Nguyên nhân chính gây cháy piston ở động cơ Cummins K38
Xói mòn piston là hiện tượng phổ biến trong sử dụng động cơ diesel, hầu hết hiện tượng xói mòn xảy ra ở đỉnh piston, rãnh vòng piston thứ nhất và thứ hai, cũng như chu vi của đầu piston. Nói chung, các dạng chính là lỗ nóng chảy trên bề mặt đỉnh piston, lỗ thủng, rãnh hình rãnh then và mắt tổ ong ở chu vi đầu. Hiện tượng lỗi chính là lượng khí thải dưới động cơ tăng lên, thậm chí dầu tràn ra ngoài lỗ thở.
Sự cháy của piston sẽ khiến động cơ diesel hoạt động không bình thường, trực tiếp dẫn đến giảm áp suất và công suất xi lanh, gián tiếp gây ra tình trạng kéo xi lanh, giữ phanh và hư hỏng các bộ phận như bộ tăng áp và đầu xi lanh.
Dưới đây, dựa trên kinh nghiệm sửa chữa hiện tượng ăn mòn piston trên động cơ Cummins K38 và các thông tin kỹ thuật liên quan, tác giả phân tích nguyên nhân gây mòn piston trên động cơ Cummins K38.
Sự ăn mòn piston được thể hiện trong Hình 1.
Áp suất ngược khí thải quá mức
Áp suất ngược của khí thải đề cập đến áp suất cản của khí thải động cơ.
Áp suất khí thải của động cơ K38 nhỏ hơn 0,09kPa. Nếu bộ giảm thanh bị tắc hoặc ống xả được sửa đổi không đúng cách, nó sẽ làm tăng lực cản của khí thải, dẫn đến áp suất ngược của khí thải quá mức.
Do áp suất ngược khí thải của động cơ cao nên khí thải sinh ra do quá trình đốt cháy hỗn hợp trong xi lanh khó xả ra và khí thải chỉ có thể chảy ngược lại. Nhiệt tích tụ tương đối trong xi lanh, dẫn đến nhiệt độ xi lanh cao và cuối cùng gây cháy piston.
Piston kém chất lượng
Piston di chuyển qua lại theo đường thẳng trong điều kiện khắc nghiệt nhiệt độ cao, áp suất cao, tốc độ cao và bôi trơn kém, tiếp xúc trực tiếp với khí nhiệt độ cao. Nhiệt độ tức thời có thể đạt tới trên 2500 độ, rất nóng và có điều kiện tản nhiệt kém. Do đó, nhiệt độ của piston trong quá trình vận hành rất cao, đỉnh đạt tới 600-700 độ và sự phân bổ nhiệt độ rất không đồng đều;
Đỉnh pít-tông chịu một lượng lớn áp suất khí, đặc biệt là áp suất tối đa trong hành trình công suất, có thể đạt tới 6-9 MPa ở động cơ diesel. Điều này làm cho piston chịu va đập và chịu tác dụng của áp suất ngang;
Pít-tông chuyển động tới lui trong xi-lanh với tốc độ cao (8-12m/s) và tốc độ đó liên tục thay đổi, tạo ra lực quán tính lớn, đặt một tải trọng bổ sung đáng kể lên pít-tông.
Pít-tông làm việc trong điều kiện khắc nghiệt như vậy sẽ bị biến dạng và tăng tốc độ mài mòn, cũng như tạo thêm tải trọng và ứng suất nhiệt.
Nếu chất lượng của piston không đạt tiêu chuẩn và có các khuyết tật như lỗ chân lông, độ lỏng, vết nứt nhỏ và cặn xỉ trong quá trình đúc, thì những lỗ rỗng, độ lỏng và vết nứt nhỏ này sẽ gây ra hư hỏng do mỏi dưới nhiệt độ và áp suất cao; Xỉ bám vào piston trước tiên sẽ tan chảy, làm cho piston nóng chảy và dẫn đến hiện tượng ăn mòn piston.
Đốt khói đen và tích tụ carbon nghiêm trọng trên piston
Việc tạo ra cặn carbon khá phức tạp và liên quan chặt chẽ đến kết cấu động cơ, loại nhiên liệu và dầu bôi trơn được sử dụng cũng như điều kiện làm việc và điều kiện làm việc của động cơ.
Trong buồng đốt, nguồn cung cấp oxy không đủ, nhiên liệu và dầu bôi trơn đi vào buồng đốt không thể đốt cháy hoàn toàn, dẫn đến khói dầu và các hạt nhựa đường. Sau khi trộn với dầu bôi trơn, chúng tiếp tục oxy hóa thành một loại gel nhớt như axit hydroxy lỏng, chất này tiếp tục oxy hóa thành nhựa bán lỏng như nhựa, bám dính chắc chắn vào các bộ phận. Sau đó, dưới tác động liên tục của nhiệt độ cao, nhựa trùng hợp thành một loại polyme phức tạp hơn, tạo thành cacbon xi măng cứng, nghĩa là lắng đọng cacbon.
Các thành phần của cặn cacbon bao gồm dầu bôi trơn, axit hydroxy, nhựa đường, cốc dầu, xanh cacbon, sunfat, hợp chất silicon (từ tro và cát trong cửa nạp), và một lượng nhỏ mảnh vụn kim loại và các hợp chất của chúng.
Nhiệt độ động cơ càng cao, cặn carbon hình thành càng cứng và chặt hơn, độ bám dính với kim loại càng mạnh.
Cặn cacbon tích tụ trong rãnh vòng piston có thể làm cho vòng piston mất tính đàn hồi và bị kẹt, dẫn đến giảm hiệu suất bịt kín của vòng piston và gây cháy dầu, do đó làm trầm trọng thêm việc tạo ra cặn carbon.
Cặn cacbon bám trên van nạp và van xả có thể khiến van không đóng chặt, đồng thời cặn cacbon dạng hạt ở nhiệt độ cao bám vào van cũng có thể gây xói mòn van và bệ van, làm trầm trọng thêm tình trạng rò rỉ van.
Rò rỉ van khiến khí ở nhiệt độ cao cuốn trôi van và đế van, hơn nữa khiến van và đế van bị cháy và rò rỉ, cuối cùng dẫn đến giảm áp suất xi lanh. Lượng khói đốt lớn thúc đẩy việc tạo ra cặn carbon trong piston.
Sự lắng đọng carbon trên piston làm suy yếu tác dụng tản nhiệt của nó và làm tăng nhiệt độ. Khi nhiệt độ vượt quá giới hạn chịu nhiệt của piston sẽ gây ra hiện tượng ăn mòn piston.
Cặn cacbon trên piston được thể hiện trên Hình 2
Những nguyên nhân chính dẫn đến lượng khói đen lớn và tích tụ carbon nghiêm trọng trong quá trình đốt cháy động cơ là:
Nếu van nạp và van xả không được đóng chặt sẽ khiến hỗn hợp dễ cháy ở nhiệt độ cao và áp suất cao ăn mòn bề mặt làm việc của van và bệ van, gây rỗ, tích tụ cacbon và xói mòn trên cả hai bề mặt làm việc. Rỗ, tích tụ carbon và xói mòn sẽ đẩy nhanh quá trình đóng lỏng lẻo của van nạp và van xả, tạo thành một vòng luẩn quẩn.
Van đóng bị lỏng, áp suất xi lanh giảm, quá trình cháy kém, cacbon tích tụ quá nhiều trong xi lanh dẫn đến công suất động cơ giảm và tính kinh tế.
Vòi bơm không khớp, phun nhiên liệu quá mức
Có hai mẫu trên động cơ K38 là CPL844 và CPL1628. Có sự khác biệt về bơm nhiên liệu và kim phun của hai số điều khiển CPL1628 và CPL844. Trong số đó, bơm nhiên liệu BA94 và kim phun 3077760 được sử dụng để phù hợp với CPL1628, trong khi bơm nhiên liệu B844 và kim phun 3058802 hoặc 3076132 được sử dụng để phù hợp với CPL844.
So với bơm B844, bơm BA94 có mức tiêu thụ nhiên liệu cao hơn và kim phun 3058802 hoặc 3076132 có mức tiêu thụ nhiên liệu cao hơn so với kim phun 3077760.
Để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về khí thải, động cơ Cummins đã phát triển một loại hệ thống điều khiển thời điểm phun nhiên liệu biến thiên dẫn động bằng thủy lực mới có tên là STC (Kiểm soát thời gian theo từng bước).
Hệ thống STC chia thời điểm phun nhiên liệu của động cơ thành hai phần: thời điểm phun cơ khí (được điều khiển bởi bánh răng định thời và trục cam), còn gọi là “chế độ định thời thông thường” và thời điểm phun thủy lực cơ học (được điều khiển bởi áp suất nhiên liệu của động cơ, còn được gọi là "Chế độ định thời gian phun sớm nhiên liệu").
Trong điều kiện khởi động và tải nhẹ, "phương pháp định giờ phun nhiên liệu sớm" được áp dụng để phun nhiên liệu sớm hơn trong chu kỳ nén;
Trong điều kiện tải trung bình và tải nặng, "chế độ định giờ bình thường" được áp dụng và nhiên liệu được phun muộn hơn trong chu kỳ nén.
Van STC hoạt động như một van điều khiển hướng, với áp suất nhiên liệu tương đương với áp suất dầu trục điều khiển. Áp suất mở của van STC là 27 Psi và áp suất đóng là 65 Psi.
Nếu van STC hoạt động không bình thường, thời điểm phun của động cơ sẽ thay đổi, quá trình đốt cháy nhiên liệu không tốt, thời gian sau cháy kéo dài, trong xi lanh sinh ra một lượng lớn cặn cacbon, quá trình tản nhiệt của piston sẽ xảy ra. kém và hoạt động lâu dài sẽ dẫn đến xói mòn piston cuối cùng, nổ đầu xi lanh và các lỗi khác.
Làm mát kém gây ra nhiệt độ cao
Nhiệt độ hoạt động bình thường của động cơ là từ 82 ~ 93 độ. Nếu không trộn đủ chất làm mát hoặc dầu khác, bộ tản nhiệt bị tắc hoặc quạt không hoạt động bình thường sẽ khiến nhiệt độ xi lanh động cơ tăng quá cao.
Ngoài ra, piston động cơ và ống lót xi lanh chủ yếu bị cuốn đi do dầu phun ra từ vòi làm mát dầu.
Nếu đầu phun làm mát bị biến dạng, có lỗ cát, vị trí phun không chính xác hoặc áp suất dầu thấp sẽ làm giảm lượng dầu phun vào, trực tiếp dẫn đến nhiệt độ cao của piston và ống lót xi lanh.