新聞主題	康明斯柴油發(fā)動(dòng)機的工作溫度以及過(guò)熱或過(guò)冷的危害

 

摘要：柴油發(fā)動(dòng)機冷卻水的正常溫度，除發(fā)動(dòng)機滿(mǎn)負荷或超負荷時(shí)允許短時(shí)間沸騰外，水溫均應保持在75～95℃。而發(fā)動(dòng)機水溫超過(guò)95℃即稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機過(guò)熱，低于75℃則稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機過(guò)冷。因此，冷卻系統的功能就是使發(fā)動(dòng)機在所有工況下都保持在適當的溫度范圍內，既要防止發(fā)動(dòng)機過(guò)熱，也要防止冬季發(fā)動(dòng)機過(guò)冷。在發(fā)動(dòng)機冷起動(dòng)之后，冷卻系統還要保證發(fā)動(dòng)機迅速升溫，盡快達到正常的工作溫度。本文就發(fā)動(dòng)機冷卻水溫度過(guò)高或過(guò)低情況下，對柴油發(fā)電機組輸出功率的影響及防控措施方面與大家共探討。

 

一、柴油機工作溫度與環(huán)境溫度

 

      柴油機在使用過(guò)程中會(huì )隨著(zhù)使用時(shí)間和環(huán)境變化出現工作異常，例如難起動(dòng)、動(dòng)力下降、爆燃和異響等等。這些異?，F象都極有可能是由柴油機工作溫度異常（過(guò)高或過(guò)低）引起的。因此，分析柴油機工作溫度異常的影響因素，提出改善柴油機工作溫度異常的措施，具有實(shí)際意義。

1、發(fā)動(dòng)機各部件的正常溫度

（1）發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，由于燃料的燃燒，氣缸內氣體溫度高達2200K~2800K（1927℃~2527℃），大約1/3做功轉變?yōu)闄C械能，其余大部分隨廢氣排出，其余則被發(fā)動(dòng)機零件吸收，使發(fā)動(dòng)機零部件溫度升高，特別是直接與高溫氣體接觸的零件，若不及時(shí)冷卻，則難以保證發(fā)動(dòng)機正常工作。這個(gè)時(shí)候，冷卻系統保證了發(fā)動(dòng)機在最適宜的溫度范圍內工作，其原理如圖1所示。

（2）水冷式發(fā)動(dòng)機保持正常工作，其冷卻水的溫度應在353K~363K（80℃~90℃）之間。此時(shí)，氣缸壁溫度不超過(guò)473K~573K（200℃~300℃）；氣缸蓋、活塞頂部的溫度不超過(guò)573K~673K（300℃~400℃）；潤滑油的溫度在343K~363K（70℃~90℃），保證發(fā)動(dòng)機具有較好的動(dòng)力性、經(jīng)濟性和凈化性，使零件的運動(dòng)和磨損正常。

（3）風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機鋁氣缸壁的溫度允許為423K~453K（150℃~180℃），鋁氣缸蓋則為433K~473K（160℃~200℃）。

2、環(huán)境溫度對部件的影響

       隨著(zhù)環(huán)境溫度上升，空氣密度降低，柴油機進(jìn)氣量會(huì )下降，導致柴油機增壓壓力下降，爆壓下降，同時(shí)由于進(jìn)氣流量下降，過(guò)量空氣系數會(huì )減小，燃燒惡化，油耗上升；環(huán)境溫度下降時(shí)趨勢則相反。環(huán)境溫度每下降5℃，該柴油機額定負荷增壓壓力上升約7kPa，爆壓上升約0.23 MPa，當環(huán)境溫度低于20 ℃，爆壓超出限值；環(huán)境溫度每上升5℃，渦前排溫上升8℃左右，缸蓋排溫上升9℃左右，過(guò)量空氣系數下降0.05，油耗上升0.8 g/(kW·h)，當環(huán)境溫度高于38℃，渦前排溫與缸蓋排溫超出限值。

      噴油正時(shí)對柴油機爆壓、排溫及油耗影響明顯，噴油正時(shí)每推遲1°，柴油機爆壓下降0.5～0.6 MPa，排溫上升3℃左右，油耗上升1.7 g/(kW·h)。由此可見(jiàn)，對于爆壓超限的情況可采用推遲噴油正時(shí)的方法，對排溫超限的情況可采用噴油正時(shí)提前的方法。

      不同噴油正時(shí)對柴油機性能的影響根據不同環(huán)境溫度下仿真計算結果，環(huán)境溫度為5 ℃時(shí)，爆壓超出限值0.8 MPa，但渦前排溫低于限值50℃;環(huán)境溫度為45℃時(shí)，爆壓低于限值1MPa，但渦前排溫超出限值12℃;結合噴油正時(shí)對爆壓與排溫的影響規律，則低溫時(shí)調整推遲噴油正時(shí)排溫的風(fēng)險較小，但高溫時(shí)提前噴油正時(shí)存在爆壓超限的風(fēng)險。為使各環(huán)境溫度下的爆壓與渦前排溫均不超出限值，首先應考慮使用高爆壓。噴油對柴油機溫度的影響曲線(xiàn)如圖2所示。

 

圖1  發(fā)動(dòng)機冷卻系統運行圖

圖2  噴油系統對柴油機著(zhù)火溫度的影響曲線(xiàn)

 

二、發(fā)動(dòng)機溫度異常的危害

 

1、發(fā)動(dòng)機過(guò)熱的危害

      發(fā)動(dòng)機過(guò)熱意味著(zhù)發(fā)動(dòng)機冷卻系統的溫度過(guò)高。柴油發(fā)動(dòng)機冷卻水溫過(guò)高，熱轉換效率低，機體內部運動(dòng)機件潤滑不良，磨擦阻力增加，能量消耗增加，影響功率正常輸出。女在運用維修過(guò)程，能及時(shí)發(fā)現與排除水溫過(guò)高故障，防止水溫過(guò)高，可確保功率正常輸出。發(fā)動(dòng)機溫度過(guò)高的原因很多，高溫后對發(fā)動(dòng)機的損害也很多，主因如下：

（1）影響功率輸出

      柴油機通過(guò)燃料燃燒化學(xué)能轉變?yōu)闊崮?，再由熱能轉換成機械能的一系列能量轉換過(guò)程然后輸出功率。 若冷卻系水溫持續在95℃以上，表明柴油機的燃料未能完全燃燒，即熱轉換效率很低。熱能未能充分利用并轉換成為機械能，造成能量浪費，輸出功率受到影響。 若冷卻水溫持續在95℃以上，甚至達到100℃以上時(shí)，因零件表面溫度很高，而造成潤滑油的溫度增高，潤滑條件惡化，運動(dòng)部件不能得到良好的冷卻，運動(dòng)部件的摩擦阻力增加，摩擦損失的機械能增加，也使輸出功率下降。

（2）影響進(jìn)氣系統的正常工作

      柴油機溫度很高，進(jìn)氣溫度也將很高，進(jìn)氣量將應相減少。對于國三排放柴油機，使用機械高壓油泵，供油量不是隨著(zhù)進(jìn)氣量來(lái)改變，當進(jìn)氣量減少時(shí)，供油量不變，故混合氣變濃，造成柴油機燃料未能完全燃燒，柴油機溫度升高，引起柴油機工作惡性循環(huán)，影響功率正常輸出。

（3）引起ECU保護

      在國三排放電噴型柴油機上，冷卻水溫度及進(jìn)氣溫度過(guò)高時(shí)，控制器ecu會(huì )根據傳感器監測到的信息，對柴油機電控系統啟動(dòng)熱保護功能，將供油量控制在一定的百分比，控制柴油機的功率輸出。 當冷卻系出現水溫超過(guò)兩次100℃以上（開(kāi)鍋）以后，各配合部件的表面因過(guò)熱影響，會(huì )導致產(chǎn)生不正常運動(dòng)，發(fā)生不正常的摩擦，就算這時(shí)在運行中暫時(shí)未出現水溫升高，柴油機的磨擦阻力也較大，功率未能正常輸出。

（4）零件磨損

① 早燃和爆燃的傾向加大，破壞了發(fā)動(dòng)機的正常工作、同時(shí)也促使零件承受額外的沖擊載荷而造成早期損壞。

② 運動(dòng)件間的正常間隙被破壞，使零件不能正常運動(dòng)，甚至損壞。

③ 金屬材料的力學(xué)性能降低，造成零件的變形及損壞?？得魉构臼褂梅抡嫦到y對高溫下氣缸的研究，證明溫度過(guò)高必然引起氣缸變形，其溫度分布圖如圖3所示，仿真和試驗曲線(xiàn)對比如圖4所示。

④ 潤滑情況惡化，加劇了零件的摩擦和磨損。

      發(fā)動(dòng)機的冷卻，如果單純依靠零件本身對外散熱是不夠的，必須對某些零件特別是與高溫氣體直接接觸的零件進(jìn)行必要的強制冷卻，才能保證發(fā)動(dòng)機正常運轉。但是，過(guò)分的冷卻也會(huì )引起不良后果。

2、發(fā)動(dòng)機過(guò)冷的危害

      進(jìn)入氣缸的混合氣（或空氣）溫度過(guò)低，可燃混合氣質(zhì)量差，導致發(fā)動(dòng)機功率下降，油耗增加；燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣容易凝結成水，加劇了對身體和部位的侵蝕。未汽化的燃油沖刷和稀釋零件（氣缸壁、活塞、活塞環(huán)等）表面的油膜。這加劇了零件的磨損。

（1）進(jìn)入汽缸的可燃混合氣（或空氣）溫度太低，使點(diǎn)燃困難或燃燒遲緩，造成發(fā)動(dòng)機功率下降以及燃料消耗量增加。

（2）潤滑油的黏度增大，造成潤滑不良，加劇了零件的磨損，同時(shí)增大了功率消耗。

（3）燃燒后的生成物中的水蒸氣易冷凝成水與酸性氣體形成酸類(lèi)，加重了對零件特別是汽缸壁的侵蝕作用。

（4）因溫度過(guò)低而未汽化的燃料對摩擦表面（汽缸壁、活塞、活塞環(huán)等）上油膜的沖刷以及對潤滑油的稀釋?zhuān)又亓藢α慵哪p。

 

圖3  柴油機缸蓋工作中溫度分布圖

圖4  柴油機缸蓋工作中溫度曲線(xiàn)圖

 

三、冷卻水溫過(guò)高的防控策略

 

      柴油機水溫過(guò)高時(shí)，都會(huì )出現一些征兆，例如柴油機冷車(chē)起動(dòng)及運行中，冷卻水溫持續在95℃以上，表明溫度過(guò)高。此故障一般發(fā)生在柴油機超負荷運轉時(shí)、柴油機燃料未能完全燃燒時(shí)及冷卻系統工作不良時(shí)。因此，在使用與維修過(guò)程應及時(shí)發(fā)現與排除處理，防止水溫過(guò)高的故障發(fā)生，有效控制水溫，可確保功率正常輸出。

1、防止柴油機長(cháng)時(shí)間超負荷運轉

      柴油機長(cháng)時(shí)間超負荷運轉，各運動(dòng)件的負荷增加，轉速降低，潤滑性能下降，引起過(guò)熱。故應控制柴油機的負荷，防止長(cháng)時(shí)間超負荷運轉，確保水溫正常。

2、保持冷卻水流量滿(mǎn)足要求 

（1）防止冷卻系統缺水

① 加強發(fā)電機組的日常維護工作，嚴格發(fā)電機組運行的“三檢”制度，做到及時(shí)發(fā)現并排除因水泵損壞、氣缸墊損壞、散熱器損壞及水管、水道裂損而泄漏冷卻水的故障，確保水量充足；

② 避免在加水時(shí)，水道內有空氣而使水量未能加足。

（2）確保水泵工作正常

① 經(jīng)常檢查水泵的工作情況，防止水泵泄漏、葉輪磨損或變形等異常損壞而影響正常供水。

② 經(jīng)常檢查水泵傳動(dòng)皮帶的松緊度，防止皮帶松弛引起打滑，影響水泵轉速而降低供水能力。

③ 防止節溫器滯卡、失靈等異常損壞 節溫器滯卡、失靈時(shí)，冷卻水未能按柴油機需要的水流量控制流量，影響散熱效果，故在檢查發(fā)現節溫器滯卡或失靈時(shí)，應及時(shí)更換修復。

④ 卻水道的形狀及大小，關(guān)系到水流的暢通、流量是否滿(mǎn)足要求，是在設計制造時(shí)應考慮的問(wèn)題。

3、加強維護與修理

      加強維護保養工作，經(jīng)常檢查高壓泵、噴油器及聯(lián)接機構和空氣進(jìn)氣管路、空氣濾清器等部件，及時(shí)維修、調整排除供油提前角過(guò)大或過(guò)小及供油量過(guò)大或進(jìn)氣量過(guò)小等故障，使可燃混合氣濃度控制在規定值（13.2—16.2）范圍之內，防止出現不完全燃燒而影響輸出功率的現象。

4、保持冷卻系統良好的散熱能力

（1）防止水垢過(guò)多、過(guò)厚影響散熱效果

      柴油機長(cháng)時(shí)間使用硬水作為冷卻媒介，將造成氣缸體、氣缸蓋的水套以及散熱水管內壁沉積水垢過(guò)厚；使用的不清潔的冷卻水中，有泥土、油污與沉積物水垢會(huì )在一起，附于水道壁上，影響散熱效能，使柴油機過(guò)熱。在發(fā)電機組使用時(shí)，應避免使用硬水及臟污的水作為冷卻媒介，保持冷卻系統散熱能力。

（2）保持散熱器本體的散熱效能

      散熱器容量過(guò)小，散熱面積過(guò)小，影響冷卻效果，水溫升高。在發(fā)電機組配置上應選擇相匹配的散熱器，以保證散熱效能。如果在使用時(shí)散熱器受到振動(dòng)造成焊縫開(kāi)裂，冷卻水泄漏而影響散熱效果，應及時(shí)修復，以恢復其散熱效能。

（3）為散熱器提供良好的導風(fēng)效果

      在設計制造時(shí)應充分考慮到冷卻系統的導風(fēng)效果，避免影響散熱器的散熱效果。使用塑料風(fēng)扇葉，在高溫時(shí)容易產(chǎn)生扭曲變形，或風(fēng)扇在改裝后，葉片的傾角發(fā)生改變；冷卻風(fēng)扇可能由溫控開(kāi)關(guān)控制，也可能由水溫傳感器控制，或由風(fēng)扇離合器控制，應經(jīng)常這些部位，防止異常損壞而影響排風(fēng)量，降低鼓風(fēng)效果?？墒褂娩撈|(zhì)風(fēng)扇，并確保安裝正確。在裝配時(shí)還應保持散熱器與導風(fēng)罩接合面的密封，避免風(fēng)扇安裝與風(fēng)罩位置之間的不合理。防止散熱器迎面氣流受阻，導風(fēng)不良，使散熱器氣流減少，風(fēng)力差。為散熱器提供良好的導風(fēng)效果，保持冷卻系統的散熱能力。

5、防止柴油機氣缸損蝕造成水溫過(guò)高

      氣缸墊燒損、氣缸蓋或缸套出現裂紋等故障都會(huì )引起燃燒室與水道竄通，水道與油道竄通，水道與水道竄通，都將影響柴油機的散熱效果。

① 當燃燒室與水道竄通時(shí)，會(huì )從加水口、排水管排出水份或排氣管、曲軸箱通風(fēng)管冒出白煙；

② 當水道與油道竄通，檢查機油時(shí)會(huì )發(fā)現有水且呈乳白色；

③ 當水道與水道竄通時(shí)，冷卻水會(huì )在水道中回流，造成缸體散熱不良，尤其在高速時(shí)影響更大。

      出現這些故障，將很大程度上影響柴油機的冷卻效果，導致功率輸出受到影響。故在使用、維修過(guò)程，應根據具體的故障現象，準確判斷故障部位，及時(shí)徹底修復排除，以達到控制水溫的目的，確保柴油機功率輸出正常。

 

四、冷卻水溫過(guò)高的防控策略

 

1、造成柴油機溫度過(guò)低的影響因素

（1）節溫器失靈不受水溫變化控制一直打開(kāi)；

（2）冬季保溫措施不當；

（3）百葉窗、擋風(fēng)簾關(guān)閉不嚴；

（4）水溫傳感器失靈誤測示；

（5）散熱風(fēng)扇提前運轉散熱；

（6）壓縮比變??；

（7）漏氣率加大

（8）熱量損失過(guò)大；

（9）中冷器、增壓器不受控制一直工作；

（10）廢氣再循環(huán)不受控制一直工作。

2、影響因素分析

      在分析柴油機工作溫度過(guò)低的影響因素時(shí)應注意：起動(dòng)柴油機，使其工作較長(cháng)時(shí)間，其水溫達不到正常工作溫度，并伴有動(dòng)力不足、油耗量增加、排黑煙，對該情況應立即停機，迅速查找原因所在。停機先用手觸摸機體的外表，確定水溫的真實(shí)情況：如水溫虛低，是水溫傳感器失靈的緣故，否則查看散熱器風(fēng)扇是否提前運轉散熱，冬季保溫裝置是否良好，百葉窗、擋風(fēng)簾是否正常工作，中冷器、增壓器、廢氣再循環(huán)等裝置是否正常工作，對其進(jìn)行確認采取相應措施，問(wèn)題會(huì )很快得以解決。

      對于節溫器故障，壓縮比變化，氣缸漏氣率，散熱損失，氣門(mén)間隙等問(wèn)題，檢測相應參數是否與正常規定參數相符合，否則進(jìn)行拆檢更換。

3、改善柴油機溫度過(guò)低的相應措施

（1）確保柴油機低溫正常起動(dòng)。

① 采用預熱方式提高空氣進(jìn)口溫度；

② 采用預熱方式提高冷卻水溫度，加熱裝置結構如圖5所示；

③ 采用粘度低的潤滑油，機油等級對應如圖6所示；

④ 采用吸入式噴入輔助燃料。

（2）保持節溫器正常工作。

（3）確保散熱風(fēng)扇在散熱溫度95℃以上正常運轉。

（4）正確使用保溫裝置。

 

圖5  柴油機預熱裝置結構圖

圖6  柴油發(fā)電機低溫潤滑油等級對應表

 

總結：

      由于冷卻系統的各種因素導致的水溫過(guò)高或過(guò)低，造成柴油機過(guò)熱或過(guò)冷，會(huì )使構成柴油機的零件強度及剛度降低，正常的工作間隙被破壞，運動(dòng)件間的潤滑油會(huì )變質(zhì)和焦化，結果使得受力零件可能損壞，運動(dòng)零件的摩擦和磨損加劇，進(jìn)、排氣受阻，最終使柴油機工作不可靠，使用壽命下降，動(dòng)力性、經(jīng)濟性、排放性變差。柴油機機油的油溫變化，會(huì )使摩擦副間的潤滑油膜遭到破壞，出現干摩擦，使摩擦阻力增大，導致柴油機內部功率損耗增大，綜合性能下降。對上述造成柴油機工作溫度異常的各種影響因素，應根據不同的情況，逐個(gè)采取相應的措施予以排除。謹記履行迅速、快捷的原則，抓住問(wèn)題的本質(zhì)，及時(shí)排除故障所在。此外，在柴油發(fā)電機組的使用過(guò)程，應合理調控，加強對柴油機的維護保養，使之經(jīng)常處于良好的環(huán)境中正常工作，確保柴油機的功率正常輸出，從而有效保持柴油發(fā)電機組的動(dòng)力性能。

 

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