柴油发动机常见故障诊断及维修技术研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪 335424)



柴油发动机常见故障诊断及维修技术研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西贵溪 335424)

在研究柴油发动机设计原理的前提下，分析其常见故障现象及影响主因，从实用角度出发，针对其常见故障诊断及维修技术进行深入的研究，找到发动机常见故障部位和原因，提出有效的预防措施，可避免重大人身设备事故的发生，减少不必要的损失，具有一定的推广应用价值。

柴油发动机；故障率；诊断维修技术

0 引言

柴油发动机是机械设备的“心脏”。随着现代工业化水平的迅猛发展，作为一种往复动力机械，柴油机热效率最高、功率最大、能量利用率最高、燃油经济性最好，故应用极其广泛。它在节能与CO2排放方面的优势，特别是车用动力方面的优势最明显，包括汽油机在内的所有热力发动机皆难以企及，如先进的小型高速柴油发动机已成为“绿色发动机”。随着柴油发动机结构设计日趋复杂，零件多，工作条件、环境状况不同，工况恶劣且频繁变化，导致运行中故障率高、检测诊断不便且难排除，易发生机械故障，轻则造成基础件损坏，重则导致重大机械事故，维修成本高，停机损失大。

柴油机故障诊断维修技术是集机电、计算机、信号处理、经济学等多门学科于一体的交叉学科。它研究的是机器运行状态的变化在诊断信息中的反映，研究的内容包括机器运行现状的识别诊断和对其运行过程的检测，可根据其运行状态异常或故障的早期征兆，迅速做出正确判断，果断采取措施，消除故障隐患；对已发生故障，应掌握故障过程的完整数据和信息，以便事后诊断和剖析故障原因，缩短维修时间和费用，提高设备利用率，避免同类故障的再次发生，对确保设备处于最佳运行状态、提高设备检修质量和效益意义重大。

1 柴油机设计原理

柴油发动机也称狄塞尔引擎，属于压缩点火式发动机，热效率达55%左右。它利用柴油在气缸内部燃烧产生的高温、高压燃气在气缸中膨胀做功，使热能转换为机械能，其工作过程与汽油发动机类似，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气4大行程。按用途不同，它可划分为汽车、机车、农机、船用、发电、工程机械、矿山机械等用途的柴油机等。其主要由机体组、曲柄连杆机构、配气机构、进排气系统、润滑系统、冷却系统及其他辅助系统等部分组成[1]。为在性能和排放限值方面取得较好成效，满足欧Ⅲ排放限值法规的要求，国外柴油机采用共轨新技术、四气门技术、高压喷射和电喷技术、涡轮增压中冷技术、排气再循环技术EGR及后处理技术，柴油机最大技术“瓶颈”烟度和噪声取得重大突破，达到汽油机水平，且正朝着大型化、复杂化、重载化、高速化、自动化及大功率等方向发展，其运行状态的好坏直接影响成套设备的工作状态。

柴油机燃烧室设计种类繁多且十分考究，目前按燃烧室形式可分为直喷式和分隔式，设计变形达上百种。除了轿车使用直喷式柴油机较少外，其他用途的柴油机已基本直喷化，并成为柴油机的发展趋势，它是最简单实用的节能途径，燃油消耗比涡流式降低5%～15%，如直喷式农用卡车占据80%以上，世界上最先进的德国奔驰MTU2000/4000系列、美国康明斯QSK50/60型发动机等。直喷式可分为开式即浅坑型、ω形(空间燃烧)等和半开式即球型(油膜燃烧)、U型(复合型)等；分隔式分为涡流式和预燃式。而现代燃烧室则根据结构对涡流的影响，分为强流反射式RGB和阻尼式(花瓣式SH或多角式)，与花瓣形接近的四角形、八角形、六花瓣形。随着社会对烟气排放的环保要求越来越苛刻，四角型、梅花型、缩口ω型、RGB型等新型直喷燃烧室应运而生；但最具代表意义的为深坑型(ω为代表)、花瓣型、中凸缩口型(RGB为代表)。花瓣型柴油机沿燃烧室四周设计成4个花瓣，燃烧较四角方型更柔和，更有利于空气形成涡流，使喷油器喷出的柴油雾能与空气良好混合，如玉柴6105QC型柴油机，RGB燃烧室的匹配性能和综合指标良好，它代表了直喷式的最新成就，极有发展前途，而梅花型则不适合低速大扭矩的拖拉机用途[2]。

球型燃烧室又称为曼(MAN)燃烧室，其活塞顶上凹坑设计呈大半个球形。为使空气涡流强烈，气缸盖上设有螺旋形进气道，生产工艺繁杂，对铸件形状、尺寸要求严格，如150、90系列柴油机，其对柴油适应性强，工作柔和，噪声小，较省油，但加速、冷起动性能较差。ω形燃烧室活塞顶上凹坑设计呈ω型，主要用于要求不高的船用、农用柴油机，如国产135系列柴油机、日本五十铃等。其设计结构简单、易起动、热损耗小、较省油，但要求供油装置精度高，工作较粗暴，若柴油中含杂质，易堵塞喷孔，影响发动机正常工作。U形燃烧室介于球型、ω型之间，活塞顶上凹坑设计呈U型，如国产120、105系列柴油机；发动机高转速时，进气涡流较强，柴油喷入后大多被甩至内壁上形成油膜，具有球形燃烧室工作柔和、较省油等优点；发动机启动或低转速时，进气涡流较弱，柴油喷入后在坑中蒸发、燃烧，具有ω形燃烧室易起动、低速性能好等优点，但因其对供油规律性、气道流动性太敏感，在高速柴油发动机或强化机型上应用极少。

分隔式燃烧室设有主、副燃烧室(涡流室或预燃室)。缸盖底平面与活塞顶之间形成主燃烧室，涡流室设在气缸盖上，设计呈球形或钟罩形，约占总压缩容积的70%，主、副燃烧室由一至几个孔道连接。压缩行程终了，涡流室内的气流强烈，喷入部分柴油先燃烧，使温度和压力陡升，迫使未然油气一并冲入主燃烧室，产生第二次涡流，与该处空气充分混合燃烧。涡流室对工艺材料要求不高、喷射压力低，可使用大孔径轴斜式喷油器，如新195系列、4115T、4125A型柴油机等。涡流室可促进形成混合气，燃烧较完全，工作性能较稳定、柔和，排放有害气体少，使小型发动机拥有更高的转速和转矩，故在国内农业机械和汽车上应用极广。

预燃室呈圆筒型且采用耐热钢制作，设于气缸盖内，约占燃烧室容积的30%～40%，底部设有小通道与主燃烧室相连，如4146型柴油机。喷油器将柴油喷至燃烧室喉口，迎着压缩行程冲入的气流，对柴油雾化和燃烧极为有利。部分柴油先被压燃，使预燃室压力骤升，与未然油气一起冲入主燃烧室继续燃烧。它对转速与负荷变化的适应性强，工作较柔和、平稳，但起动性能差、热效率低、油耗大，适用于中小型功率柴油发动机[3]。

2 常见故障现象及影响主因分析

柴油发动机故障种类繁多且千奇百怪、变幻莫测，且常伴有多种异常现象，如温度异常，机油、冷却水、排气等温度过高，轴承过热等；外观异常，如排黑烟、白烟、蓝烟及不排烟等，看烟色的轻重有无断续感，各系统漏油、漏水、漏气等；运转异常，如柴油机起动困难，工作时功率不足、转速不稳定、强烈振动等；压力异常，如机油、冷却水及燃油压力过低，压缩压力下降等；声音异常，如异常的排气声、敲击声、碰撞声、放炮声、吹嘘声及周期性的摩擦声；气味异常，如散发出难闻的焦臭味或烟味[4]。

柴油机故障影响主因通常有：违规操作，操作习惯错误，或各部件装配与调整不当，破坏其正常工作条件，造成零部件损坏；零部件加工不良，不符合设计要求，装配未经严格检查错装上机，工作过程中无法承受工作负荷作用，导致零部件损坏；维修保养不及时、不正确、不到位，排查、清洗工作有死角，零件易污堵、积炭、严重磨损或失效等，破坏其正常工作条件，引发故障。

3 常见故障诊断及维修技术研究

柴油机状态监测和故障诊断技术手段和方法众多，应遵循“由外后内、由表及里、由简至繁、按系分段”原则，采用直观诊断、润滑油液分析、振动噪声或热力性能参数监测、基于神经网络或专家系统的智能化诊断方法等，对疑难故障则采用部分停止法、比较法、试探法、异响判别法等进行综合分析，以便及时准确地找出故障部位。

3.1 柴油机功率不足

(1)进排气系统故障。气缸漏气时，使压缩压力变低，应修检或更换排气门、气缸垫、活塞环等密封件；空气滤清器污堵时，需清洗或更换新备件；增压器污堵或配合不当导致进气压力变低时，需清理或修检增压器；配气定时不准时，要重新调试；进、排气道污堵时，应及时清洗及疏通。

(2)燃油供给系统故障。喷油器堵塞造成雾化不良时，应清洗或更换喷油器；喷油泵偶件磨损严重时，需更换新的备件，再进行调试；喷油泵定位铅封遭到破坏，导致加油量不足时，必须重新进行调试、铅封，加足油；供油定时不对时，应重新校正供油定时；燃油滤清器污堵时，需清洗滤清器；燃油管路受阻、油管漏气时，应疏通油路、检修管路；燃油品质较差或油中含水时，需更换合格燃油或排除油箱中的水。

(3)冷却系统故障。增压器空气阻力太大时，冷却不足，应清洗中冷器，且排查中冷水泵是否故障。

3.2 起动困难或无法起动

(1)进排气系统故障。空气滤清器污堵时，应立即进行清理、疏通；进气门、排气门或活塞环处漏气时，引起压缩压力不足，需修研进、排气门，更换活塞环或气缸垫；配气定时不对时，需重新调整配气定时；排气管道堵塞、防爆装置碟门关闭时，必须清洗进气管道，打开防爆装置碟门。

(2)起动系统故障。气起动马达与飞轮齿圈啮合不良时，应重新调整安装位置，保证正常啮合；气起动马达损坏时，需修理或更换；气源压力不足时，需充气至规定压力；起动管子漏气时，要及时排除；继电器打不开时，应拆检且保证滑动面上润滑良好。

(3)燃油供给系统故障。供油器污堵或损坏，燃油滤清器堵塞或其旋阀未打开时，需清洗或更换新备件，将旋阀打开；供油提前角不对时，应校正供油提前角；燃油节流阀未打开时，需打开；油箱油位过低时，需补足油；系统内混入空气时，应及时除气；燃油品质不符合要求如含水时，应更换规定牌号燃油，清除燃油箱内的积水。

(4)润滑系统故障。油控阀失灵时，应立即检修油控阀，或调整预供油压力；气动预供泵供油压力不足时，需控制气源压力或排查预供油泵是否故障。

(5)使用维修保养不当。柴油机机身温度过低时，需用热水对其进行暖机、加温机油；长时期怠速运转时，应清洗喷油器，清除柴油机内积炭，使发动机返老还童。

3.3 机油压力低

(1)润滑系统故障。油底壳缺机油或油量不足时，应添加至规定油量；机油泵损坏时，必须立即进行维修或更换；调压阀压力调节不当时，需重新调整至规定压力；润滑系统漏油时，应进行检修或更换部件；油压表损坏时，导致指示错误，需更换油压表；使用机油稀释或牌号不符合规定时，应更换合格机油或符合规定牌号的机油。

(2)冷却系统故障。机油冷却器冷却效果差，应排除冷却系统故障；机油冷却器堵塞或油面过高时，需清洗机油冷却器，放出多余机油，保持油面的规定高度。

(3)使用维修保养不当。轴承磨损严重时，会导致轴承失效、间隙增大，必须立即组织大修，更换新轴承。

3.4 机油油温过高或液面升高、稀释

(1)润滑系统故障。油温表损坏，导致指示值不正确时，要更换油温表；缺机油或油面不足时，应添加机油至规定值；机油泵损坏时，则需维修或更换新机油泵。

(2)冷却系统故障。冷却液不足或水温过高时，需补足冷却液或排除相关故障；机油冷却器堵塞时，应清洗冷却器。

(3)使用维修保养不当。轴承烧坏时，需更换新轴承；活塞环磨损严重或卡住时，造成气缸严重漏气，应更换新活塞环。

(4)冷却液漏入机油内。机油冷却器芯子漏水时，应及时检修或更换芯子；气缸套封水圈漏水时，必须更换漏水圈。气缸盖喷油器套漏水时，应更换护套封圈；水泵封水圈漏水时，则应更换封水圈。

(5)燃油供给系统故障。柴油漏入机油，喷油器雾化不良时，需修研或更换喷油器；喷油器接头处漏油时，应检修或更换喷油器；输油泵漏油时，则更换油泵密封。

3.5 冷却水温过高

(1)冷却系统故障。冷却液不足时，需加足冷却液；散热水箱或冷却管路堵塞时，需清洗各部件；水温表损坏时，导致指示错误，要更换水温表；风扇皮带松动时，需调整张紧轮；水泵损坏时，应更换新泵。

(2)使用维修保养不当。产生严重“拉缸”现象时，需更换气缸套和活塞；柴油机过载时，则应降负荷运行。

3.6 排气温度过高

(1)燃油供给系统故障。喷油提前角过迟时，应重新调整喷油提前角；喷油器滴油或漏油时，需修理或更换喷油器；燃油品质不合格时，则更换符合要求的柴油。

(2)进气系统故障。空气滤清器堵塞时，需清洗、疏通空气滤清器；进气道堵塞时，必须进行排查，并清洗进气道。

(3)使用维修保养不当。超负荷运行时，需降低负荷；气门间隙不正确时，应重新调整；高原地区气压低，使用时应限制油门。

3.7 运转不均匀

喷油器滴油或漏油时，需及时修研或更换新喷油器；各喷油器弹簧压力不一致时，应重新进行调整，直至弹簧压力一致；出油阀门弹簧断裂或故障时，必须立即检修、更换弹簧或出油阀；喷油泵中或燃油管路中混入空气时，应及时排出空气；调速器工作不正常或因调速器调速不当引起游车时，需检修调速器；喷油泵柱塞弹簧弹力不足或柱塞卡住时，要调整弹簧或柱塞偶件。

3.8 增压器故障

(1)增压压力低。空气滤清器堵塞时，应清理滤清器；增压器入口空气温度高、环境温度高时，应限油门；涡轮排气压力过大、压气机叶轮或扩压器脏污时，需拆检清洗。

(2)增压器超速。涡轮排气温度过高时，需调整柴油机的工况；喷油环、涡轮叶片积炭时，应拆检并清洗；喷油环销钉断、流通面积过小时，应重新调整并紧固；柴油机超速运转时，需停车排查原因；环境气压低时，如高原地区应限油门、限功率运转。

(3)回油温度过高。涡轮气封漏气或增压器轴承损坏时，需拆检更换气封或轴承。

(4)压力机喘振。压力机或涡轮流道堵塞、中冷器及进气管脏污时，应及时拆检且清洗；柴油机负荷波动太大或紧急停车时，则应减小负荷运行。

(5)增压器有碰撞声或强烈振动。转子油封与固定件、压气机叶轮或涡轮与罩壳或气封碰擦时，应拆检调整间隙；轴承磨损过大、涡轮叶片或气压机叶轮损坏时，需拆检配换有关零件；增压器轴承烧损或出口压力骤降时，则应停车排查及更换有关零件。

3.9 飞车

喷油泵齿条、拉杆螺钉松动或销子脱落时，需重新调整紧固；调速器飞铁脱落时，应检查修复；限位螺钉位置变动时，需重新调整。齿条被卡死，拉杆、滚轮销轴及横轴犯卡或控制拉杆产生弯曲时，柴油机控制拉杆无法回移，则应检修有关零部件[5]。

3.10 突然停车

(1)燃油供给系统故障。喷油泵或调速器弹簧断裂时，需更换弹簧；喷油泵柱塞卡死时，应拆检清洗柱塞偶件；管路堵塞时，应疏通管路；燃油混入水时，需排查原因、更换燃油；燃油耗尽时，需加足燃油。

(2)润滑系统故障。润滑油压力过低时，应排查原因，及时排除；油压低、自动停车装置失灵时，需立即进行检修且更换。

(3)使用维修保养不当。活塞严重咬缸时，需更换活塞和零部件；连杆轴瓦、主轴瓦烧损，定时齿轮或喷油泵定时机构损坏时，应拆检和更换损坏的零部件。

3.11 呼吸器处异常排气

轴瓦烧损或增压器气封损坏时，应及时检修、更换轴瓦或气封圈；活塞与气缸套磨损严重、拉伤或烧损时，需立即检修活塞与气缸套；活塞环磨损严重或折断时，必须更换活塞环；活塞环重环时，要重新调好活塞环；喷油器漏油时，应重新紧固。

3.12 异常排烟

(1)排黑烟：①进排气系统故障。进气道、空气滤清器受阻时，应清洗进气通道和空气滤清器；涡轮增压器或中冷器脏污时，应清洗涡轮增压器或中冷器；排气背压高时，需清洗排气管，检查消声器。②燃油供给系统故障。进油管污堵时，需清洗进油管；喷油器孔堵塞、雾化不良时，应清洗喷油器且作调整试验；喷油泵个别油量齿圈松动、油量过多时，需调整油量且紧固；燃油品质差时，需更换合格燃油。③使用维修保养不当。柴油机过载时，应降低负荷；长时间怠速运转时，应缩短怠速时间；喷油提前角过迟时，需重新调整；气门间隙不对、密封不良时，应检查校正气门间隙消除缺陷。

(2)排白烟。中冷器漏水混入气缸时，应立即检修中冷器；冷却水温过低时，需暖机后再加负荷；燃油中含水时，必须排除燃油中积水，或重新更换合格的燃油。

(3)排蓝烟。机油压力或液面过高时，应降低机油压力或放掉多余机油；活塞环严重磨损或断裂、活塞或气缸套严重磨损或刮伤或增压器油封漏油时，需检修或更换新备件；活塞环重环时，应重新调换位置。

3.13 振动过大

扭转减震器失灵时，需立即进行检修或更换减震器；柴油机与被驱动件未对准时，应重新调整安装位置；安装螺栓松动时，应重新紧固；柴油机安装底盘刚性太差时，要加固底盘；飞轮不平衡或松动时，应重新进行调整和紧固；各轴承间隙磨损过大，曲轴或主轴承盖断裂时，必须进行大修。

3.14 异常声响

(1)燃烧过程敲击声。供油提前角过早、喷油压力过大时，需重新调试；发动机过载时，应降低负荷；喷油器和气门不正时，应重新调整；冷却液温度过低时，需提高冷却水温度；进油管漏气时，需排查且更换进油管；燃油品质不好时，应更换合格燃油。

(2)机械敲击声。进排气门间隙过大时，应重新检查和调整气门间隙；活塞与气缸套间隙过大时，需配换备件；活塞环严重磨损或折断时，应更换备件；主轴承、连杆轴承及衬套等间隙过大时，需排查且更换备件；活塞与气门碰撞时，应检查气门间隙；有机械物落入气缸内时，需排出机械物。

(3)齿轮噪声。齿轮齿隙过大时，应调整齿轮啮合间隙；齿轮传动中发生断齿时，需更换齿轮；固定螺栓松动时，需重新紧固；轴承间隙过大时，必须更换轴承。

4 结束语

针对柴油发动机常见故障诊断及维修技术的研究，能以最小的劳动消耗和代价，及时、准确、可靠、客观地评价柴油发动机及其技术状况，并采取有效的措施，大幅提高其运行时的安全可靠性、稳定性、可用性、可维修性及经济环保性，减少不必要的故障损失，降本增效，预防突发事故，且唯有在诊断中不断实践、不断总结和积累经验，方能做到得心应手、运用自如。

【1】张伟旗.大型矿山电动轮汽车发动机自主研发及关键技术研究[J].有色设备,2014(6)：17-21.

ZHANG W Q.The Independent Development and Key Technology Research of Electric Wheel Car Engine of Large Mining[J].Non-ferrous Metallurgical Equipment,2014(6)：17-21.

【2】王素英,程铁仕.直喷式柴油机燃烧室的发展与应用[J].柴油机,2001，23(1)：24-28,33.

WANG S Y,CHENG T S.Evolution and Application of the Combustor for Dl-Diesel Engines[J].Diesel Engine,2001，23(1)：24-28,33.

【3】肖鹏,王海军.柴油机燃烧室形状的发展历程[J].汽车零部件,2013(11)：73-76.

XIAO P,WANG H J.Development of Diesel Engine Combustion Chamber Shape[J].Automobile Parts,2013(11)：73-76.

【4】张伟旗.矿用汽车发动机故障诊断与维修关键技术研究[J].重型汽车,2015(3)：42-44.

【5】龙泽刚.柴油机飞车故障的原因分析及处理[J].内燃机,2005(5)：52-54.

LONG Z G.Reasons Analysis and Handling of Runaway in Diesel Engines[J].Internal Combustion Engines,2005(5)：52-54.

The Common Fault Diagnosis and Maintenance Technology for Diesel Engine

ZHANG Weiqi

(Copper Co.，Ltd of Jiangxi Copper Corporation，Guixi Jiangxi 335424，China)

On the premise of studying main design principle of diesel engine, the common fault phenomena and their influence main reasons were analyzed. From a practical perspective, the common failure diagnosis and maintenance technologies were studied in-depth, the common failure positions and causes were found,and effective prevention measures were put forward.So major personal equipment accident can be avoided, unnecessary loss can be reduced.The research has a certain application value.

Diesel engine；Failure rate；Diagnosis maintenance technology

2016-04-06

张伟旗(1965—)，男，工学学士，高级工程师，主要研究方向为矿山机械、铜加工、有色冶金、机电设备工程、教育教学研究。E-mail:Zhangwq678@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.09.017

U464.9

B

1674-1986(2016)09-073-04