Die Hauptursachen für Kolbendurchbrennen im Cummins K38-Motor
Kolbenerosion ist ein häufiges Phänomen bei Dieselmotoren. Die meiste Erosion tritt an der Oberseite des Kolbens, an den ersten und zweiten Kolbenringnuten und am Umfang des Kolbenkopfes auf. Im Allgemeinen sind die Hauptformen das Schmelzloch, die Perforation und die keilförmige Kerbe und das wabenförmige Auge am Kopfumfang. Das Hauptfehlerphänomen ist die Zunahme des Abgases unter dem Motor und sogar das aus dem Entlüftungsloch austretende Öl.
Ein Durchbrennen des Kolbens führt zu einem anormalen Betrieb des Dieselmotors und führt direkt zu einem Abfall des Zylinderdrucks und der Leistung. Indirekt kann es zu einem Ziehen des Zylinders, einem Festhalten der Bremse und zu Schäden an Komponenten wie dem Turbolader und dem Zylinderkopf kommen.
Im Folgenden analysiert der Autor die Ursachen der Kolbenerosion im Cummins K38-Motor, basierend auf den Erfahrungen mit der Reparatur von Kolbenerosion im Cummins K38-Motor und relevanten technischen Informationen.
Die Kolbenerosion ist in Abbildung 1 dargestellt.
Übermäßiger Abgasgegendruck
Unter Abgasgegendruck versteht man den Widerstandsdruck des Motorauspuffs.
Der Abgasdruck des K38-Motors beträgt weniger als 0,09 kPa. Wenn der Schalldämpfer verstopft oder das Auspuffrohr unsachgemäß modifiziert ist, erhöht sich der Abgaswiderstand, was zu übermäßigem Abgasgegendruck führt.
Aufgrund des hohen Abgasgegendrucks des Motors kann das bei der Verbrennung des Gemischs im Zylinder entstehende Abgas nur schwer abgeführt werden und das Abgas kann nur zurückströmen. Im Zylinder staut sich relativ viel Wärme, was zu einer hohen Zylindertemperatur und letztendlich zum Durchbrennen des Kolbens führt.
Kolben von schlechter Qualität
Der Kolben bewegt sich unter harten Bedingungen mit hoher Temperatur, hohem Druck, hoher Geschwindigkeit und schlechter Schmierung geradlinig hin und her und steht in direktem Kontakt mit Hochtemperaturgas. Die momentane Temperatur kann über 2500 Grad erreichen, was eine starke Erhitzung und schlechte Wärmeableitungsbedingungen bedeutet. Daher ist die Temperatur des Kolbens während des Betriebs sehr hoch, wobei die Spitze 600-700 Grad erreicht, und die Temperaturverteilung ist sehr ungleichmäßig;
Die Oberseite des Kolbens ist einem großen Gasdruck ausgesetzt, insbesondere dem maximalen Druck während des Arbeitstakts, der bei Dieselmotoren 6-9 MPa erreichen kann. Dadurch erfährt der Kolben Stöße und ist seitlichem Druck ausgesetzt.
Der Kolben bewegt sich mit hoher Geschwindigkeit (8-12m/s) im Zylinder hin und her, und die Geschwindigkeit ändert sich ständig, wodurch eine große Trägheitskraft erzeugt wird, die den Kolben erheblich zusätzlich belastet.
Kolben, die unter derart harten Bedingungen arbeiten, verformen sich und verschleißen schneller. Darüber hinaus entstehen zusätzliche Belastungen und thermische Spannungen.
Wenn die Qualität des Kolbens nicht den Standards entspricht und beim Gießen Defekte wie Poren, Lockerheit, Mikrorisse und Schlackeneinschlüsse auftreten, führen diese Poren, Lockerheit und Mikrorisse bei hohen Temperaturen und hohem Druck zu Ermüdungsschäden. Die Schlackeneinschlüsse im Kolben schmelzen zuerst, wodurch der Kolben schmilzt und es zu einem Erosionsversagen des Kolbens kommt.
Brennender schwarzer Rauch und starke Kohlenstoffablagerungen am Kolben
Die Entstehung von Kohlenstoffablagerungen ist recht komplex und hängt eng mit der Motorstruktur, der Art des verwendeten Kraftstoffs und Schmieröls sowie den Arbeitsbedingungen und Betriebsbedingungen des Motors zusammen.
In der Brennkammer ist die Sauerstoffzufuhr unzureichend und der in die Brennkammer eintretende Kraftstoff und das Schmieröl können nicht vollständig verbrannt werden, was zu Ölrauch und Teerpartikeln führt. Nach dem Mischen mit dem Schmieröl oxidieren sie weiter zu einem viskosen Gel wie flüssige Hydroxysäure, das weiter zu einem halbflüssigen Harz wie Harz oxidiert, das fest an den Teilen haftet. Dann polymerisiert das Harz unter der kontinuierlichen Einwirkung hoher Temperaturen zu einem komplexeren Polymer und bildet einen harten zementierten Kohlenstoff, d. h. Kohlenstoffablagerung.
Zu den Bestandteilen von Kohlenstoffablagerungen zählen Schmieröl, Hydroxysäuren, Asphalt, Ölkoks, Rußblau, Sulfate, Siliziumverbindungen (aus Asche und Sand in der Ansaugung) sowie Spuren von Metallspänen und deren Verbindungen.
Je höher die Motortemperatur, desto härter und fester bilden sich Kohlenstoffablagerungen und desto stärker ist die Haftung mit dem Metall.
Die Kohlenstoffablagerungen in der Kolbenringnut können dazu führen, dass der Kolbenring seine Elastizität verliert und stecken bleibt, was zu einer Verringerung der Dichtleistung des Kolbenrings und zum Verbrennen des Öls führt und somit die Entstehung von Kohlenstoffablagerungen verschlimmert.
Kohlenstoffablagerungen an den Einlass- und Auslassventilen können dazu führen, dass die Ventile nicht mehr dicht schließen. Darüber hinaus können bei hohen Temperaturen an den Ventilen haftende Kohlenstoffpartikel zu einer Erosion der Ventile und Ventilsitze führen und so die Ventilleckage verschlimmern.
Ventilleckagen führen dazu, dass heißes Gas Ventil und Ventilsitz wegspült, was wiederum dazu führt, dass Ventil und Ventilsitz verbrennen und undicht werden, was letztlich zu einem Abfall des Zylinderdrucks führt. Die große Menge an Verbrennungsrauch fördert die Bildung von Kohlenstoffablagerungen im Kolben.
Die Kohlenstoffablagerung auf dem Kolben schwächt dessen Wärmeableitungseffekt und erhöht die Temperatur. Wenn die Temperatur die thermische Belastbarkeitsgrenze des Kolbens überschreitet, führt dies zu Kolbenerosion.
Kohlenstoffablagerungen auf dem Kolben sind in Abbildung 2 dargestellt
Die Hauptgründe für die große Menge an schwarzem Rauch und die starke Kohlenstoffablagerung bei der Motorverbrennung sind:
Wenn die Einlass- und Auslassventile nicht fest geschlossen sind, führt das brennbare Gemisch mit hoher Temperatur und hohem Druck dazu, dass die Arbeitsflächen von Ventil und Ventilsitz erodiert werden, was zu Lochfraß, Kohlenstoffablagerung und Erosion auf beiden Arbeitsflächen führt. Lochfraß, Kohlenstoffablagerung und Erosion beschleunigen das lockere Schließen der Einlass- und Auslassventile und bilden einen Teufelskreis.
Lockerer Ventilschluss, verringerter Zylinderdruck, schlechte Verbrennung, übermäßige Kohlenstoffablagerung im Zylinder, was zu einer Verringerung der Motorleistung und der Wirtschaftlichkeit führt.
Pumpe-Düse-Fehlanpassung, übermäßige Kraftstoffeinspritzung
Es gibt zwei Modelle für den K38-Motor, CPL844 und CPL1628. Es gibt Unterschiede bei den Kraftstoffpumpen und Einspritzdüsen der beiden Kontrollnummern CPL1628 und CPL844. Unter ihnen werden die Kraftstoffpumpe BA94 und die Einspritzdüse 3077760 verwendet, um mit CPL1628 übereinzustimmen, während die Kraftstoffpumpe B844 und die Einspritzdüse 3058802 oder 3076132 verwendet werden, um mit CPL844 übereinzustimmen.
Im Vergleich zur B844-Pumpe hat die BA94-Pumpe einen höheren Kraftstoffverbrauch, und der Injektor 3058802 oder 3076132 hat einen höheren Kraftstoffverbrauch im Vergleich zum Injektor 3077760.
Um die strengen Emissionsanforderungen zu erfüllen, wurde für Cummins Engines ein neuartiges, hydraulisch gesteuertes System zur variablen Steuerung des Einspritzzeitpunkts namens STC (Step Timing Control) entwickelt.
Das STC-System unterteilt den Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung in zwei Teile: die mechanische Steuerung (gesteuert durch Steuerzahnrad und Nockenwelle), auch als „normaler Steuerungsmodus“ bezeichnet, und die mechanische hydraulische Steuerung (gesteuert durch den Kraftstoffdruck des Motors, auch als „Einspritzvorverstellungsmodus“ bezeichnet).
Unter Start- und Leichtlastbedingungen wird die „Methode der vorzeitigen Einspritzung“ angewendet, um den Kraftstoff früher im Kompressionszyklus einzuspritzen.
Bei mittlerer und hoher Last wird der „normale Timing-Modus“ verwendet und der Kraftstoff später im Kompressionszyklus eingespritzt.
Das STC-Ventil fungiert als Wegeventil, wobei der Kraftstoffdruck dem Steueröldruck entspricht. Der Öffnungsdruck des STC-Ventils beträgt 27 Psi und der Schließdruck 65 Psi.
Wenn das STC-Ventil nicht richtig funktioniert, ändert sich der Einspritzzeitpunkt des Motors, die Kraftstoffverbrennung verläuft nicht gut, die Nachverbrennungszeit verlängert sich, es bilden sich große Mengen Kohlenstoffablagerungen im Zylinder, die Wärmeableitung des Kolbens ist schlecht und ein langfristiger Betrieb führt zu endgültiger Kolbenerosion, Zylinderkopfexplosion und anderen Fehlern.
Schlechte Kühlung verursacht hohe Temperaturen
Die normale Betriebstemperatur des Motors liegt zwischen 82 und 93 Grad. Wenn nicht genügend Kühlmittel oder anderes Öl eingemischt ist, der Kühler verstopft ist oder der Lüfter nicht richtig funktioniert, führt dies dazu, dass die Temperatur im Motorzylinder zu hoch ist.
Darüber hinaus werden Motorkolben und Zylinderlaufbuchsen vor allem durch das aus der Ölkühldüse ausgespritzte Öl mitgerissen.
Wenn die Kühldüse Verformungen oder Sandlöcher aufweist, die Einspritzposition falsch ist oder der Öldruck zu niedrig ist, führt dies zu einer Verringerung der eingespritzten Ölmenge, was wiederum unmittelbar zu hohen Temperaturen des Kolbens und der Zylinderlaufbuchse führt.