内燃机典型燃烧故障特征与诊断

一、概述

大型点燃式内燃机是原油伴生气增压处理、输气、气举采油、注气的关键动力设备，大型压燃式内燃机是海上采油平台发电的驱动机械。对其进行监测诊断，及时发现存在的燃烧故障，可以提升其做功能力和减少机械故障损失，它们的运行状态直接关系到整套装置是否能够高效、平稳运行。然而，由于气门开启、关闭产生的撞击、进排气流噪声和燃烧噪声等相互交织在一起，另外时域的瞬时冲击在频域表现为宽带白噪声，这使得常规的以傅立叶变换为基础的振动监测技术对内燃机的监测诊断无能为力。为此，进行了长时间的摸索研究，终于找到了通过整周期采集内燃机的次级点火电压、压力、振动、超声波、温度等波形，在时域上与吸气、压缩、燃烧膨胀、排气事件对应分析判断故障的有效诊断方法，并持续10余年进行1200多台次的现场实测数据，在此择取介绍，供大家参考。

二、内燃机燃烧故障类型

点燃式内燃机的燃烧过程分为三个阶段：①滞燃期，以电火花点火作为起点，直到形成火焰核心并开始火焰传播的一段时期。在示功图上，它以缸内压力开始脱离纯压缩线的时刻为其终点。②急燃期，从火焰核心开始出现火焰传播，至火焰遍及燃烧室绝大部分燃料的一段时间。在这一段时间里，由于燃烧的混合气量很大，放热量急剧增加，缸内温度和压力上升很快。在示功图上，它常以缸内压力开始脱离纯压缩线的时刻为其始点，而以最高燃烧压力点为其终点。③后燃期，从最高燃烧压力点起至燃料燃烧基本烧完为止的一段时间。由于燃料与空气的混合并非完全均匀，加上燃烧产物在高温下可能发生热分解，因此在火焰锋面传到末端混合气后，缸内仍有未完全燃烧的燃料存在，致使燃烧在膨胀过程中继续进行。

压燃式内燃机的燃烧过程分为四个阶段：①滞燃期，从开始喷油到开始着火，或从开始喷油到缸内压力脱离纯压缩线开始急剧上升为止的阶段。②急燃期，从开始着火到缸内出现最高压力的阶段。③缓燃期，从最高压力开始到出现最高温度的阶段。

④后燃期，从最高温度点开始到燃料基本燃烧完毕的阶段。

内燃机的燃烧故障类型主要有以下几种。

（1）爆燃。在火花塞点火后，离火花塞较远的末端混合气，在火焰前锋尚未到达前就完成焰前反应而发生自燃，形成新的火焰中心，产生强烈的压力脉冲，并以极高的速度向附近气体传播。强烈的压力波在活塞顶、汽缸盖底面等机件之间多次反射，引起这些零件的高频振动，发出尖锐的金属敲击声，也称之为敲缸。爆燃压力和压力升高率过大，使活塞、缸套、连杆的机械负荷过高，长期爆燃会使机件产生裂纹，造成零件损坏。其次，压力脉冲的反复作用，破坏了燃烧室壁面的气体附着层，使传热量大大增加，润滑油和冷却水温度过高，会导致发动机过热，运动件磨损加剧。另外，强烈爆燃时燃气温度很高，引起燃气发生热裂解，析出碳粒，造成排气冒黑烟。长时间运行，会导致轻合金的活塞、气缸盖出现局部熔化或烧损。

（2）早燃。气缸内的可燃混合气在火花塞点火前，已被燃烧室内的其他炽热表面点燃。早燃是燃烧室内的积碳、过热的火花塞电极和排气门等炽热表面引燃混合气所致。

（3）失火。一是火花塞不能跳火；二是可燃混合气过于稀薄时，火花塞处虽能产生跳火，但是不能形成一定容积的火焰核心

内燃机典型燃烧故障特征与诊断

张远征朱荣乾刘光勇陈健宇

摘要介绍内燃机的次级点火电压、压力、振动、超声波、温度等波形监测方法，分析判断内燃机存在的点火线圈损坏、点火提前角过早与过迟、喷油时刻偏离、爆燃、不点火、软点火、失火等典型燃烧故障特征。

关键词内燃机燃烧故障特征诊断

中图分类号TK418文献标识码B

和产生必要的热量，致使火焰无法向外正常传播，焰核于是很快熄灭。

（4）软点火。可燃混合气较稀薄时，缸内废气所占比重相对较大，火花塞虽然跳火并形成火焰核心，但在火焰向外传播过程中，只能引燃少部分混合气就熄灭掉了，

放出的一小部分热量使缸内做功阶段的

压力曲线只比纯膨胀曲线稍高。

三、内燃机测试方法

盘车使发动机编号为1的动力缸处

于精确的上止点位置，在飞轮外圆周或

端面靠近外缘处钻一直径10mm、深

6mm左右的孔，该孔应该避免与齿圈或

其他盘车孔靠得太近，利用飞轮壳体或

重新制作支架，固定安装一磁电式速度

传感器，使其准确对应飞轮上所钻的孔，

进行触发采样。因各缸之间相隔确定的

角度差，该孔和传感器即为各缸所有信

号的触发参照基点。

对于火花塞点火的内燃机，在每缸

的高压导线外卡上互感钳即可测量出点

火电压波形，可对100个做功循环进行

点火统计分析，并可精确给出点火提前

角的度数。但是，对于屏蔽掉的高压导线

无法获取信号。

欧美国家生产的大型二冲程点燃式

内燃机和四冲程压燃式内燃机，在缸盖

外预留有测量压力的孔，基本都安装有

标准的KIENE测压阀。以飞轮上的孔和

壳体上对应的传感器进行触发采样，整

周期采集各缸的压力曲线，判断各缸的

燃烧状况和功率。

对于四冲程点燃式内燃机，缸盖上

未预留测量缸内压力的孔，但是也可借

助缸盖的振动和超声波波形曲线判断

内燃机的燃烧状况。虽没有压力曲线直

观和精确，其准确度和可靠性也是值得

信赖的。另外，还可借助各缸排气温度

辅助判断各缸的燃烧状况。现在，国外

一些先进的发动机在缸壁上安装了燃

烧传感器，用于测量每个缸的燃烧时

间，据此调整稀薄燃烧的预燃室针阀的

开度大小。

四、内燃机的燃烧故障特征与诊断

1.次级点火线圈损坏

图1是驱动气举采油压缩机的内燃

机L7042GSI左排6个缸的次级点火电压

波形。该机12个缸V形排列，以天然气为

燃料，额定功率1547hp（1153.6kW），转

速1200r/min。图中横坐标是以上止点为基准点，仅截取点火前后时间段的波形，纵坐标是感应电压幅值。左4缸的电离电压只有－30，而正常值在－240附近；电弧电压约＋2，正常值在－20，电弧持续时间也明显少于其他缸；振荡波形消失。这说明线圈出现故障，点火信号缺失，不但浪费燃气，

图1次级点火电压波形

图2DPC800动力缸内压力曲线

图3DPC800动力缸内压力曲线