柴油機超負荷運轉(zhuǎn)的危害及產(chǎn)生機理

張宏春

（江蘇省交通技師學(xué)院科研處，江蘇 鎮(zhèn)江 212028）

柴油機超負荷運轉(zhuǎn)的危害及產(chǎn)生機理

張宏春

（江蘇省交通技師學(xué)院科研處，江蘇 鎮(zhèn)江 212028）

為了深度揭示柴油機使用過程中負荷選擇的重要性，本文運用理論研究方法，對柴油機超負荷運轉(zhuǎn)時的燃燒過程、污染物生成、熱效率與機械效率等進行分析，闡明了柴油機超負荷運轉(zhuǎn)所帶來的主要危害及其產(chǎn)生機理，并指出了柴油機負荷控制的最佳范圍。

柴油機；超負荷；排放污染；油耗；過熱；機理

柴油機是工程機械和重型車輛最主要的動力源，其性能的優(yōu)劣直接影響著設(shè)備的經(jīng)濟性能、牽引性能、作業(yè)性能和排放指標(biāo)等。除了柴油機設(shè)計、制造等因素外，柴油機的使用因素也對其動力性能、經(jīng)濟性能、運轉(zhuǎn)性能、使用壽命有著極其重要的影響。本人在長期的柴油機維修和專業(yè)培訓(xùn)過程中發(fā)現(xiàn)，由于使用者片面追求經(jīng)濟效益，柴油機超負荷運轉(zhuǎn)的情況甚為常見，帶來的危害也較為嚴(yán)重。由此可見，人們對“超負荷運轉(zhuǎn)”這一問題長期不夠重視。在以往的文章中，有的列舉了柴油機超負荷運轉(zhuǎn)的危害，有的則闡述了超負荷運轉(zhuǎn)的原因，少見有“超負荷運轉(zhuǎn)”的準(zhǔn)確定義及超負荷運轉(zhuǎn)危害產(chǎn)生機理的內(nèi)容。本文對“超負荷運轉(zhuǎn)”進行了明確的界定；闡明了柴油機主要污染物——碳煙的生成機理，揭示了碳煙排放與過量空氣系數(shù)、排氣溫度、負荷的關(guān)系；闡明了柴油機耗油量、耗油率的概念及相互關(guān)系，揭示了導(dǎo)致油耗變化的內(nèi)在原因及負荷對其的影響；闡述了由于過量空氣系數(shù)、負荷導(dǎo)致柴油機過熱的原理，同時指出了過熱所導(dǎo)致的危害；運用柴油機的萬有特性，分析得出了柴油機負荷控制的最佳范圍。

1 超負荷運轉(zhuǎn)的界定

發(fā)動機產(chǎn)品銘牌上都標(biāo)明其功率及相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，這個功率和轉(zhuǎn)速稱為標(biāo)定功率和標(biāo)定轉(zhuǎn)速。按發(fā)動機臺架試驗國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，發(fā)動機標(biāo)定功率又分為15min功率、lh功率、12h功率和持續(xù)功率四種。當(dāng)柴油機在運轉(zhuǎn)過程中超出其標(biāo)定功率，或者雖以標(biāo)定功率運轉(zhuǎn)，但其運轉(zhuǎn)時間超過所標(biāo)定范圍，這兩種情況都稱之為超負荷運轉(zhuǎn)。

2 超負荷運轉(zhuǎn)的危害

柴油機超負荷運轉(zhuǎn)將引起排放污染增加、油耗上升、過熱、動力性能下降等不良后果，長此以往，還將引起柴油機保養(yǎng)間隔期縮短、磨損加快、使用壽命縮短等問題。

3 超負荷運轉(zhuǎn)危害產(chǎn)生的機理

3.1 排放污染增加

柴油機的主要排放污染物為一氧化碳（CO）、碳氫化合物（HC）、氮氧化物（NOX）、微粒（PM）。柴油機的微粒（PM）排放遠高于汽油機，因其對環(huán)境污染的影響占比較高而受到格外的關(guān)注。

柴油機微粒（PM）的主要組成是碳煙（DS），而碳煙（DS）的生成條件則與排氣溫度和過量空氣系數(shù)有關(guān)。當(dāng)柴油機處于大負荷下運轉(zhuǎn)時，由于循環(huán)供油量?g 增加，過量空氣系數(shù)φα將減小，放熱量增加，排氣溫度升高；又因為空氣量相對減少，不完全燃燒的成份增加，碳煙增加迅速；當(dāng)接近最大功率時，由于過量空氣系數(shù)φα的進一步減小，混合氣的形成和燃燒進一步惡化，燃燒不完全現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，排氣碳煙急劇增加。圖1為某型柴油機試驗測定得出的三者關(guān)系圖。

圖1 烴類燃料燃燒時碳煙生成的溫度與過量空氣系數(shù)條件

圖1中有麻點的區(qū)域為碳煙生成的區(qū)域。在該區(qū)域中，麻點的密度越大，則表示碳煙生成越多。從圖上容易看出，碳煙的生成條件是較高的溫度和較小的過量空氣系數(shù)，也就是較濃的混合氣。

碳煙和微粒的形成機理如下：燃油中烴分子在高溫缺氧的條件下發(fā)生部分氧化和熱裂解，生成各種不飽和烴類，如乙烯、乙炔及其他較高階的同系物和多環(huán)芳香烴。它們不斷脫氫、聚合成以碳為主的直徑2nm左右的碳煙核心。氣相的烴和其他物質(zhì)在這個碳煙核心表面的凝聚及碳煙核心互相碰撞發(fā)生凝聚，使碳煙核心增大成為直徑20～30nm的碳煙基元。最后，碳煙基元經(jīng)過聚集作用堆積成直徑1μm以下的球團狀或鏈狀的聚集物，這種聚集物通常被稱為微粒。

微粒排放與負荷的關(guān)系如圖2所示。

圖2 柴油機微粒排放與負荷的關(guān)系

從圖2中可以看出：在中小負荷范圍內(nèi)，因為混合氣的濃度較低，所以生成碳煙的可能性較小，此時微粒的質(zhì)量濃度ρPM隨負荷增加而緩慢上升；但當(dāng)柴油機負荷增大，至接近全負荷時（過量空氣系數(shù)為φa=1.3?1.7），微粒排放急劇增加，這時雖然φa表現(xiàn)出來的仍大于1（是平均值大于1），但實際上由于燃燒室內(nèi)的油氣混合的不均勻，局部區(qū)域難免有φa＜0.6的情況出現(xiàn)，從而導(dǎo)致大量的碳煙生成，進一步將導(dǎo)致微粒排放的增加。

3.2 油耗上升

這里的油耗是指單位工作量油耗。單位工作量油耗是企業(yè)用來考核工程機械設(shè)備和操作人員的常用指標(biāo)，意在考核設(shè)備操作者是否能合理地使用機械設(shè)備，以達到最低的燃油消耗和最佳的工作效益。除了設(shè)備本身固有性能和施工條件等因素外，影響單位工作量油耗最重要的因素是柴油機的有效燃料消耗率（eg，hkWg·/）。有效燃料消耗率上升，單位工作量耗油量必然隨之上升。

有效燃料消耗率eg的高低取決于指示熱效率iη和機械效率mη，其關(guān)系式如下：

指示熱效率iη和機械效率mη隨負荷變化曲線如圖3所示。

式中：mη——機械效率；

i

P——指示功率；

e

P——有效功率；

Pm——機械損失功率。

式中：iη——指示熱效率；

Wi——指示功；

Q1——產(chǎn)生指示功所消耗燃油的熱量。

圖3中ηm曲線：轉(zhuǎn)速一定而負荷增加，指示功率 Pi成正比增加，機械損失功率 Pm變化不大，使減小，所以， 隨 ηm負荷的增加而增加。

圖3

圖3中iη曲線：隨著負荷增加，每循環(huán)供油量△g將增加，過量空氣系數(shù)aφ將減小，燃燒不完全程度逐漸增大，也就意味著產(chǎn)生一定的指示功，需要消耗更多的燃油。所以，隨著負荷增加，iη將減小。大負荷時，混合氣過濃，燃燒惡化，不完全燃燒及補燃增多，使iη下降更快。

由于指示熱效率iη和機械效率mη的綜合影響，形成了有效燃料消耗率eg隨負荷變化情況如圖4所示。

圖4 柴油機負荷特性曲線

圖4中，當(dāng) Pe=0、 ηm=0時，ge趨于無窮大。隨著負荷增加，ηm迅速增加，且遠大于ηi的減少，使ge下降很快。在A點位置時，ηi·ηm達最大值，ge達最低。此后再增加負荷，由于ηi下降較ηm上升的多，使ge又有所增加。當(dāng) ge增加到B點時，開始產(chǎn)生碳煙；當(dāng) ge超過B點時，燃料消耗量增速加大，碳煙排放嚴(yán)重；當(dāng) ge增加到C點時，柴油機達最大功率。此后若再增加△g，由于燃燒極度惡化， ge會迅速增加，功率反而下降。

3.3 柴油機過熱

圖5為柴油機燃燒過程及噴油器針閥升程隨曲軸轉(zhuǎn)角的變化情況。

柴油機燃燒過程為分四個階段：第Ⅰ階段A-B區(qū)間：A點為柴油噴入點，柴油噴入汽缸后經(jīng)過物理、化學(xué)準(zhǔn)備過程在B點著火，無燃燒發(fā)生，壓力變化與無柴油噴入時相同，為著火延遲期；第Ⅱ階段B-C區(qū)間，由于混合氣在B點著火，柴油燃燒放熱，該階段壓力急劇上升，至C點壓力上升變緩，稱為急燃期；第Ⅲ階段C-D區(qū)間：這一階段的燃燒是在活塞上方容積不斷增大的情況下進行的，壓力上升緩慢，至D點壓力開始下降，稱為緩燃期；第Ⅳ階段是D點以后直到燃燒基本結(jié)束，前期未燃完的燃料在該階段燃燒，該階段稱為后燃期或補燃期。

隨著負荷增大，循環(huán)供油量△g增加，殘留到后燃期的燃油量將相應(yīng)增加，同時由于過量空氣相對較少，混合氣形成質(zhì)量更差，從而導(dǎo)致后燃期將相應(yīng)延長，供油量△g越大，后燃現(xiàn)象愈為嚴(yán)重。在后燃期內(nèi)，因為活塞下行，燃油在較低的膨脹比下放熱，所放出的熱量不能有效地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，增加了散往活塞組件、機體、冷卻水的熱量，增加了活塞組件及機體的熱負荷，提高了排氣溫度和冷卻水溫度。同時也由于散往冷卻水熱量增加而導(dǎo)致熱損失增加、熱效率降低。柴油機排氣溫度升高和冷卻水溫度過高表現(xiàn)為柴油機過熱。柴油機過熱將導(dǎo)致以下兩方面的影響。

3.3.1 充量系數(shù)下降

柴油機過熱會導(dǎo)致充量系數(shù)的下降。圖6為進氣溫度升高值wT?與氣缸溫度wt的關(guān)系曲線。

柴油機每循環(huán)實際進入氣缸的新鮮充量m與進氣狀態(tài)充滿氣缸工作容積的理論充量sm之比稱為充量系數(shù)，以vη表示，充量系數(shù)的高低意味著每循環(huán)進入氣缸內(nèi)的新鮮空氣的多少，也就直接影響著柴油機的燃燒過程。在吸氣過程中，新鮮氣流經(jīng)進氣管、進氣道、進氣門進入氣缸內(nèi)?？諝庖艿窖赝玖慵飧?、活塞及排氣門不同程度的加熱，從而導(dǎo)致其溫度的升高，造成本身密度的下降?？諝饷芏认陆祵?dǎo)致燃燒過程惡化，從而影響柴油機的動力性能與經(jīng)濟性能。

3.3.2 磨損加快

圖5 油機燃燒過程及噴油器針閥升程隨曲軸轉(zhuǎn)角變化情況

柴油機過熱，同時會導(dǎo)致潤滑油溫度升高，黏度下降，油膜的厚度變薄，油膜承載能力下降；過熱也會導(dǎo)致潤滑油快速老化。這些因素會導(dǎo)致潤滑效果變差，加劇了摩擦，加快了磨損。有資料顯示，當(dāng)冷卻水溫增高至100℃時，氣缸、活塞等零件的磨損速率增加約5～10%。當(dāng)溫度過高時，將會導(dǎo)致油膜遭受更嚴(yán)重的破壞，潤滑作用急劇下降。其后果則可能是氣缸與活塞間、軸頸與軸承間出現(xiàn)嚴(yán)重的粘著磨損，即“抱軸”和“拉缸”。

4 柴油機使用過程中負荷的選擇

從前面的內(nèi)容可知，柴油機超負荷運轉(zhuǎn)或長時間大負荷運轉(zhuǎn)是極為有害的。圖7為某柴油機萬有特性曲線。

圖7中斜線所標(biāo)示范圍為最低油耗區(qū)域，柴油機保持在這個區(qū)域工作，無疑是最掛選擇。顯然，其功率范圍約為額定功率的50%～90%。也容易看出，負荷太小同樣也不能發(fā)揮柴油機的性能。

5 結(jié)語

圖6 進氣溫升wT?隨氣缸溫度 wt變化關(guān)系

本文明確了“超負荷運轉(zhuǎn)”的概念；描述了柴油機超負荷運轉(zhuǎn)帶來的碳煙排放增加、油耗增加、過熱這三種主要危害；分析了三種危害的產(chǎn)生機理；得出了柴油機使用要遵從中等轉(zhuǎn)速和中上等負荷這一基本使用原則。影響柴油機性能的使用因素很多，除柴油機負荷以外還有燃料性能、調(diào)整參數(shù)、工作溫度等，特別是柴油機工作溫度，因其影響的隱蔽性和漸進性，更容易被人們所忽視。柴油機工作溫度的高低對其動力性能、經(jīng)濟性能、運轉(zhuǎn)性能影響機理也較為復(fù)雜，需要進行令人信服的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和理論分析，以使柴油機的使用人員“知其然且知其所以然”。

圖7 某柴油機萬有特性曲線

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1671-0711（2017）10（上）-0056-03

國家自然科學(xué)基金資助項目（51376095，51506101）。