卡特彼勒G3520C型发动机缸爆震的研究

罗继晶

（中煤昔阳能源有限公司瓦斯发电厂，山西 晋中 045300）

瓦斯作为煤矿开采过程中的必然产物，将其有效利用，不仅可以节约能源，减少污染，还可以带来明显的经济效益。就目前实际情况看，瓦斯发电是最为理想的利用途径，已然成为煤矿瓦斯利用的主要方式。而在瓦斯发电的机组选型中，往复式内燃发电机组是最佳选择。它具有投资少、见效快、燃料成本低、安装灵活、对瓦斯浓度适应范围广等优点。因此，一些能有效提高往复式内燃发电机组运行可靠性的方法，在瓦斯发电行业内具有很大的推广应用价值，对提高煤层气利用效率具有实际意义。某瓦斯发电厂安装美国卡特彼勒G3520C型燃气内燃发电机组一共13台，各台机组的累计运行时间均已达50 000 h。在其运行期间，总体运行比较平稳，但发动机缸爆震跳机故障出现多，在所有故障跳机中缸爆震跳机占的比例最高，尤其是投产初期，频繁的缸爆震跳机给生产运行带来不小的不利影响，也直接影响着全厂的经济效益。随着运行管理经验的积累，通过对大量缸爆震跳机实例的分析和研究，总结了缸爆震最常见的原因，并制定了预防处理措施，为机组的安全、稳定运行提供了方案。

1 G3520C型发动机爆震的原因

G3520C型发动机的点火控制和爆震检测由电子控制模块（ECM）来完成。运行过程中，ECM根据发动机的正时信号发出点火信号，发动机爆震多发生于这个时刻前。当发动机的某个缸在其压缩冲程中活塞还未运行至设定的点火位置（火花塞还未点火），燃气即发生压燃现象，这就是所谓的爆燃。爆燃发生时，由于其产生的作用力与活塞的运动方向相反，就会造成该缸不正常的震动，这就是所谓的爆震。

2 缸爆震对发动机的危害

我们从爆震产生的原理中就可以知道，发生爆震肯定会对发动机的零部件产生危害。机组在正常运行中不可避免地会产生轻微的爆震，轻微的爆震通常可以通过延后该气缸点火角度而消除，这样的轻微爆震会加重缸筒、活塞的磨损。气缸内突发的严重爆震可能会破坏活塞、造成拉扛，强烈的爆震所产生的冲击力还可能会造成曲轴、连杆机构损坏，对发动机造成致命损伤。如果爆震监测失效，连续的强烈爆震，最坏的情况能直接把发动机缸体炸开。需要强调的是，发动机曲轴上的连杆瓦或主轴瓦出现抱瓦故障时也会缸爆震跳机，所以，发动机缸爆震跳机后必须进行详细检查。

3 G3520C型发动机爆震的监测

为防止过大的缸爆震直接造成发动机损坏，尽量减少其对发动机的不利影响，G3520C型发动机在两个相邻缸中间安装有缸爆震传感器。缸爆震传感器监测机械振动，这种传感器产生电压信号，电压与发动机爆震的程度成正比。这些信息由ECM处理，以便确定爆震等级。主ECM监测左侧爆震传感器的数据，副ECM监测右侧爆震传感器的数据，并将数据传输给主ECM。如果发生爆震，ECM将延迟该气缸的点火角度，最大可达6°，如果气缸推迟点火角度持续5 s，这个气缸继续爆震，ECM将命令停机，就会发生上述所说的缸爆震跳机。缸爆震跳机后运行人员可以使用卡特彼勒电子技师（ET）连接该机组，ET会显示出具体缸号和气缸爆震等级，以便检修人员有针对性地进行检查和处理。

4 引起发动机出现爆震的原因

4.1 发动机过负荷或负荷波动

发动机过负荷时，会使发动机各缸的缸爆震水平加剧，严重时可导致跳机，正常运行过程中应当将机组负荷控制在额定功率以内，且统计分析机组在额定值以下一定负荷区间内爆震跳机的概率。在具备条件的情况下，选择在兼顾机组发电量和稳定性的最佳区间内运行，使机组整体效益达到最优。机组负荷波动时，在发动机功率控制系统和空燃比控制系统的作用下，发动机的计量阀、节气阀、旁通阀都在做快速开关调整。另外，涡轮增压器存在机械惯性，压力、流量监测存在一定的滞后性，这会造成机组在负荷波动过程中进入气缸的混合气量和浓度控制都不理想，引发发动机缸爆震。

机组负荷波动时，发动机曲轴的旋转力矩在不断变化，造成在不同冲程的各气缸活塞、缸筒、连杆也承受不稳定的力，因此，产生一定的机械振动。此振动也有可能被爆震传感器采集至ECM，被判定为缸爆震。机组负荷波动的原因一般有电气扰动、旁通阀波动、计量阀波动、节气阀波动、压缩机出口压力波动、进气支管压力波动、功率模块异常、气缸点火不正常、转速传感器异常、油压开关异常。

4.2 积碳严重

发动机燃烧室内积碳严重是造成缸爆震最常见的原因，积碳不仅会使燃烧室容积变小，压缩比增大（产生高压），而且积碳的蓄热作用会使其表面产生高温热点，进而造成发动机爆震。瓦斯发动机的积碳是瓦斯气、空气中的杂质和发动机润滑油在气缸内燃烧形成的焦状物质，在高温作用下转而形成积碳。积碳容易吸附机油，导致积碳一层一层越积越厚。积碳还会加重缸筒、活塞环的磨损，造成缸内刮油不净，机油参与燃烧形成积碳，造成恶性循环，使缸爆震加剧，严重时还会造成气门烧口或者敲缸。

预防积碳的形成，要做好以下几方面工作：①选择性能好的燃机润滑机油，并做好定期化验工作，加强油质管理，这是预防积碳最主要的方法。②做好机组油耗计算，油耗的高低是机组缸内积碳情况的晴雨表，只计算全厂总油耗而不计算单台机组油耗的方法是不可取的。各台机组因大修后运行时间不同，以及受到很多其他因素的影响，油耗会存在很大差异，对于油耗过高的机组，清理缸盖积碳可以缓解爆震。③更换新缸筒、活塞的机组要规定磨合期间的负荷曲线。启动后加载必须缓慢，低负荷运行一定时间，使新部件充分磨合。④保持油位合适，油位过高也易形成积碳。⑤某气缸爆震频繁，用内窥镜检查发现缸内积碳严重时，要清理缸盖积碳，防止后期产生严重的恶性循环。⑥及时更换空滤、燃滤及预处理滤芯，保证燃气、空气清洁。

4.3 火花塞或高压包存在问题

火花塞或高压包工作不正常也会造成气缸爆震。运行中要统计各气缸的火花塞运行时间，监视火花塞次级电压。以此为依据有计划地更换火花塞，防止运行中火花塞故障。缸爆震跳机时如果报出该缸点火变压器电压异常，可确定为高压包故障引起。

4.4 机械原因造成的爆震

缸盖的气门间隙调整不当、挺杆、挺柱等机械部件存在问题也会造成气缸爆震。如果气缸内无严重积碳、火花塞正常，就要检查缸盖的气门间隙、挺杆、挺柱、凸轮轴、活塞销、连杆、连杆瓦等机械部件。运行中用听针监听各部位的声音，也是判断机械部件异常的有效方法。

4.5 进气温度过高

夏季高温天气时，燃机车间内环境温度高，预处理系统的制冷效果差，空冷散热器的散热能力不足，中冷器冷却不良。种种原因将会造成机组进气温度高，引起缸爆震。每年入夏前应详细排查以上问题，全面消除缺陷，保证系统在夏季运行期间可靠出力，保证机组进气温度在合适范围内。

4.6 空燃比不良

空燃比不良多出现在煤矿瓦斯浓度变化时，以及瓦斯气体组分发生变化时。运行过程中应保证瓦斯来气系统的浓度能迅速、准确地采集至主控室。运行人员平常要加强浓度数据监视，加强与供气单位的联系沟通，打好浓度变化的提前量。浓度变化时及时调整输入机组的燃料热值、排放增益及气体比例等数值，跟踪控制修正系数，必要时提前降低机组负荷，可有效预防空燃比不良造成的缸爆震。

4.7 进气压力波动

进气压力波动造成的缸爆震，多发生于瓦斯供气系统有扰动时。预处理系统的PID调节能力是保证预处理系统压力稳定的关键。预处理系统PID调试期间必须考虑瓦斯浓度高低、机组运行台数、负荷高低、预处理出口压力设定值高低、预处理系统的运行方式等影响因素，在各种工况下调试，并验证出机组跳机等扰动时的调节能力，保证预处理PID调节在实际运行中达到最优。另外，预处理罗茨风机必须定期维修，保证良好的性能才能为PID调节创造条件，也能降低耗电。调整各台机组进气支管的稳压阀弹簧，使其在合理区间内可靠工作，减少瓦斯供气母管压力波动对各机组支管进气压力的影响。

4.8 缸爆震传感器及线束问题

缸爆震传感器及线束问题会造成误报缸爆震跳机。如果气缸其他方面情况良好，而报出缸爆震，就要更换缸爆震传感器及其线束。缸爆震传感器的问题多为丝扣松动或本身损坏，线束的问题多为高温老化或磨损造成绝缘不良或者接头接触不良。机组保养时应定期检查线束，做好防护措施。

4.9 缸盖漏冷却液

如果缸盖故障冷却液泄漏进燃烧室，乙二醇在高温环境下燃烧会导致该缸爆震。此种情况下要监控该缸的排气温度，通常情况下冷却液泄漏的气缸排气温度会有异常升高现象，然后就要停机检査缸盖是否有冷却液泄漏的痕迹。

5 结束语

笔者根据实际运营管理经验，对卡特彼勒G3520C型瓦斯发动机发生缸爆震的原因进行了总结，通过本文总结的各种防治措施，能有效预防或处理发动机缸爆震，保障发动机的安全、稳定运行。