特征與診斷

張遠征 朱榮乾 劉光勇 陳健宇

作者通聯：吐哈油田公司設備管理處 新疆鄯善縣火車站鎮 838202

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一、概述

大型點燃式內燃機是原油伴生氣增壓處理、輸氣、氣舉采油、注氣的關鍵動力設備，大型壓燃式內燃機是海上采油平臺發電的驅動機械。對其進行監測診斷，及時發現存在的燃燒故障，可以提升其做功能力和減少機械故障損失，它們的運行狀態直接關系到整套裝置是否能夠高效、平穩運行。然而，由于氣門開啟、關閉產生的撞擊、進排氣流噪聲和燃燒噪聲等相互交織在一起，另外時域的瞬時沖擊在頻域表現為寬帶白噪聲，這使得常規的以傅立葉變換為基礎的振動監測技術對內燃機的監測診斷無能為力。為此，進行了長時間的摸索研究，終于找到了通過整周期采集內燃機的次級點火電壓、壓力、振動、超聲波、溫度等波形，在時域上與吸氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣事件對應分析判斷故障的有效診斷方法，并持續10余年進行1200多臺次的現場實測數據，在此擇取介紹，供大家參考。

二、內燃機燃燒故障類型

點燃式內燃機的燃燒過程分為三個階段：①滯燃期，以電火花點火作為起點，直到形成火焰核心并開始火焰傳播的一段時期。在示功圖上，它以缸內壓力開始脫離純壓縮線的時刻為其終點。②急燃期，從火焰核心開始出現火焰傳播，至火焰遍及燃燒室絕大部分燃料的一段時間。在這一段時間里，由于燃燒的混合氣量很大，放熱量急劇增加，缸內溫度和壓力上升很快。在示功圖上，它常以缸內壓力開始脫離純壓縮線的時刻為其始點，而以最高燃燒壓力點為其終點。③后燃期，從最高燃燒壓力點起至燃料燃燒基本燒完為止的一段時間。由于燃料與空氣的混合并非完全均勻，加上燃燒產物在高溫下可能發生熱分解，因此在火焰鋒面傳到末端混合氣后，缸內仍有未完全燃燒的燃料存在，致使燃燒在膨脹過程中繼續進行。

壓燃式內燃機的燃燒過程分為四個階段：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，從開始著火到缸內出現最高壓力的階段。③緩燃期，從最高壓力開始到出現最高溫度的階段。④后燃期，從最高溫度點開始到燃料基本燃燒完畢的階段。

內燃機的燃燒故障類型主要有以下幾種。

（1）爆燃。在火花塞點火后，離火花塞較遠的末端混合氣，在火焰前鋒尚未到達前就完成焰前反應而發生自燃，形成新的火焰中心，產生強烈的壓力脈沖，并以極高的速度向附近氣體傳播。強烈的壓力波在活塞頂、汽缸蓋底面等機件之間多次反射，引起這些零件的高頻振動，發出尖銳的金屬敲擊聲，也稱之為敲缸。爆燃壓力和壓力升高率過大，使活塞、缸套、連桿的機械負荷過高，長期爆燃會使機件產生裂紋，造成零件損壞。其次，壓力脈沖的反復作用，破壞了燃燒室壁面的氣體附著層，使傳熱量大大增加，潤滑油和冷卻水溫度過高，會導致發動機過熱，運動件磨損加劇。另外，強烈爆燃時燃氣溫度很高，引起燃氣發生熱裂解，析出碳粒，造成排氣冒黑煙。長時間運行，會導致輕合金的活塞、氣缸蓋出現局部熔化或燒損。

（2）早燃。氣缸內的可燃混合氣在火花塞點火前，已被燃燒室內的其他熾熱表面點燃。早燃是燃燒室內的積碳、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，火花塞處雖能產生跳火，但是不能形成一定容積的火焰核心和產生必要的熱量，致使火焰無法向外正常傳播，焰核于是很快熄滅。

（4）軟點火。可燃混合氣較稀薄時，缸內廢氣所占比重相對較大，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做功階段的壓力曲線只比純膨脹曲線稍高。

三、內燃機測試方法

盤車使發動機編號為1的動力缸處于精確的上止點位置，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，使其準確對應飛輪上所鉆的孔，進行觸發采樣。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的觸發參照基點。

對于火花塞點火的內燃機，在每缸的高壓導線外卡上互感鉗即可測量出點火電壓波形，可對100個做功循環進行點火統計分析，并可精確給出點火提前角的度數。但是，對于屏蔽掉的高壓導線無法獲取信號。

歐美國家生產的大型二沖程點燃式內燃機和四沖程壓燃式內燃機，在缸蓋外預留有測量壓力的孔，基本都安裝有標準的KIENE測壓閥。以飛輪上的孔和殼體上對應的傳感器進行觸發采樣，整周期采集各缸的壓力曲線，判斷各缸的燃燒狀況和功率。

對于四沖程點燃式內燃機，缸蓋上未預留測量缸內壓力的孔，但是也可借助缸蓋的振動和超聲波波形曲線判斷內燃機的燃燒狀況。雖沒有壓力曲線直觀和精確，其準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。現在，國外一些先進的發動機在缸壁上安裝了燃燒傳感器，用于測量每個缸的燃燒時間，據此調整稀薄燃燒的預燃室針閥的開度大小。

四、內燃機的燃燒故障特征與診斷

1.次級點火線圈損壞

圖1是驅動氣舉采油壓縮機的內燃機L7042GSI左排6個缸的次級點火電壓波形。該機12個缸V形排列，以天然氣為燃料，額定功率1547hp（1153.6kW），轉速1200r/min。圖中橫坐標是以上止點為基準點，僅截取點火前后時間段的波形，縱坐標是感應電壓幅值。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，電弧持續時間也明顯少于其他缸；振蕩波形消失。這說明線圈出現故障，點火信號缺失，不但浪費燃氣，也加重了其他缸的負荷。

圖1 次級點火電壓波形

圖2 DPC800動力缸內壓力曲線

圖3 DPC800動力缸內壓力曲線

2.點火提前角過遲

圖2是驅動原油伴生氣壓縮機的二沖程發動機DPC800動力缸40個做功循環的壓力曲線。該機為直列4缸，以天然氣為燃料，額定功率800hp（596.56kW），轉速400r/min。橫坐標是以上止點為基準點，曲軸旋轉一周做功一次的展開，即0～360°轉角，縱坐標是實測壓力的幅值。圖中在上止點后8°急燃期才開始。實測峰值壓力角度為28°，正常狀態應在 19°～21°。正常情況下，緊接上止點后壓力就應該急速上升。因點火提前角未調整好，急燃期開始時刻滯后，致使動力缸做功能力降低，燃燒時間延后，缸內潤滑條件變差，排氣溫度升高。

3.點火提前角過早

圖3是驅動原油伴生氣壓縮機的二沖程發動機DPC800動力缸40個做功循環的壓力曲線。圖中壓力曲線顯示在上止點前351°曲軸轉角時急燃期就已經開始，峰值壓力角度為11°，提早了約9°。燃燒分析報告顯示四個動力缸的情況基本一致，這表明點火提前角早了約9°。這導致活塞在到達上止點前就受到過大的活塞力，爆燃傾向增大，發動機帶負載能力降低。

4.火花塞故障

圖4是驅動原油伴生氣壓縮機的二沖程發動機DPC800動力缸空載試機時40個做功循環的壓力曲線。橫坐標是以上止點為基準點，從-180°～+180°曲軸轉角展開。由于火花塞故障，3#動力缸內的可燃混合氣未被點燃，發動機在其余3個動力缸帶動下運轉，缸內混合氣被壓縮后隨著活塞下移隨之膨脹，根本未做一點功。

5.爆燃

圖5是海上采油平臺8PA5LG柴油發電機缸內壓力曲線，該機直列8缸，額定功率 1550hp（1155.8kW），轉速1000r/min。天然氣和空氣混合后進入缸內，通過噴油器噴入少量柴油引燃混合氣燃燒做功。8個缸的壓力曲線指示各缸均嚴重爆燃，其原因是噴油時刻偏早，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天然氣內燃機11#缸頭連續10個做功循環的低頻振動曲線。該機16個缸V形排列，額定功率3531kW，轉速1000r/min。由于該機缸頭上未預留測量壓力的孔，無法測得缸內壓力。通過測量低頻振動曲線發現在上止點后出現簇狀的波形，正常狀態下，不應有此波形，這是嚴重爆燃的特征。

圖4 DPC800動力缸內壓力曲線

圖5 8PA5LG缸內壓力曲線

圖6 G3616天然氣內燃機缸頭低頻振動曲線

6.噴油過遲

圖7是海上采油平臺W16V32柴油發電機缸內壓力曲線，該機16缸V形排列，額定功率7180kW，轉速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燃燒。16個缸在上止點后7°急燃期才開始，表明噴油正時出現滯后，致使功率損失了14%。

7.軟點火

圖8是驅動原油伴生氣壓縮機的二沖程發動機DPC800動力缸40個做功循環的壓力曲線，其中5個循環失火、11個循環軟點火、其余循環雖然屬于正常范圍，但是壓力波動也偏大。主要原因有兩個方面：一是該缸燃氣閥開度較小，二是進氣閥片密封不嚴或空氣濾芯不暢使空氣進氣量不足，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天然氣內燃機右排4#缸頭超聲波曲線。該機16缸V形排列，額定功率 2650hp（1976.1kW），轉速900r/min。該機無法測量缸內壓力，通過測量每個缸的超聲波波形，發現右排4#缸連續10個做功循環中，對應排氣門開啟時刻，每隔一個循環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；其原因是缸內混合氣濃度過低。當上個做功循環未能點燃，缸內殘余新鮮燃氣加上本次進入缸內的混合氣，濃度稍高些能夠點燃，隨后循環的殘余燃燒廢氣和進入缸內的新鮮混合氣使濃度又偏低，仍無法點燃。這是導致間斷燃燒的原因。

圖7 W16V32柴油發電機缸內壓力曲線

圖8 DPC800動力缸內壓力曲線

圖9 16SGT天然氣內燃機缸頭超聲波曲線

五、結論

單純以常規振動測試技術難于對內燃機燃燒故障進行分析診斷，而采取整周期采集壓力、振動、超聲波等曲線，在時域上與吸氣、壓縮、燃燒膨脹、排氣事件對應分析判斷故障，經實踐證明是行之有效的方法。

壓力曲線是分析判斷內燃機燃燒故障的重要技術手段，當無法測量壓力曲線時，次級點火電壓波形、超聲波、振動曲線和溫度值也是診斷內燃機故障的替代手段，同時采集這些曲線，能夠對內燃機燃燒故障相互驗證，從而保證診斷的準確性和可靠性。