สาเหตุหลักของความเหนื่อยหน่ายของลูกสูบในเครื่องยนต์ Cummins K38

การพังทลายของลูกสูบเป็นปรากฏการณ์ทั่วไปในการใช้เครื่องยนต์ดีเซล โดยส่วนใหญ่เกิดขึ้นที่ด้านบนของลูกสูบ ร่องแหวนลูกสูบที่หนึ่งและที่สอง และเส้นรอบวงของหัวลูกสูบ โดยทั่วไป รูปแบบหลักคือรูหลอมที่พื้นผิวลูกสูบด้านบน การเจาะ และรอยบากรูปรูกุญแจและตารังผึ้งที่เส้นรอบวงศีรษะ ปรากฏการณ์ข้อผิดพลาดหลักคือการเพิ่มขึ้นของก๊าซไอเสียใต้เครื่องยนต์และแม้แต่น้ำมันก็ไหลออกจากช่องหายใจ

การไหม้ของลูกสูบจะทำให้เครื่องยนต์ดีเซลทำงานผิดปกติ ส่งผลโดยตรงต่อแรงดันและกำลังของกระบอกสูบลดลง ส่งผลให้กระบอกสูบเกิดการดึง การยึดเบรก และความเสียหายต่อส่วนประกอบต่างๆ เช่น เทอร์โบชาร์จเจอร์ และฝาสูบ

ด้านล่างนี้ จากประสบการณ์การซ่อมแซมการสึกกร่อนของลูกสูบในเครื่องยนต์ Cummins K38 และข้อมูลทางเทคนิคที่เกี่ยวข้อง ผู้เขียนได้วิเคราะห์สาเหตุของการสึกกร่อนของลูกสูบในเครื่องยนต์ Cummins K38

การสึกกร่อนของลูกสูบแสดงในรูปที่ 1

Reasons for piston burnout in K38 engine 3

แรงดันย้อนกลับไอเสียมากเกินไป

แรงดันต้านไอเสียหมายถึงแรงดันต้านทานของไอเสียของเครื่องยนต์

แรงดันไอเสียของเครื่องยนต์ K38 น้อยกว่า 0.09kPa หากท่อไอเสียอุดตันหรือดัดแปลงท่อไอเสียไม่ถูกต้อง จะทำให้ความต้านทานไอเสียเพิ่มขึ้น ส่งผลให้แรงดันย้อนกลับของไอเสียมากเกินไป

เนื่องจากแรงดันต้านไอเสียสูงของเครื่องยนต์ ก๊าซไอเสียที่เกิดจากการเผาไหม้ของส่วนผสมในกระบอกสูบจึงยากต่อการระบายออก และก๊าซไอเสียสามารถไหลย้อนกลับได้เท่านั้น ความร้อนค่อนข้างสะสมในกระบอกสูบ ส่งผลให้อุณหภูมิกระบอกสูบสูง และส่งผลให้ลูกสูบไหม้ในที่สุด

ลูกสูบคุณภาพต่ำ

ลูกสูบเคลื่อนที่กลับไปกลับมาเป็นเส้นตรงภายใต้สภาวะที่รุนแรง เช่น อุณหภูมิสูง ความดันสูง ความเร็วสูง และการหล่อลื่นไม่ดี โดยสัมผัสกับก๊าซอุณหภูมิสูงโดยตรง อุณหภูมิทันทีสามารถเข้าถึงมากกว่า 2,500 องศา ซึ่งได้รับความร้อนอย่างรุนแรงและมีสภาวะการกระจายความร้อนไม่ดี ดังนั้น อุณหภูมิของลูกสูบระหว่างการทำงานจึงสูงมาก โดยอุณหภูมิสูงสุดอยู่ที่ 600-700 องศา และการกระจายอุณหภูมิไม่สม่ำเสมอมาก

ด้านบนของลูกสูบรับแรงดันแก๊สจำนวนมาก โดยเฉพาะแรงดันสูงสุดระหว่างจังหวะส่งกำลัง ซึ่งสามารถเข้าถึง 6-9 MPa ในเครื่องยนต์ดีเซล สิ่งนี้ทำให้ลูกสูบได้รับแรงกระแทกและรับผลกระทบจากแรงดันด้านข้าง

ลูกสูบเคลื่อนที่ไปมาในกระบอกสูบด้วยความเร็วสูง (8-12m/s) และความเร็วจะเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ทำให้เกิดแรงเฉื่อยขนาดใหญ่ ซึ่งทำให้ลูกสูบมีภาระเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ลูกสูบที่ทำงานภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวยดังกล่าวจะเสียรูปและเร่งการสึกหรอ รวมถึงสร้างภาระและความเครียดจากความร้อนเพิ่มเติม

หากคุณภาพของลูกสูบไม่ได้มาตรฐานและมีข้อบกพร่อง เช่น รูพรุน การหลวม รอยแตกขนาดเล็ก และการรวมตะกรันในระหว่างการหล่อ รูพรุน การหลวม และรอยแตกขนาดเล็กเหล่านี้จะทำให้เกิดความเสียหายต่อความเมื่อยล้าภายใต้อุณหภูมิและความดันสูง การรวมตะกรันในลูกสูบจะละลายในขั้นแรก ทำให้ลูกสูบละลายและนำไปสู่การพังทลายของลูกสูบ

ควันดำไหม้และสะสมคาร์บอนอย่างรุนแรงที่ลูกสูบ

การสะสมของคาร์บอนค่อนข้างซับซ้อนและสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างของเครื่องยนต์ ประเภทของเชื้อเพลิงและน้ำมันหล่อลื่นที่ใช้ ตลอดจนสภาพการทำงานและสภาพการทำงานของเครื่องยนต์

ในห้องเผาไหม้ปริมาณออกซิเจนไม่เพียงพอ และเชื้อเพลิงและน้ำมันหล่อลื่นที่เข้าสู่ห้องเผาไหม้ไม่สามารถเผาไหม้ได้หมด ส่งผลให้เกิดควันน้ำมันและอนุภาคน้ำมันดิน หลังจากผสมกับน้ำมันหล่อลื่น พวกมันจะออกซิไดซ์ต่อไปเป็นเจลหนืดเช่นกรดไฮดรอกซีเหลว ซึ่งจะออกซิไดซ์ต่อไปเป็นเรซินกึ่งของเหลวเช่นเรซิน ซึ่งยึดติดกับชิ้นส่วนอย่างแน่นหนา จากนั้น ภายใต้การกระทำที่อุณหภูมิสูงอย่างต่อเนื่อง เรซินจะเกิดปฏิกิริยาโพลีเมอร์เป็นโพลีเมอร์ที่ซับซ้อนมากขึ้น เกิดเป็นคาร์บอนซีเมนต์แข็ง ซึ่งก็คือการสะสมของคาร์บอน

ส่วนประกอบของคราบคาร์บอน ได้แก่ น้ำมันหล่อลื่น กรดไฮดรอกซี แอสฟัลต์ น้ำมันโค้ก คาร์บอนบลู ซัลเฟต สารประกอบซิลิกอน (จากเถ้าและทรายในช่องทางเข้า) และติดตามปริมาณเศษโลหะและสารประกอบของพวกมัน

ยิ่งอุณหภูมิเครื่องยนต์สูงเท่าไร คราบคาร์บอนก็จะแข็งตัวและแน่นขึ้นเท่านั้น และการยึดเกาะกับโลหะก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้น

การสะสมของคาร์บอนในร่องแหวนลูกสูบอาจทำให้แหวนลูกสูบสูญเสียความยืดหยุ่นและติดขัด ส่งผลให้ประสิทธิภาพการซีลของแหวนลูกสูบลดลง และทำให้เกิดการเผาไหม้ของน้ำมัน ส่งผลให้การสะสมตัวของคาร์บอนรุนแรงขึ้น

การสะสมของคาร์บอนบนวาล์วไอดีและไอเสียอาจทำให้วาล์วปิดไม่สนิท และการสะสมของคาร์บอนที่มีอุณหภูมิสูงที่เกาะติดกับวาล์วก็อาจทำให้วาล์วและบ่าวาล์วสึกกร่อน ส่งผลให้วาล์วรั่วรุนแรงขึ้น

การรั่วของวาล์วทำให้ก๊าซอุณหภูมิสูงชะล้างวาล์วและบ่าวาล์วออกไป ส่งผลให้วาล์วและบ่าวาล์วไหม้และรั่วมากขึ้น ซึ่งท้ายที่สุดส่งผลให้ความดันในกระบอกสูบลดลง ควันจากการเผาไหม้จำนวนมากส่งเสริมให้เกิดการสะสมตัวของคาร์บอนในลูกสูบ

การสะสมของคาร์บอนบนลูกสูบทำให้ผลการกระจายความร้อนลดลงและเพิ่มอุณหภูมิ เมื่ออุณหภูมิสูงเกินขีดจำกัดความทนทานต่อความร้อนของลูกสูบ จะทำให้ลูกสูบสึกกร่อน

การสะสมของคาร์บอนบนลูกสูบจะแสดงในรูปที่ 2

Reasons for piston burnout in K38 engine 2

สาเหตุหลักที่ทำให้เกิดควันดำจำนวนมากและการสะสมคาร์บอนอย่างรุนแรงในการเผาไหม้ของเครื่องยนต์คือ:

หากวาล์วไอดีและวาล์วไอเสียปิดไม่สนิทจะทำให้ส่วนผสมที่ติดไฟได้อุณหภูมิสูงและแรงดันสูงกัดกร่อนพื้นผิวการทำงานของวาล์วและบ่าวาล์ว ทำให้เกิดรูพรุน การสะสมคาร์บอน และการสึกกร่อนบนพื้นผิวการทำงานทั้งสอง รูพรุน การสะสมของคาร์บอน และการสึกกร่อนจะเร่งให้วาล์วไอดีและไอเสียปิดหละหลวม ก่อให้เกิดวงจรอุบาทว์

การปิดวาล์วหลวม ความดันกระบอกสูบลดลง การเผาไหม้ไม่ดี การสะสมของคาร์บอนในกระบอกสูบมากเกินไป ส่งผลให้กำลังเครื่องยนต์และความประหยัดลดลง

หัวฉีดปั๊มไม่ตรงกัน, การฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงมากเกินไป

เครื่องยนต์ K38 มีสองรุ่นคือ CPL844 และ CPL1628 ปั๊มน้ำมันเชื้อเพลิงและหัวฉีดของหมายเลขควบคุมทั้งสองหมายเลขมีความแตกต่างกันคือ CPL1628 และ CPL844 ปั๊มเชื้อเพลิง BA94 และหัวฉีด 3077760 ใช้เพื่อให้ตรงกับ CPL1628 ในขณะที่ปั๊มเชื้อเพลิง B844 และหัวฉีด 3058802 หรือ 3076132 ใช้เพื่อให้ตรงกับ CPL844

เมื่อเทียบกับปั๊ม B844 ปั๊ม BA94 มีการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงสูงกว่า และหัวฉีด 3058802 หรือ 3076132 มีการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงสูงกว่าเมื่อเทียบกับหัวฉีด 3077760

เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดการปล่อยมลพิษที่เข้มงวด เครื่องยนต์คัมมินส์ได้พัฒนาระบบควบคุมจังหวะการฉีดเชื้อเพลิงแปรผันที่ขับเคลื่อนด้วยไฮดรอลิกรูปแบบใหม่ที่เรียกว่า STC (การควบคุมจังหวะตามจังหวะ)

ระบบ STC แบ่งจังหวะการฉีดเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ออกเป็นสองส่วน: การจับเวลาเชิงกล (ควบคุมโดยเฟืองไทม์มิ่งและเพลาลูกเบี้ยว) หรือที่เรียกว่า "โหมดไทม์มิ่งปกติ" และไทม์มิ่งไฮดรอลิกเชิงกล (ควบคุมโดยแรงดันน้ำมันเชื้อเพลิงของเครื่องยนต์หรือที่เรียกว่า "โหมดกำหนดเวลาการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิงล่วงหน้า")

ภายใต้สภาวะการสตาร์ทและโหลดเบา มีการใช้ "วิธีกำหนดเวลาล่วงหน้าในการฉีดเชื้อเพลิง" เพื่อฉีดเชื้อเพลิงในช่วงแรกของรอบการอัด

ในสภาวะโหลดปานกลางและหนัก จะใช้ "โหมดไทม์มิ่งปกติ" และเชื้อเพลิงจะถูกฉีดภายหลังในวงจรการอัด

วาล์ว STC ทำหน้าที่เป็นวาล์วควบคุมทิศทาง โดยมีแรงดันน้ำมันเชื้อเพลิงเทียบเท่ากับแรงดันน้ำมันไพล็อต ความดันเปิดของวาล์ว STC คือ 27 Psi และความดันปิดคือ 65 Psi

หากวาล์ว STC ทำงานไม่ถูกต้อง จังหวะการฉีดของเครื่องยนต์จะเปลี่ยนไป การเผาไหม้เชื้อเพลิงจะไม่ดี ระยะเวลาหลังการเผาไหม้จะขยายออกไป จะเกิดการสะสมของคาร์บอนจำนวนมากในกระบอกสูบ การกระจายความร้อนของลูกสูบจะ สภาพไม่ดี และการทำงานในระยะยาวจะนำไปสู่การสึกกร่อนของลูกสูบขั้นสุดท้าย ฝาสูบระเบิด และข้อผิดพลาดอื่นๆ

การระบายความร้อนไม่ดีทำให้เกิดอุณหภูมิสูง

อุณหภูมิการทำงานปกติของเครื่องยนต์อยู่ระหว่าง 82~93 องศา หากมีสารหล่อเย็นหรือน้ำมันอื่นๆ ไม่เพียงพอ หม้อน้ำอุดตัน หรือพัดลมทำงานไม่ถูกต้อง จะทำให้อุณหภูมิกระบอกสูบเครื่องยนต์สูงเกินไป

นอกจากนี้ ลูกสูบของเครื่องยนต์และปลอกสูบส่วนใหญ่จะถูกพัดพาไปโดยน้ำมันที่พ่นออกมาจากหัวฉีดทำความเย็นน้ำมัน

หากหัวฉีดทำความเย็นมีรูปร่างผิดรูป มีรูทราย ตำแหน่งฉีดไม่ถูกต้อง หรือแรงดันน้ำมันต่ำ จะทำให้ปริมาณน้ำมันที่ฉีดลดลง ส่งผลให้ลูกสูบและปลอกสูบมีอุณหภูมิสูงโดยตรง