新聞主題	康明斯柴油發(fā)動機(jī)的工作溫度以及過熱或過冷的危害

 

摘要：柴油發(fā)動機(jī)冷卻水的正常溫度，除發(fā)動機(jī)滿負(fù)荷或超負(fù)荷時允許短時間沸騰外，水溫均應(yīng)保持在75～95℃。而發(fā)動機(jī)水溫超過95℃即稱為發(fā)動機(jī)過熱，低于75℃則稱為發(fā)動機(jī)過冷。因此，冷卻系統(tǒng)的功能就是使發(fā)動機(jī)在所有工況下都保持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)，既要防止發(fā)動機(jī)過熱，也要防止冬季發(fā)動機(jī)過冷。在發(fā)動機(jī)冷起動之后，冷卻系統(tǒng)還要保證發(fā)動機(jī)迅速升溫，盡快達(dá)到正常的工作溫度。本文就發(fā)動機(jī)冷卻水溫度過高或過低情況下，對柴油發(fā)電機(jī)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(jī)工作溫度與環(huán)境溫度

 

      柴油機(jī)在使用過程中會隨著使用時間和環(huán)境變化出現(xiàn)工作異常，例如難起動、動力下降、爆燃和異響等等。這些異常現(xiàn)象都極有可能是由柴油機(jī)工作溫度異常（過高或過低）引起的。因此，分析柴油機(jī)工作溫度異常的影響因素，提出改善柴油機(jī)工作溫度異常的措施，具有實(shí)際意義。

1、發(fā)動機(jī)各部件的正常溫度

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

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

（3）風(fēng)冷發(fā)動機(jī)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

       隨著環(huán)境溫度上升，空氣密度降低，柴油機(jī)進(jìn)氣量會下降，導(dǎo)致柴油機(jī)增壓壓力下降，爆壓下降，同時由于進(jìn)氣流量下降，過量空氣系數(shù)會減小，燃燒惡化，油耗上升；環(huán)境溫度下降時趨勢則相反。環(huán)境溫度每下降5℃，該柴油機(jī)額定負(fù)荷增壓壓力上升約7kPa，爆壓上升約0.23 MPa，當(dāng)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，過量空氣系數(shù)下降0.05，油耗上升0.8 g/(kW·h)，當(dāng)環(huán)境溫度高于38℃，渦前排溫與缸蓋排溫超出限值。

      噴油正時對柴油機(jī)爆壓、排溫及油耗影響明顯，噴油正時每推遲1°，柴油機(jī)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，對于爆壓超限的情況可采用推遲噴油正時的方法，對排溫超限的情況可采用噴油正時提前的方法。

      不同噴油正時對柴油機(jī)性能的影響根據(jù)不同環(huán)境溫度下仿真計算結(jié)果，環(huán)境溫度為5 ℃時，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，爆壓低于限值1MPa，但渦前排溫超出限值12℃;結(jié)合噴油正時對爆壓與排溫的影響規(guī)律，則低溫時調(diào)整推遲噴油正時排溫的風(fēng)險較小，但高溫時提前噴油正時存在爆壓超限的風(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(yīng)考慮使用高爆壓。噴油對柴油機(jī)溫度的影響曲線如圖2所示。

 

圖1  發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行圖

圖2  噴油系統(tǒng)對柴油機(jī)著火溫度的影響曲線

 

二、發(fā)動機(jī)溫度異常的危害

 

1、發(fā)動機(jī)過熱的危害

      發(fā)動機(jī)過熱意味著發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的溫度過高。柴油發(fā)動機(jī)冷卻水溫過高，熱轉(zhuǎn)換效率低，機(jī)體內(nèi)部運(yùn)動機(jī)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(yùn)用維修過程，能及時發(fā)現(xiàn)與排除水溫過高故障，防止水溫過高，可確保功率正常輸出。發(fā)動機(jī)溫度過高的原因很多，高溫后對發(fā)動機(jī)的損害也很多，主因如下：

（1）影響功率輸出

      柴油機(jī)通過燃料燃燒化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽儆蔁崮苻D(zhuǎn)換成機(jī)械能的一系列能量轉(zhuǎn)換過程然后輸出功率。 若冷卻系水溫持續(xù)在95℃以上，表明柴油機(jī)的燃料未能完全燃燒，即熱轉(zhuǎn)換效率很低。熱能未能充分利用并轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能，造成能量浪費(fèi)，輸出功率受到影響。 若冷卻水溫持續(xù)在95℃以上，甚至達(dá)到100℃以上時，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(yùn)動部件不能得到良好的冷卻，運(yùn)動部件的摩擦阻力增加，摩擦損失的機(jī)械能增加，也使輸出功率下降。

（2）影響進(jìn)氣系統(tǒng)的正常工作

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

（3）引起ECU保護(hù)

      在國三排放電噴型柴油機(jī)上，冷卻水溫度及進(jìn)氣溫度過高時，控制器ecu會根據(jù)傳感器監(jiān)測到的信息，對柴油機(jī)電控系統(tǒng)啟動熱保護(hù)功能，將供油量控制在一定的百分比，控制柴油機(jī)的功率輸出。 當(dāng)冷卻系出現(xiàn)水溫超過兩次100℃以上（開鍋）以后，各配合部件的表面因過熱影響，會導(dǎo)致產(chǎn)生不正常運(yùn)動，發(fā)生不正常的摩擦，就算這時在運(yùn)行中暫時未出現(xiàn)水溫升高，柴油機(jī)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)動機(jī)的正常工作、同時也促使零件承受額外的沖擊載荷而造成早期損壞。

② 運(yùn)動件間的正常間隙被破壞，使零件不能正常運(yùn)動，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。康明斯公司使用仿真系統(tǒng)對高溫下氣缸的研究，證明溫度過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(yàn)曲線對比如圖4所示。

④ 潤滑情況惡化，加劇了零件的摩擦和磨損。

      發(fā)動機(jī)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(qiáng)制冷卻，才能保證發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，過分的冷卻也會引起不良后果。

2、發(fā)動機(jī)過冷的危害

      進(jìn)入氣缸的混合氣（或空氣）溫度過低，可燃混合氣質(zhì)量差，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率下降，油耗增加；燃燒產(chǎn)物中的水蒸氣容易凝結(jié)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)動機(jī)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，加重了對零件特別是汽缸壁的侵蝕作用。

（4）因溫度過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，加重了對零件的磨損。

 

圖3  柴油機(jī)缸蓋工作中溫度分布圖

圖4  柴油機(jī)缸蓋工作中溫度曲線圖

 

三、冷卻水溫過高的防控策略

 

      柴油機(jī)水溫過高時，都會出現(xiàn)一些征兆，例如柴油機(jī)冷車起動及運(yùn)行中，冷卻水溫持續(xù)在95℃以上，表明溫度過高。此故障一般發(fā)生在柴油機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時、柴油機(jī)燃料未能完全燃燒時及冷卻系統(tǒng)工作不良時。因此，在使用與維修過程應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)與排除處理，防止水溫過高的故障發(fā)生，有效控制水溫，可確保功率正常輸出。

1、防止柴油機(jī)長時間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)

      柴油機(jī)長時間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，各運(yùn)動件的負(fù)荷增加，轉(zhuǎn)速降低，潤滑性能下降，引起過熱。故應(yīng)控制柴油機(jī)的負(fù)荷，防止長時間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，確保水溫正常。

2、保持冷卻水流量滿足要求 

（1）防止冷卻系統(tǒng)缺水

① 加強(qiáng)發(fā)電機(jī)組的日常維護(hù)工作，嚴(yán)格發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的“三檢”制度，做到及時發(fā)現(xiàn)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，水道內(nèi)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)常檢查水泵傳動皮帶的松緊度，防止皮帶松弛引起打滑，影響水泵轉(zhuǎn)速而降低供水能力。

③ 防止節(jié)溫器滯卡、失靈等異常損壞 節(jié)溫器滯卡、失靈時，冷卻水未能按柴油機(jī)需要的水流量控制流量，影響散熱效果，故在檢查發(fā)現(xiàn)節(jié)溫器滯卡或失靈時，應(yīng)及時更換修復(fù)。

④ 卻水道的形狀及大小，關(guān)系到水流的暢通、流量是否滿足要求，是在設(shè)計制造時應(yīng)考慮的問題。

3、加強(qiáng)維護(hù)與修理

      加強(qiáng)維護(hù)保養(yǎng)工作，經(jīng)常檢查高壓泵、噴油器及聯(lián)接機(jī)構(gòu)和空氣進(jìn)氣管路、空氣濾清器等部件，及時維修、調(diào)整排除供油提前角過大或過小及供油量過大或進(jìn)氣量過小等故障，使可燃混合氣濃度控制在規(guī)定值（13.2—16.2）范圍之內(nèi)，防止出現(xiàn)不完全燃燒而影響輸出功率的現(xiàn)象。

4、保持冷卻系統(tǒng)良好的散熱能力

（1）防止水垢過多、過厚影響散熱效果

      柴油機(jī)長時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(nèi)壁沉積水垢過厚；使用的不清潔的冷卻水中，有泥土、油污與沉積物水垢會在一起，附于水道壁上，影響散熱效能，使柴油機(jī)過熱。在發(fā)電機(jī)組使用時，應(yīng)避免使用硬水及臟污的水作為冷卻媒介，保持冷卻系統(tǒng)散熱能力。

（2）保持散熱器本體的散熱效能

      散熱器容量過小，散熱面積過小，影響冷卻效果，水溫升高。在發(fā)電機(jī)組配置上應(yīng)選擇相匹配的散熱器，以保證散熱效能。如果在使用時散熱器受到振動造成焊縫開裂，冷卻水泄漏而影響散熱效果，應(yīng)及時修復(fù)，以恢復(fù)其散熱效能。

（3）為散熱器提供良好的導(dǎo)風(fēng)效果

      在設(shè)計制造時應(yīng)充分考慮到冷卻系統(tǒng)的導(dǎo)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(yīng)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。可使用鋼片質(zhì)風(fēng)扇，并確保安裝正確。在裝配時還應(yīng)保持散熱器與導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)風(fēng)效果，保持冷卻系統(tǒng)的散熱能力。

5、防止柴油機(jī)氣缸損蝕造成水溫過高

      氣缸墊燒損、氣缸蓋或缸套出現(xiàn)裂紋等故障都會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(jī)的散熱效果。

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

② 當(dāng)水道與油道竄通，檢查機(jī)油時會發(fā)現(xiàn)有水且呈乳白色；

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

      出現(xiàn)這些故障，將很大程度上影響柴油機(jī)的冷卻效果，導(dǎo)致功率輸出受到影響。故在使用、維修過程，應(yīng)根據(jù)具體的故障現(xiàn)象，準(zhǔn)確判斷故障部位，及時徹底修復(fù)排除，以達(dá)到控制水溫的目的，確保柴油機(jī)功率輸出正常。

 

四、冷卻水溫過高的防控策略

 

1、造成柴油機(jī)溫度過低的影響因素

（1）節(jié)溫器失靈不受水溫變化控制一直打開；

（2）冬季保溫措施不當(dāng)；

（3）百葉窗、擋風(fēng)簾關(guān)閉不嚴(yán)；

（4）水溫傳感器失靈誤測示；

（5）散熱風(fēng)扇提前運(yùn)轉(zhuǎn)散熱；

（6）壓縮比變小；

（7）漏氣率加大

（8）熱量損失過大；

（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(jī)工作溫度過低的影響因素時應(yīng)注意：起動柴油機(jī)，使其工作較長時間，其水溫達(dá)不到正常工作溫度，并伴有動力不足、油耗量增加、排黑煙，對該情況應(yīng)立即停機(jī)，迅速查找原因所在。停機(jī)先用手觸摸機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)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(rèn)采取相應(yīng)措施，問題會很快得以解決。

      對于節(jié)溫器故障，壓縮比變化，氣缸漏氣率，散熱損失，氣門間隙等問題，檢測相應(yīng)參數(shù)是否與正常規(guī)定參數(shù)相符合，否則進(jìn)行拆檢更換。

3、改善柴油機(jī)溫度過低的相應(yīng)措施

（1）確保柴油機(jī)低溫正常起動。

① 采用預(yù)熱方式提高空氣進(jìn)口溫度；

② 采用預(yù)熱方式提高冷卻水溫度，加熱裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示；

③ 采用粘度低的潤滑油，機(jī)油等級對應(yīng)如圖6所示；

④ 采用吸入式噴入輔助燃料。

（2）保持節(jié)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(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）正確使用保溫裝置。

 

圖5  柴油機(jī)預(yù)熱裝置結(jié)構(gòu)圖

圖6  柴油發(fā)電機(jī)低溫潤滑油等級對應(yīng)表

 

總結(jié)：

      由于冷卻系統(tǒng)的各種因素導(dǎo)致的水溫過高或過低，造成柴油機(jī)過熱或過冷，會使構(gòu)成柴油機(jī)的零件強(qiáng)度及剛度降低，正常的工作間隙被破壞，運(yùn)動件間的潤滑油會變質(zhì)和焦化，結(jié)果使得受力零件可能損壞，運(yùn)動零件的摩擦和磨損加劇，進(jìn)、排氣受阻，最終使柴油機(jī)工作不可靠，使用壽命下降，動力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性變差。柴油機(jī)機(jī)油的油溫變化，會使摩擦副間的潤滑油膜遭到破壞，出現(xiàn)干摩擦，使摩擦阻力增大，導(dǎo)致柴油機(jī)內(nèi)部功率損耗增大，綜合性能下降。對上述造成柴油機(jī)工作溫度異常的各種影響因素，應(yīng)根據(jù)不同的情況，逐個采取相應(yīng)的措施予以排除。謹(jǐn)記履行迅速、快捷的原則，抓住問題的本質(zhì)，及時排除故障所在。此外，在柴油發(fā)電機(jī)組的使用過程，應(yīng)合理調(diào)控，加強(qiáng)對柴油機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)，使之經(jīng)常處于良好的環(huán)境中正常工作，確保柴油機(jī)的功率正常輸出，從而有效保持柴油發(fā)電機(jī)組的動力性能。

 

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