农用柴油机性能优化措施研究

2024-03-08宋晋龙

南方农机 2024年5期

宋晋龙

（太原学院，山西太原 030032）

在国家政策的大力推动下，我国农业机械化实现了持续升级，农业机械逐渐得到了普及，农机装备正全面覆盖农业生产的全过程[1]。而柴油机为大部分农业机械提供动力，为农业机械田间生产提供可靠保障。在复杂多样的农业生产环境中，柴油机由于工作量大、使用时间长，并受到各种不利因素的影响，经常会出现性能异常，最直接的表现就是燃油消耗量增加、柴油机功率下降[2]。因此，农用柴油机具有稳定的工作性能，对保障农业生产作业动力需求具有重要意义。本文对农用柴油机工作性能进行研究，使其能够更好地在农业生产中发挥作用。

1 农用柴油机的应用概况

我国农业生产具有环境多样性、季节性明显、工作任务量大、维修条件差等特点。近年来，随着我国农业机械化进程的快速发展，农业机械技术得到了显著提升，各类农业机械也应运而生。常用的农业机械有拖拉机、插秧机、联合收割机等，而柴油机作为一种重要的动力设备，凭借自身功率高、经济性能好、扭矩大等优势，在我国农业机械上的应用十分广泛[3]。目前，在我国主要农业机械设备上使用的柴油机有多种型号，具体如表1 所示。在农业生产中，柴油机的稳定输出与工作可靠性直接影响农业机械作业的功能，因此，为了保障农业机械田间生产效率，提升粮食产量，必须要保证柴油机的作业性能。

表1 不同农业机械设备使用的柴油机

2 农用柴油机的功能结构组成

农用柴油机分为单缸、双缸、多缸柴油机，主要由曲柄连杆机构、燃油供给系统、配气系统、润滑系统、冷却系统等组成[4]。1）曲柄连杆机构。曲柄连杆机构包括汽缸体、汽缸盖、汽缸套、汽缸垫、活塞、曲轴、曲轴箱、连杆、连杆轴瓦、曲轴瓦、飞轮等。当柴油燃烧后，连杆承受爆发气体压力，将活塞往复直线运动转换为曲轴的旋转运动，并对外做功。因此，曲柄连杆机构是柴油机形成动能的主要机械结构。2）燃油供给系统。燃油供给系统包括柴油箱、燃油滤清器、输油泵、输油管路、沉淀杯、喷油器等。该系统能够按照柴油机运转的需求，将柴油喷入汽缸套与压缩空气混合。3）配气系统。配气系统包括摇臂、摇臂座、凸轮轴、挺柱、推杆、进气门、排气门、空气滤清器、输气管路等。通过配气系统，新鲜空气可以按时进入柴油机汽缸，并排出燃烧后产生的废气。4）润滑系统。润滑系统包括机油泵、集油器、机油过滤器、散热器、油底壳、压力表、温度表等。该系统能够将润滑油压送到柴油机各运动配合面，减少磨损，有效延长柴油机使用寿命。5）冷却系统。冷却系统包括冷却液箱、冷却液泵、风扇、散热片、节温器等。该系统可以给高温工作环境下的柴油机进行降温，把多余的热量散发掉，保证柴油机处于正常工作温度。

3 农用柴油机的工作原理

农用柴油机能够将柴油混合气燃烧产生的热能转化为机械运转的动能，它属于一种压燃式发动机，进气、压缩、燃烧、排气四个环节组成一个工作循环过程[5]。进气环节、压缩环节、排气环节是燃烧环节的准备过程，由曲轴带动活塞完成。燃烧环节即做功过程，由活塞带动曲轴完成。

3.1 进气环节

农用柴油机每个工作循环的进气量影响柴油油雾的喷发量，因此，进气量直接决定柴油机的输出功率。进气量越高，柴油机的运行越有利，通常由充气系数表示。进气环节是柴油机工作的起始阶段，曲轴旋转带动活塞上下运动，汽缸容积逐渐增大，形成真空吸力，进气门开启排气门关闭，空气吸入到汽缸内。当进气环节完成时，汽缸内温度达到51 ℃~72℃，气压达到80 kPa~90 kPa。

3.2 压缩环节

农用柴油机完成进气环节后，曲轴会连续带动活塞向上运动，关闭进气门和排气门。在压缩过程中，绝对不能存在漏气的情况，为保证活塞与汽缸间的气密性，气门必须关严。汽缸内的空气持续压缩，温度、压力不断上升，为柴油燃烧提供一个高温高压环境。压缩环节完成后，由于柴油机压缩空气的压力较高，气缸内的温度达到550 ℃左右，压力高达3 000 kPa~5 000 kPa，比柴油在空气中自行燃烧的温度高。

3.3 燃烧环节

燃烧环节即做功过程，在压缩环节即将完成时，柴油经过压缩雾化被迅速喷入汽缸内。在高温下经物理化学作用，柴油变为蒸汽与空气混合。活塞运动到上止点，柴油蒸汽与空气开始自燃。随着汽缸内温度和压力的提升，活塞又开始向下运动，并通过连接杆带动曲轴转动输出动力，向外做功。汽缸中最大压力可达9 000 kPa，最高温度可达2 000 ℃。活塞下行过程中，汽缸的压力下降、容积增大，柴油燃烧产生的热能逐渐转化为机械运转的动能。当活塞运动到下止点时，做功环节完成，排气门打开。

3.4 排气环节

当农用柴油机完成了进气、压缩、燃烧等环节后，进入排气环节。该环节利用飞轮的惯性带动曲轴继续转动，活塞通过连接杆往上止点移动。此过程中，排气门开启、进气门关闭。燃烧后的废气在活塞运动作用下，从排气门排出汽缸。废气要从汽缸内彻底排除干净，以避免汽缸中的废气影响下一个工作循环过程。当活塞运动到上止点后，排气门关闭，曲轴带动活塞进入下一个工作循环，以实现柴油机工作效能。

4 农用柴油机性能的影响因素及优化措施

4.1 供油不足

农用柴油机供油不足主要有空气进入和油路部分堵塞两种情况[6]。第一，发生空气进入后，柴油机动力明显不足，可在油管接头处听见“呲呲”声，导致该情况的原因是空气进入低压油路，从而形成气阻。第二，发生油路部分堵塞后，柴油机供油阻力增加，可听见“吃力”声，转速下降较快。针对上述两种情况，可采取针对性优化措施，以恢复农用柴油机正常工作性能。第一，听见“呲呲”声后，可根据实际情况，将螺丝接头拧紧或者更换密封垫。第二，听见“吃力”声后，及时检查供油管路，并清除堵塞物。

4.2 喷油器老化

喷油器是农用柴油机的重要部件，可将雾化的柴油喷进汽缸，与空气混合燃烧，提高柴油的利用率，从而能够充分地将化学能转换为动能。农用柴油机经长期使用后，弹簧等压力部件以及喷油嘴会发生老化情况，导致柴油雾化不良，严重影响柴油机的动力性能。因此，当发现农用柴油机动力下降时，应重点检查弹簧及喷油嘴的功能是否正常，如发现有老化情况发生应及时修理或更换。另外，还要注意检查喷油器内部偶件质量，如果喷油器内部配合偶件出现问题，应及时成对更换。

4.3 积碳累积

机油在长期使用过程中，不可避免地会产生积碳[7]。若不能及时处理，将会导致柴油机工作性能异常。第一，积碳累积在喷油嘴处，会堵塞喷油嘴，影响柴油雾化效果，导致柴油无法充分燃烧，柴油机工作性能下降。第二，积碳累积在燃烧室出口处，可能造成进气门和排气门关不严，导致燃烧室的密封性能降低，燃烧质量下降，影响柴油机工作性能。第三，积碳累积在活塞顶部凹坑内，雾化柴油与空气的混合效果下降，影响燃烧和动能转化质量[8]。针对农用柴油机积碳累积问题，应定期进行积碳清洗工作。为避免积碳累积过多、难以清洗，当柴油机积碳较轻时，可采用清洗仪进行清洗。若遇积碳累积严重情况，清洗仪无法清洗柴油机时，可拆卸柴油机，使用专用设备及清洗剂进行清洗，使柴油机工作性能得以恢复。

4.4 气门闭合失效

进气门和排气门的工作状态对农用柴油机性能影响较大，它是柴油机正常运转的供气和排气结构。当进气门和排气门结构部件发生损坏时，其密封性失效，柴油机会发出有规律的间断异响。当进气门和排气门的工作状态不良时，基本是由气门弹簧件损坏导致，因此，应检查气门弹簧弹力是否正常，判断弹簧件是否发生损坏问题。若发现弹簧件存在损坏，应及时更换弹簧件，并保证活塞位于上止点位置时，进气门和排气门均处于关闭状态[9]。

4.5 汽缸密封不良

农用柴油机汽缸密封不良主要有两方面原因，分别为汽缸垫损坏、活塞运行间隙变大。第一，汽缸垫安装在汽缸盖和汽缸体之间，在长期使用过程中，由于受到柴油机工作高温影响，容易发生损坏，造成汽缸密封不良。第二，为保证汽缸时刻保持良好的密封性能，活塞运行间隙需要十分精确。由于活塞在汽缸内长期做往复运动，活塞运行间隙会因磨损逐渐增大，最终降低汽缸密闭性，从而影响柴油机性能[10]。针对上述汽缸密封不良的问题，应先查明具体原因。如是汽缸垫损坏问题，应更换汽缸垫，为保证更换后汽缸垫的密封严密性，更换汽缸垫时，应按照对角线顺序拆卸汽缸盖螺栓。如是活塞运行间隙过大问题，应对汽缸套和活塞进行成套更换。

4.6 空气滤清器堵塞

空气滤清器属于过滤空气的装置，可以保证进入汽缸的空气洁净。由于农用柴油机长期在田间工作，空气滤清器极其容易发生堵塞问题。若不能及时清洁，柴油机进气严重受阻，从而影响柴油燃烧质量，导致柴油机动力下降、油耗升高等问题发生。因此，当空气滤清器发生堵塞问题时，应及时清洁空气滤清器的滤芯。在滤芯清洁操作时，应先用手轻拍滤芯，再利用压缩空气将粉尘从滤芯内向外吹出。若长期使用中出现滤芯损坏问题，应立即更换滤芯，不可勉强使用，确保空气滤清器的过滤效果。

4.7 活塞组磨损

活塞组主要包括活塞环、汽缸套等部件，在农用柴油机长期运行的过程中，活塞组会受到高温高压及冲击载荷影响，导致活塞环、汽缸套部件的磨损、拉伤，从而使得汽缸压缩效果不理想，柴油机的动力不足，工作明显有无力感。在磨损严重时，会听到异常的响声。发生活塞组磨损问题，主要原因是柴油机启动后预热不充分或者柴油机工作温度太高，导致活塞组部件强度、硬度下降，最终造成严重磨损问题发生。针对活塞组磨损问题，应严格注意柴油机日常操作，确保活塞组可在良好的状态运行。第一，为最大限度保护活塞组不受冷而出现磨损，柴油机启动后应进行预热，预热完成后再提速。第二，柴油机停止工作时，为了能让柴油机温度下降，需要怠速运转几分钟，避免突然停机造成磨损。