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康明斯柴油发动机的工作温度以及过热或过冷的危害 |
摘要：柴油发动机冷却水的正常温度，除发动机满负荷或超负荷时允许短时间沸腾外，水温均应保持在75～95℃。而发动机水温超过95℃即称为发动机过热，低于75℃则称为发动机过冷。因此，冷却系统的功能就是使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内，既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷。在发动机冷起动之后，冷却系统还要保证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度。本文就发动机冷却水温度过高或过低情况下，对柴油发电机组输出功率的影响及防控措施方面与大家共探讨。
一、柴油机工作温度与环境温度
柴油机在使用过程中会随着使用时间和环境变化出现工作异常，例如难起动、动力下降、爆燃和异响等等。这些异常现象都极有可能是由柴油机工作温度异常（过高或过低）引起的。因此，分析柴油机工作温度异常的影响因素，提出改善柴油机工作温度异常的措施，具有实际意义。
1、发动机各部件的正常温度
（1）发动机工作时，由于燃料的燃烧，气缸内气体温度高达2200K~2800K（1927℃~2527℃），大约1/3做功转变为机械能，其余大部分随废气排出，其余则被发动机零件吸收，使发动机零部件温度升高，特别是直接与高温气体接触的零件，若不及时冷却，则难以保证发动机正常工作。这个时候，冷却系统保证了发动机在最适宜的温度范围内工作，其原理如图1所示。
（2）水冷式发动机保持正常工作，其冷却水的温度应在353K~363K（80℃~90℃）之间。此时，气缸壁温度不超过473K~573K（200℃~300℃）；气缸盖、活塞顶部的温度不超过573K~673K（300℃~400℃）；润滑油的温度在343K~363K（70℃~90℃），保证发动机具有较好的动力性、经济性和净化性，使零件的运动和磨损正常。
（3）风冷发动机铝气缸壁的温度允许为423K~453K（150℃~180℃），铝气缸盖则为433K~473K（160℃~200℃）。
2、环境温度对部件的影响
随着环境温度上升，空气密度降低，柴油机进气量会下降，导致柴油机增压压力下降，爆压下降，同时由于进气流量下降，过量空气系数会减小，燃烧恶化，油耗上升；环境温度下降时趋势则相反。环境温度每下降5℃，该柴油机额定负荷增压压力上升约7kPa，爆压上升约0.23 MPa，当环境温度低于20 ℃，爆压超出限值；环境温度每上升5℃，涡前排温上升8℃左右，缸盖排温上升9℃左右，过量空气系数下降0.05，油耗上升0.8 g/(kW·h)，当环境温度高于38℃，涡前排温与缸盖排温超出限值。
喷油正时对柴油机爆压、排温及油耗影响明显，喷油正时每推迟1°，柴油机爆压下降0.5～0.6 MPa，排温上升3℃左右，油耗上升1.7 g/(kW·h)。由此可见，对于爆压超限的情况可采用推迟喷油正时的方法，对排温超限的情况可采用喷油正时提前的方法。
不同喷油正时对柴油机性能的影响根据不同环境温度下仿真计算结果，环境温度为5 ℃时，爆压超出限值0.8 MPa，但涡前排温低于限值50℃;环境温度为45℃时，爆压低于限值1MPa，但涡前排温超出限值12℃;结合喷油正时对爆压与排温的影响规律，则低温时调整推迟喷油正时排温的风险较小，但高温时提前喷油正时存在爆压超限的风险。为使各环境温度下的爆压与涡前排温均不超出限值，首先应考虑使用高爆压。喷油对柴油机温度的影响曲线如图2所示。
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图1 发动机冷却系统运行图 |
图2 喷油系统对柴油机着火温度的影响曲线 |
二、发动机温度异常的危害
1、发动机过热的危害
发动机过热意味着发动机冷却系统的温度过高。柴油发动机冷却水温过高，热转换效率低，机体内部运动机件润滑不良，磨擦阻力增加，能量消耗增加，影响功率正常输出。女在运用维修过程，能及时发现与排除水温过高故障，防止水温过高，可确保功率正常输出。发动机温度过高的原因很多，高温后对发动机的损害也很多，主因如下：
（1）影响功率输出
柴油机通过燃料燃烧化学能转变为热能，再由热能转换成机械能的一系列能量转换过程然后输出功率。 若冷却系水温持续在95℃以上，表明柴油机的燃料未能完全燃烧，即热转换效率很低。热能未能充分利用并转换成为机械能，造成能量浪费，输出功率受到影响。 若冷却水温持续在95℃以上，甚至达到100℃以上时，因零件表面温度很高，而造成润滑油的温度增高，润滑条件恶化，运动部件不能得到良好的冷却，运动部件的摩擦阻力增加，摩擦损失的机械能增加，也使输出功率下降。
（2）影响进气系统的正常工作
柴油机温度很高，进气温度也将很高，进气量将应相减少。对于国三排放柴油机，使用机械高压油泵，供油量不是随着进气量来改变，当进气量减少时，供油量不变，故混合气变浓，造成柴油机燃料未能完全燃烧，柴油机温度升高，引起柴油机工作恶性循环，影响功率正常输出。
（3）引起ECU保护
在国三排放电喷型柴油机上，冷却水温度及进气温度过高时，控制器ecu会根据传感器监测到的信息，对柴油机电控系统启动热保护功能，将供油量控制在一定的百分比，控制柴油机的功率输出。 当冷却系出现水温超过两次100℃以上（开锅）以后，各配合部件的表面因过热影响，会导致产生不正常运动，发生不正常的摩擦，就算这时在运行中暂时未出现水温升高，柴油机的磨擦阻力也较大，功率未能正常输出。
（4）零件磨损
① 早燃和爆燃的倾向加大，破坏了发动机的正常工作、同时也促使零件承受额外的冲击载荷而造成早期损坏。
② 运动件间的正常间隙被破坏，使零件不能正常运动，甚至损坏。
③ 金属材料的力学性能降低，造成零件的变形及损坏。康明斯公司使用仿真系统对高温下气缸的研究，证明温度过高必然引起气缸变形，其温度分布图如图3所示，仿真和试验曲线对比如图4所示。
④ 润滑情况恶化，加剧了零件的摩擦和磨损。
发动机的冷却，如果单纯依靠零件本身对外散热是不够的，必须对某些零件特别是与高温气体直接接触的零件进行必要的强制冷却，才能保证发动机正常运转。但是，过分的冷却也会引起不良后果。
2、发动机过冷的危害
进入气缸的混合气（或空气）温度过低，可燃混合气质量差，导致发动机功率下降，油耗增加；燃烧产物中的水蒸气容易凝结成水，加剧了对身体和部位的侵蚀。未汽化的燃油冲刷和稀释零件（气缸壁、活塞、活塞环等）表面的油膜。这加剧了零件的磨损。
（1）进入汽缸的可燃混合气（或空气）温度太低，使点燃困难或燃烧迟缓，造成发动机功率下降以及燃料消耗量增加。
（2）润滑油的黏度增大，造成润滑不良，加剧了零件的磨损，同时增大了功率消耗。
（3）燃烧后的生成物中的水蒸气易冷凝成水与酸性气体形成酸类，加重了对零件特别是汽缸壁的侵蚀作用。
（4）因温度过低而未汽化的燃料对摩擦表面（汽缸壁、活塞、活塞环等）上油膜的冲刷以及对润滑油的稀释，加重了对零件的磨损。
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图3 柴油机缸盖工作中温度分布图 |
图4 柴油机缸盖工作中温度曲线图 |
三、冷却水温过高的防控策略
柴油机水温过高时，都会出现一些征兆，例如柴油机冷车起动及运行中，冷却水温持续在95℃以上，表明温度过高。此故障一般发生在柴油机超负荷运转时、柴油机燃料未能完全燃烧时及冷却系统工作不良时。因此，在使用与维修过程应及时发现与排除处理，防止水温过高的故障发生，有效控制水温，可确保功率正常输出。
1、防止柴油机长时间超负荷运转
柴油机长时间超负荷运转，各运动件的负荷增加，转速降低，润滑性能下降，引起过热。故应控制柴油机的负荷，防止长时间超负荷运转，确保水温正常。
2、保持冷却水流量满足要求
（1）防止冷却系统缺水
① 加强发电机组的日常维护工作，严格发电机组运行的“三检”制度，做到及时发现并排除因水泵损坏、气缸垫损坏、散热器损坏及水管、水道裂损而泄漏冷却水的故障，确保水量充足；
② 避免在加水时，水道内有空气而使水量未能加足。
（2）确保水泵工作正常
① 经常检查水泵的工作情况，防止水泵泄漏、叶轮磨损或变形等异常损坏而影响正常供水。
② 经常检查水泵传动皮带的松紧度，防止皮带松弛引起打滑，影响水泵转速而降低供水能力。
③ 防止节温器滞卡、失灵等异常损坏 节温器滞卡、失灵时，冷却水未能按柴油机需要的水流量控制流量，影响散热效果，故在检查发现节温器滞卡或失灵时，应及时更换修复。
④ 却水道的形状及大小，关系到水流的畅通、流量是否满足要求，是在设计制造时应考虑的问题。
3、加强维护与修理
加强维护保养工作，经常检查高压泵、喷油器及联接机构和空气进气管路、空气滤清器等部件，及时维修、调整排除供油提前角过大或过小及供油量过大或进气量过小等故障，使可燃混合气浓度控制在规定值（13.2—16.2）范围之内，防止出现不完全燃烧而影响输出功率的现象。
4、保持冷却系统良好的散热能力
（1）防止水垢过多、过厚影响散热效果
柴油机长时间使用硬水作为冷却媒介，将造成气缸体、气缸盖的水套以及散热水管内壁沉积水垢过厚；使用的不清洁的冷却水中，有泥土、油污与沉积物水垢会在一起，附于水道壁上，影响散热效能，使柴油机过热。在发电机组使用时，应避免使用硬水及脏污的水作为冷却媒介，保持冷却系统散热能力。
（2）保持散热器本体的散热效能
散热器容量过小，散热面积过小，影响冷却效果，水温升高。在发电机组配置上应选择相匹配的散热器，以保证散热效能。如果在使用时散热器受到振动造成焊缝开裂，冷却水泄漏而影响散热效果，应及时修复，以恢复其散热效能。
（3）为散热器提供良好的导风效果
在设计制造时应充分考虑到冷却系统的导风效果，避免影响散热器的散热效果。使用塑料风扇叶，在高温时容易产生扭曲变形，或风扇在改装后，叶片的倾角发生改变；冷却风扇可能由温控开关控制，也可能由水温传感器控制，或由风扇离合器控制，应经常这些部位，防止异常损坏而影响排风量，降低鼓风效果。可使用钢片质风扇，并确保安装正确。在装配时还应保持散热器与导风罩接合面的密封，避免风扇安装与风罩位置之间的不合理。防止散热器迎面气流受阻，导风不良，使散热器气流减少，风力差。为散热器提供良好的导风效果，保持冷却系统的散热能力。
5、防止柴油机气缸损蚀造成水温过高
气缸垫烧损、气缸盖或缸套出现裂纹等故障都会引起燃烧室与水道窜通，水道与油道窜通，水道与水道窜通，都将影响柴油机的散热效果。
① 当燃烧室与水道窜通时，会从加水口、排水管排出水份或排气管、曲轴箱通风管冒出白烟；
② 当水道与油道窜通，检查机油时会发现有水且呈乳白色；
③ 当水道与水道窜通时，冷却水会在水道中回流，造成缸体散热不良，尤其在高速时影响更大。
出现这些故障，将很大程度上影响柴油机的冷却效果，导致功率输出受到影响。故在使用、维修过程，应根据具体的故障现象，准确判断故障部位，及时彻底修复排除，以达到控制水温的目的，确保柴油机功率输出正常。
四、冷却水温过高的防控策略
1、造成柴油机温度过低的影响因素
（1）节温器失灵不受水温变化控制一直打开；
（2）冬季保温措施不当；
（3）百叶窗、挡风帘关闭不严；
（4）水温传感器失灵误测示；
（5）散热风扇提前运转散热；
（6）压缩比变小；
（7）漏气率加大
（8）热量损失过大；
（9）中冷器、增压器不受控制一直工作；
（10）废气再循环不受控制一直工作。
2、影响因素分析
在分析柴油机工作温度过低的影响因素时应注意：起动柴油机，使其工作较长时间，其水温达不到正常工作温度，并伴有动力不足、油耗量增加、排黑烟，对该情况应立即停机，迅速查找原因所在。停机先用手触摸机体的外表，确定水温的真实情况：如水温虚低，是水温传感器失灵的缘故，否则查看散热器风扇是否提前运转散热，冬季保温装置是否良好，百叶窗、挡风帘是否正常工作，中冷器、增压器、废气再循环等装置是否正常工作，对其进行确认采取相应措施，问题会很快得以解决。
对于节温器故障，压缩比变化，气缸漏气率，散热损失，气门间隙等问题，检测相应参数是否与正常规定参数相符合，否则进行拆检更换。
3、改善柴油机温度过低的相应措施
（1）确保柴油机低温正常起动。
① 采用预热方式提高空气进口温度；
② 采用预热方式提高冷却水温度，加热装置结构如图5所示；
③ 采用粘度低的润滑油，机油等级对应如图6所示；
④ 采用吸入式喷入辅助燃料。
（2）保持节温器正常工作。
（3）确保散热风扇在散热温度95℃以上正常运转。
（4）正确使用保温装置。
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图5 柴油机预热装置结构图 |
图6 柴油发电机低温润滑油等级对应表 |
总结：
由于冷却系统的各种因素导致的水温过高或过低，造成柴油机过热或过冷，会使构成柴油机的零件强度及刚度降低，正常的工作间隙被破坏，运动件间的润滑油会变质和焦化，结果使得受力零件可能损坏，运动零件的摩擦和磨损加剧，进、排气受阻，最终使柴油机工作不可靠，使用寿命下降，动力性、经济性、排放性变差。柴油机机油的油温变化，会使摩擦副间的润滑油膜遭到破坏，出现干摩擦，使摩擦阻力增大，导致柴油机内部功率损耗增大，综合性能下降。对上述造成柴油机工作温度异常的各种影响因素，应根据不同的情况，逐个采取相应的措施予以排除。谨记履行迅速、快捷的原则，抓住问题的本质，及时排除故障所在。此外，在柴油发电机组的使用过程，应合理调控，加强对柴油机的维护保养，使之经常处于良好的环境中正常工作，确保柴油机的功率正常输出，从而有效保持柴油发电机组的动力性能。
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