新聞主題	康明斯柴油發動機的工作溫度以及過熱或過冷的危害

 

摘要：柴油發動機冷卻水的正常溫度，除發動機滿負荷或超負荷時允許短時間沸騰外，水溫均應保持在75～95℃。而發動機水溫超過95℃即稱為發動機過熱，低于75℃則稱為發動機過冷。因此，冷卻系統的功能就是使發動機在所有工況下都保持在適當的溫度范圍內，既要防止發動機過熱，也要防止冬季發動機過冷。在發動機冷起動之后，冷卻系統還要保證發動機迅速升溫，盡快達到正常的工作溫度。本文就發動機冷卻水溫度過高或過低情況下，對柴油發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境溫度

 

      柴油機在使用過程中會隨著使用時間和環境變化出現工作異常，例如難起動、動力下降、爆燃和異響等等。這些異常現象都極有可能是由柴油機工作溫度異常（過高或過低）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，具有實際意義。

1、發動機各部件的正常溫度

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

（2）水冷式發動機保持正常工作，其冷卻水的溫度應在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℃），保證發動機具有較好的動力性、經濟性和凈化性，使零件的運動和磨損正常。

（3）風冷發動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、環境溫度對部件的影響

       隨著環境溫度上升，空氣密度降低，柴油機進氣量會下降，導致柴油機增壓壓力下降，爆壓下降，同時由于進氣流量下降，過量空氣系數會減小，燃燒惡化，油耗上升；環境溫度下降時趨勢則相反。環境溫度每下降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，當環境溫度低于20 ℃，爆壓超出限值；環境溫度每上升5℃，渦前排溫上升8℃左右，缸蓋排溫上升9℃左右，過量空氣系數下降0.05，油耗上升0.8 g/(kW·h)，當環境溫度高于38℃，渦前排溫與缸蓋排溫超出限值。

      噴油正時對柴油機爆壓、排溫及油耗影響明顯，噴油正時每推遲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，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性能的影響根據不同環境溫度下仿真計算結果，環境溫度為5 ℃時，爆壓超出限值0.8 MPa，但渦前排溫低于限值50℃;環境溫度為45℃時，爆壓低于限值1MPa，但渦前排溫超出限值12℃;結合噴油正時對爆壓與排溫的影響規律，則低溫時調整推遲噴油正時排溫的風險較小，但高溫時提前噴油正時存在爆壓超限的風險。為使各環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如圖2所示。

 

圖1  發動機冷卻系統運行圖

圖2  噴油系統對柴油機著火溫度的影響曲線

 

二、發動機溫度異常的危害

 

1、發動機過熱的危害

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

（1）影響功率輸出

      柴油機通過燃料燃燒化學能轉變為熱能，再由熱能轉換成機械能的一系列能量轉換過程然后輸出功率。 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，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，運動部件不能得到良好的冷卻，運動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）影響進氣系統的正常工作

      柴油機溫度很高，進氣溫度也將很高，進氣量將應相減少。對于國三排放柴油機，使用機械高壓油泵，供油量不是隨著進氣量來改變，當進氣量減少時，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，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，冷卻水溫度及進氣溫度過高時，控制器ecu會根據傳感器監測到的信息，對柴油機電控系統啟動熱保護功能，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兩次100℃以上（開鍋）以后，各配合部件的表面因過熱影響，會導致產生不正常運動，發生不正常的摩擦，就算這時在運行中暫時未出現水溫升高，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，破壞了發動機的正常工作、同時也促使零件承受額外的沖擊載荷而造成早期損壞。

② 運動件間的正常間隙被破壞，使零件不能正常運動，甚至損壞。

③ 金屬材料的力學性能降低，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。

      發動機的冷卻，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行必要的強制冷卻，才能保證發動機正常運轉。但是，過分的冷卻也會引起不良后果。

2、發動機過冷的危害

      進入氣缸的混合氣（或空氣）溫度過低，可燃混合氣質量差，導致發動機功率下降，油耗增加；燃燒產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、活塞環等）表面的油膜。這加劇了零件的磨損。

（1）進入汽缸的可燃混合氣（或空氣）溫度太低，使點燃困難或燃燒遲緩，造成發動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  柴油機缸蓋工作中溫度分布圖

圖4  柴油機缸蓋工作中溫度曲線圖

 

三、冷卻水溫過高的防控策略

 

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

1、防止柴油機長時間超負荷運轉

      柴油機長時間超負荷運轉，各運動件的負荷增加，轉速降低，潤滑性能下降，引起過熱。故應控制柴油機的負荷，防止長時間超負荷運轉，確保水溫正常。

2、保持冷卻水流量滿足要求 

（1）防止冷卻系統缺水

① 加強發電機組的日常維護工作，嚴格發電機組運行的“三檢”制度，做到及時發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，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，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，故在檢查發現節溫器滯卡或失靈時，應及時更換修復。

④ 卻水道的形狀及大小，關系到水流的暢通、流量是否滿足要求，是在設計制造時應考慮的問題。

3、加強維護與修理

      加強維護保養工作，經常檢查高壓泵、噴油器及聯接機構和空氣進氣管路、空氣濾清器等部件，及時維修、調整排除供油提前角過大或過小及供油量過大或進氣量過小等故障，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）防止水垢過多、過厚影響散熱效果

      柴油機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，使柴油機過熱。在發電機組使用時，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

      散熱器容量過小，散熱面積過小，影響冷卻效果，水溫升高。在發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，應及時修復，以恢復其散熱效能。

（3）為散熱器提供良好的導風效果

      在設計制造時應充分考慮到冷卻系統的導風效果，避免影響散熱器的散熱效果。使用塑料風扇葉，在高溫時容易產生扭曲變形，或風扇在改裝后，葉片的傾角發生改變；冷卻風扇可能由溫控開關控制，也可能由水溫傳感器控制，或由風扇離合器控制，應經常這些部位，防止異常損壞而影響排風量，降低鼓風效果。可使用鋼片質風扇，并確保安裝正確。在裝配時還應保持散熱器與導風罩接合面的密封，避免風扇安裝與風罩位置之間的不合理。防止散熱器迎面氣流受阻，導風不良，使散熱器氣流減少，風力差。為散熱器提供良好的導風效果，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高

      氣缸墊燒損、氣缸蓋或缸套出現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，都將影響柴油機的散熱效果。

① 當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、曲軸箱通風管冒出白煙；

② 當水道與油道竄通，檢查機油時會發現有水且呈乳白色；

③ 當水道與水道竄通時，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、維修過程，應根據具體的故障現象，準確判斷故障部位，及時徹底修復排除，以達到控制水溫的目的，確保柴油機功率輸出正常。

 

四、冷卻水溫過高的防控策略

 

1、造成柴油機溫度過低的影響因素

（1）節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；

（3）百葉窗、擋風簾關閉不嚴；

（4）水溫傳感器失靈誤測示；

（5）散熱風扇提前運轉散熱；

（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低的影響因素時應注意：起動柴油機，使其工作較長時間，其水溫達不到正常工作溫度，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，否則查看散熱器風扇是否提前運轉散熱，冬季保溫裝置是否良好，百葉窗、擋風簾是否正常工作，中冷器、增壓器、廢氣再循環等裝置是否正常工作，對其進行確認采取相應措施，問題會很快得以解決。

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

3、改善柴油機溫度過低的相應措施

（1）確保柴油機低溫正常起動。

① 采用預熱方式提高空氣進口溫度；

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高或過低，造成柴油機過熱或過冷，會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，運動件間的潤滑油會變質和焦化，結果使得受力零件可能損壞，運動零件的摩擦和磨損加劇，進、排氣受阻，最終使柴油機工作不可靠，使用壽命下降，動力性、經濟性、排放性變差。柴油機機油的油溫變化，會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，抓住問題的本質，及時排除故障所在。此外，在柴油發電機組的使用過程，應合理調控，加強對柴油機的維護保養，使之經常處于良好的環境中正常工作，確保柴油機的功率正常輸出，從而有效保持柴油發電機組的動力性能。

 

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