柴油机超负荷运转的危害及产生机理

2017-10-24张宏春

中国设备工程 2017年19期

关键词：微粒运转气缸

张宏春

（江苏省交通技师学院科研处，江苏镇江 212028）

柴油机超负荷运转的危害及产生机理

张宏春

（江苏省交通技师学院科研处，江苏镇江 212028）

为了深度揭示柴油机使用过程中负荷选择的重要性，本文运用理论研究方法，对柴油机超负荷运转时的燃烧过程、污染物生成、热效率与机械效率等进行分析，阐明了柴油机超负荷运转所带来的主要危害及其产生机理，并指出了柴油机负荷控制的最佳范围。

柴油机；超负荷；排放污染；油耗；过热；机理

柴油机是工程机械和重型车辆最主要的动力源，其性能的优劣直接影响着设备的经济性能、牵引性能、作业性能和排放指标等。除了柴油机设计、制造等因素外，柴油机的使用因素也对其动力性能、经济性能、运转性能、使用寿命有着极其重要的影响。本人在长期的柴油机维修和专业培训过程中发现，由于使用者片面追求经济效益，柴油机超负荷运转的情况甚为常见，带来的危害也较为严重。由此可见，人们对“超负荷运转”这一问题长期不够重视。在以往的文章中，有的列举了柴油机超负荷运转的危害，有的则阐述了超负荷运转的原因，少见有“超负荷运转”的准确定义及超负荷运转危害产生机理的内容。本文对“超负荷运转”进行了明确的界定；阐明了柴油机主要污染物——碳烟的生成机理，揭示了碳烟排放与过量空气系数、排气温度、负荷的关系；阐明了柴油机耗油量、耗油率的概念及相互关系，揭示了导致油耗变化的内在原因及负荷对其的影响；阐述了由于过量空气系数、负荷导致柴油机过热的原理，同时指出了过热所导致的危害；运用柴油机的万有特性，分析得出了柴油机负荷控制的最佳范围。

1 超负荷运转的界定

发动机产品铭牌上都标明其功率及相应的转速，这个功率和转速称为标定功率和标定转速。按发动机台架试验国家标准规定，发动机标定功率又分为15min功率、lh功率、12h功率和持续功率四种。当柴油机在运转过程中超出其标定功率，或者虽以标定功率运转，但其运转时间超过所标定范围，这两种情况都称之为超负荷运转。

2 超负荷运转的危害

柴油机超负荷运转将引起排放污染增加、油耗上升、过热、动力性能下降等不良后果，长此以往，还将引起柴油机保养间隔期缩短、磨损加快、使用寿命缩短等问题。

3 超负荷运转危害产生的机理

3.1 排放污染增加

柴油机的主要排放污染物为一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOX）、微粒（PM）。柴油机的微粒（PM）排放远高于汽油机，因其对环境污染的影响占比较高而受到格外的关注。

柴油机微粒（PM）的主要组成是碳烟（DS），而碳烟（DS）的生成条件则与排气温度和过量空气系数有关。当柴油机处于大负荷下运转时，由于循环供油量∆g 增加，过量空气系数φα将减小，放热量增加，排气温度升高；又因为空气量相对减少，不完全燃烧的成份增加，碳烟增加迅速；当接近最大功率时，由于过量空气系数φα的进一步减小，混合气的形成和燃烧进一步恶化，燃烧不完全现象愈加严重，排气碳烟急剧增加。图1为某型柴油机试验测定得出的三者关系图。

图1 烃类燃料燃烧时碳烟生成的温度与过量空气系数条件

图1中有麻点的区域为碳烟生成的区域。在该区域中，麻点的密度越大，则表示碳烟生成越多。从图上容易看出，碳烟的生成条件是较高的温度和较小的过量空气系数，也就是较浓的混合气。

碳烟和微粒的形成机理如下：燃油中烃分子在高温缺氧的条件下发生部分氧化和热裂解，生成各种不饱和烃类，如乙烯、乙炔及其他较高阶的同系物和多环芳香烃。它们不断脱氢、聚合成以碳为主的直径2nm左右的碳烟核心。气相的烃和其他物质在这个碳烟核心表面的凝聚及碳烟核心互相碰撞发生凝聚，使碳烟核心增大成为直径20～30nm的碳烟基元。最后，碳烟基元经过聚集作用堆积成直径1μm以下的球团状或链状的聚集物，这种聚集物通常被称为微粒。

微粒排放与负荷的关系如图2所示。

图2 柴油机微粒排放与负荷的关系

从图2中可以看出：在中小负荷范围内，因为混合气的浓度较低，所以生成碳烟的可能性较小，此时微粒的质量浓度ρPM随负荷增加而缓慢上升；但当柴油机负荷增大，至接近全负荷时（过量空气系数为φa=1.3−1.7），微粒排放急剧增加，这时虽然φa表现出来的仍大于1（是平均值大于1），但实际上由于燃烧室内的油气混合的不均匀，局部区域难免有φa＜0.6的情况出现，从而导致大量的碳烟生成，进一步将导致微粒排放的增加。

3.2 油耗上升

这里的油耗是指单位工作量油耗。单位工作量油耗是企业用来考核工程机械设备和操作人员的常用指标，意在考核设备操作者是否能合理地使用机械设备，以达到最低的燃油消耗和最佳的工作效益。除了设备本身固有性能和施工条件等因素外，影响单位工作量油耗最重要的因素是柴油机的有效燃料消耗率（eg，hkWg·/）。有效燃料消耗率上升，单位工作量耗油量必然随之上升。

有效燃料消耗率eg的高低取决于指示热效率iη和机械效率mη，其关系式如下：

指示热效率iη和机械效率mη随负荷变化曲线如图3所示。

式中：mη——机械效率；

P——指示功率；

P——有效功率；

Pm——机械损失功率。

式中：iη——指示热效率；

Wi——指示功；

Q1——产生指示功所消耗燃油的热量。

图3中ηm曲线：转速一定而负荷增加，指示功率 Pi成正比增加，机械损失功率 Pm变化不大，使减小，所以，随 ηm负荷的增加而增加。

图3

图3中iη曲线：随着负荷增加，每循环供油量△g将增加，过量空气系数aφ将减小，燃烧不完全程度逐渐增大，也就意味着产生一定的指示功，需要消耗更多的燃油。所以，随着负荷增加，iη将减小。大负荷时，混合气过浓，燃烧恶化，不完全燃烧及补燃增多，使iη下降更快。

由于指示热效率iη和机械效率mη的综合影响，形成了有效燃料消耗率eg随负荷变化情况如图4所示。

图4 柴油机负荷特性曲线

图4中，当 Pe=0、 ηm=0时，ge趋于无穷大。随着负荷增加，ηm迅速增加，且远大于ηi的减少，使ge下降很快。在A点位置时，ηi·ηm达最大值，ge达最低。此后再增加负荷，由于ηi下降较ηm上升的多，使ge又有所增加。当 ge增加到B点时，开始产生碳烟；当 ge超过B点时，燃料消耗量增速加大，碳烟排放严重；当 ge增加到C点时，柴油机达最大功率。此后若再增加△g，由于燃烧极度恶化， ge会迅速增加，功率反而下降。

3.3 柴油机过热

图5为柴油机燃烧过程及喷油器针阀升程随曲轴转角的变化情况。

柴油机燃烧过程为分四个阶段：第Ⅰ阶段A-B区间：A点为柴油喷入点，柴油喷入汽缸后经过物理、化学准备过程在B点着火，无燃烧发生，压力变化与无柴油喷入时相同，为着火延迟期；第Ⅱ阶段B-C区间，由于混合气在B点着火，柴油燃烧放热，该阶段压力急剧上升，至C点压力上升变缓，称为急燃期；第Ⅲ阶段C-D区间：这一阶段的燃烧是在活塞上方容积不断增大的情况下进行的，压力上升缓慢，至D点压力开始下降，称为缓燃期；第Ⅳ阶段是D点以后直到燃烧基本结束，前期未燃完的燃料在该阶段燃烧，该阶段称为后燃期或补燃期。

随着负荷增大，循环供油量△g增加，残留到后燃期的燃油量将相应增加，同时由于过量空气相对较少，混合气形成质量更差，从而导致后燃期将相应延长，供油量△g越大，后燃现象愈为严重。在后燃期内，因为活塞下行，燃油在较低的膨胀比下放热，所放出的热量不能有效地转变为机械能，增加了散往活塞组件、机体、冷却水的热量，增加了活塞组件及机体的热负荷，提高了排气温度和冷却水温度。同时也由于散往冷却水热量增加而导致热损失增加、热效率降低。柴油机排气温度升高和冷却水温度过高表现为柴油机过热。柴油机过热将导致以下两方面的影响。

3.3.1 充量系数下降

柴油机过热会导致充量系数的下降。图6为进气温度升高值wT∆与气缸温度wt的关系曲线。

柴油机每循环实际进入气缸的新鲜充量m与进气状态充满气缸工作容积的理论充量sm之比称为充量系数，以vη表示，充量系数的高低意味着每循环进入气缸内的新鲜空气的多少，也就直接影响着柴油机的燃烧过程。在吸气过程中，新鲜气流经进气管、进气道、进气门进入气缸内。空气要受到沿途零件、气缸、活塞及排气门不同程度的加热，从而导致其温度的升高，造成本身密度的下降。空气密度下降将导致燃烧过程恶化，从而影响柴油机的动力性能与经济性能。

3.3.2 磨损加快

图5 油机燃烧过程及喷油器针阀升程随曲轴转角变化情况

柴油机过热，同时会导致润滑油温度升高，黏度下降，油膜的厚度变薄，油膜承载能力下降；过热也会导致润滑油快速老化。这些因素会导致润滑效果变差，加剧了摩擦，加快了磨损。有资料显示，当冷却水温增高至100℃时，气缸、活塞等零件的磨损速率增加约5～10%。当温度过高时，将会导致油膜遭受更严重的破坏，润滑作用急剧下降。其后果则可能是气缸与活塞间、轴颈与轴承间出现严重的粘着磨损，即“抱轴”和“拉缸”。

4 柴油机使用过程中负荷的选择

从前面的内容可知，柴油机超负荷运转或长时间大负荷运转是极为有害的。图7为某柴油机万有特性曲线。

图7中斜线所标示范围为最低油耗区域，柴油机保持在这个区域工作，无疑是最挂选择。显然，其功率范围约为额定功率的50%～90%。也容易看出，负荷太小同样也不能发挥柴油机的性能。

5 结语

图6 进气温升wT∆随气缸温度 wt变化关系

本文明确了“超负荷运转”的概念；描述了柴油机超负荷运转带来的碳烟排放增加、油耗增加、过热这三种主要危害；分析了三种危害的产生机理；得出了柴油机使用要遵从中等转速和中上等负荷这一基本使用原则。影响柴油机性能的使用因素很多，除柴油机负荷以外还有燃料性能、调整参数、工作温度等，特别是柴油机工作温度，因其影响的隐蔽性和渐进性，更容易被人们所忽视。柴油机工作温度的高低对其动力性能、经济性能、运转性能影响机理也较为复杂，需要进行令人信服的数据统计和理论分析，以使柴油机的使用人员“知其然且知其所以然”。