內(nèi)燃機車柴油機的預(yù)熱

董志忠，牟恕寬

（大連機車車輛有限公司 技術(shù)中心，遼寧大連116022）

鐵路是國民經(jīng)濟的重要基礎(chǔ)設(shè)施，其運輸生產(chǎn)的聯(lián)動性、持續(xù)性和社會公益性決定了鐵路運輸必須通暢和安全。在目前的世界鐵路動力結(jié)構(gòu)中，70% 以上仍為內(nèi)燃機車。柴油機是內(nèi)燃機車的“心臟”，機油和冷卻水系統(tǒng)則相當(dāng)于柴油機的“血脈”。機油系統(tǒng)的作用是潤滑摩擦副，減少機械摩擦損失，帶走摩擦產(chǎn)生的熱量和冷卻有關(guān)零件，清潔運動零件表面由摩擦產(chǎn)生的金屬微粒及燃燒后附在氣缸壁上的積炭，密封活塞環(huán)與氣缸壁間隙，以防燃氣進入曲軸箱，防銹、防腐及緩沖和減少噪聲振動，還有傳遞力等一系列功能。冷卻水系統(tǒng)的作用是對柴油機在高溫條件下工作的零部件、機油和增壓空氣進行適當(dāng)?shù)睦鋮s，使這些零部件在設(shè)計允許的間隙和最佳的溫度狀態(tài)下工作，保持機油正常的工作黏度和性能，保證柴油機發(fā)出規(guī)定的功率和經(jīng)濟性。由此可見，機油和冷卻水系統(tǒng)對柴油機的工作可靠性和延長其使用壽命具有十分重要意義。

1 低溫對于柴油機啟動所帶來的困難

與汽油機相比由于工作原理的不同，柴油機的低溫啟動更困難，其影響因素也較多，其中包括燃料的可燃性、蒸發(fā)性、噴油定時、噴霧特性、燃燒室的設(shè)計、運動條件、啟動機的功率和啟動扭矩等，以及柴油機的轉(zhuǎn)動慣量和所受阻力矩大小等。

在一般情況下柴油機順利啟動應(yīng)具備如下條件：

（1）啟動系統(tǒng)能夠產(chǎn)生足夠的扭矩來克服柴油機的各種阻力矩，這些阻力矩包括柴油機內(nèi)部的各種摩擦阻力矩，壓縮空氣中空氣的阻力矩，使柴油機各轉(zhuǎn)動部件由靜止狀態(tài)加速的慣性阻力矩等；

（2）使曲軸達到所需的啟動轉(zhuǎn)速，保證燃料著火；

（3）燃料能夠良好地霧化并著火；

（4）各摩擦表面能得到充分的預(yù)潤滑。

而以上條件在低溫下較難達到。柴油機的啟動性能，不僅決定于其本身的技術(shù)狀況，還受外界氣溫的影響，尤其是冬季氣候寒冷，機油黏度增大，更增加了啟動阻力矩，由于環(huán)境溫度和氣缸套壁面的溫度低，在低轉(zhuǎn)速下有較大的氣體泄漏量和散熱損失，致使壓縮終了時的空氣溫度和壓力極大降低，使燃料著火的延遲期增加，燃料就更不容易著火，嚴重時甚至不能燃燒，使啟動更加困難。

柴油機在寒冷氣候條件啟動和運轉(zhuǎn)時，各零部件的磨損量會迅速增大，尤其是活塞和軸瓦等磨損更為嚴重，是造成零部件磨損量較大的主要原因。

（1）低溫啟動時潤滑條件變差。機油的黏度是隨溫度的降低而顯著升高的。由于低溫狀態(tài)下機油的黏度大，流動性減弱，使柴油機的啟動摩擦阻力增大，造成啟動困難，也使機油進入工作表面和氣缸壁面相當(dāng)困難，因而得不到充分潤滑，處于邊界摩擦或干摩擦狀態(tài)，使氣缸壁磨損量增加。此外，機油的黏度還受氣缸套冷卻水溫的影響，當(dāng)氣缸套冷卻水溫較低時，機油黏度增加，潤滑效果變差，使氣缸壁磨損量明顯增加。經(jīng)驗指出，低溫啟動時所造成的摩擦副磨損量往往是正常運用時的幾十倍，甚至上百倍，嚴重影響柴油機的使用壽命；

（2）低溫啟動時燃油霧化不良。燃油的黏度是隨溫度的降低而顯著上升的。當(dāng)燃油的黏度上升時，由于流動性較差，分裂較困難，造成霧化不良，油流沖刷氣缸壁油膜，增加氣缸壁磨損，嚴重時甚至引起活塞拉傷，造成拉缸事故。當(dāng)柴油機燃用重油時，雖然采用加熱方法以降低重油黏度，但噴油器中的使用黏度仍較一般柴油為高，為保證霧化良好，噴射系統(tǒng)則應(yīng)采用較高的噴射壓力；

（3）低溫啟動時產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。柴油機低溫啟動時，由于氣缸壁溫度較低，使燃氣中的水蒸汽凝結(jié)成水，尤其是燃用含硫燃油時，燃燒產(chǎn)物中的SO2和水蒸汽作用后生成硫酸，強烈地腐蝕氣缸，使磨損加劇，并腐蝕主軸承螺栓，使其強度降低。更為嚴重的是若經(jīng)常冷啟動柴油機，則會使氣缸、活塞等部件的熱應(yīng)力過大，造成裂紋等故障。冬季氣溫低，由于低標號燃油的凝點高，低溫黏度大，對柴油機冷啟動、運轉(zhuǎn)及發(fā)放帶來一定的困難。并且因為輕質(zhì)油品中存在低溫下能結(jié)晶的固態(tài)烴和溶解水，也會惡化油品的耐寒性。在溫度不斷降低的過程中，它們便從油品中分離出來，開始呈現(xiàn)渾濁，繼續(xù)冷卻則析出結(jié)晶，破壞油品的均勻性。在低溫時，盡管燃料中的固態(tài)烴類的結(jié)晶現(xiàn)象不很嚴重，危害性卻很大。因為，這時產(chǎn)生的結(jié)晶一方面積聚在油管內(nèi)和濾油器上，另一方面還會成為冰結(jié)晶的核心，使烴結(jié)晶和冰結(jié)晶積聚于油管內(nèi)及濾油器上，從而破壞正常供油，甚至使發(fā)動機完全停機。

2 內(nèi)燃機車柴油機加裝預(yù)熱系統(tǒng)的必要性

內(nèi)燃機車的運用溫度范圍為－40℃～40℃。所以預(yù)熱系統(tǒng)是內(nèi)燃機車輔助系統(tǒng)中重要組成部分之一，是關(guān)乎內(nèi)燃機車運用可靠性的大問題。內(nèi)燃機車預(yù)熱系統(tǒng)是對內(nèi)燃機車柴油機的機油、燃油及冷卻水預(yù)加熱的裝置。內(nèi)燃機車柴油機啟動或停機時，對柴油機的機油、燃油及冷卻水的溫度都有一定的要求。內(nèi)燃機車運用保養(yǎng)中規(guī)定：當(dāng)油水溫度低于20℃時，柴油機不準啟動；當(dāng)油水溫度低于40℃時，柴油機不準加負荷；冬季柴油機停機保溫時，油水溫度不得低于20℃。機油和冷卻水溫度過低，不僅使柴油機啟動困難，而且運動零件磨損嚴重，燃油霧化不良，影響燃燒質(zhì)量。為此在內(nèi)燃機車上設(shè)置預(yù)熱系統(tǒng)，以保證柴油機能在規(guī)定的油水溫度下啟動，或者在停機時間較長的情況下保持一定的油水溫度。

3 內(nèi)燃機車柴油機的預(yù)熱方式

目前內(nèi)燃機車的主要預(yù)熱方式和我們推薦使用的預(yù)熱方式如下：

3.1 預(yù)熱鍋爐

預(yù)熱鍋爐是以柴油為燃料的直立式水管鍋爐，用管路把它連接在內(nèi)燃機車柴油機水系統(tǒng)管路中，利用水泵使預(yù)熱鍋爐的熱水循環(huán)到水系統(tǒng)的各部分，使機車的柴油機機體、氣缸套排氣管、熱交換器、冷卻器及各管路不凍結(jié)。同時又用齒輪泵把機車柴油機油底殼內(nèi)的機油抽出，經(jīng)過換向閥、濾清器，在熱交換器內(nèi)被預(yù)熱鍋爐來的熱水加熱，然后從柴油機注油口回到油底殼，使柴油機機油系統(tǒng)也不會凍結(jié)。預(yù)熱鍋爐的燃油是用齒輪泵從機車油箱中取得，以1.2MPa的壓力從杯狀噴嘴噴出、燃燒，預(yù)熱鍋爐預(yù)熱系統(tǒng)如圖1所示。預(yù)熱鍋爐的空燃比很難調(diào)整，往往造成大氣污染。

圖1 預(yù)熱鍋爐預(yù)熱系統(tǒng)簡圖

3.2 輔助柴油發(fā)電機組

機車加裝輔助柴油發(fā)電機，當(dāng)該柴油機達到標定轉(zhuǎn)速后，與其相配的輔助發(fā)電機發(fā)出380V、50Hz交流電，供給兩個電加熱器使機車水系統(tǒng)的冷卻水保持在合適溫度：同時，三相交流電經(jīng)整流濾波后，不但可以對蓄電池充電，而且可以對空調(diào)、冰箱、輔助機油泵、輔助空壓機提供電源，延長了蓄電池的使用壽命。輔助柴油發(fā)電機組由微機控制。可實現(xiàn)手動、自動兩種運行方式。手動運行時乘務(wù)員可根據(jù)機車冷卻水系統(tǒng)中的水溫情況，在合適的時候啟動和停止運行輔助柴油發(fā)電機組，來保證機車冷卻水在一個合適的溫度。自動運行由微機檢測機車冷卻水系統(tǒng)的水溫，自動運行輔助柴油發(fā)電機組來維持冷卻水在合適的溫度，同時還以過壓、過流、超速等保護措施來保護輔助柴油機的運行。輔助柴油發(fā)電機組造價比較高，維修保養(yǎng)費用也較高。

3.3 電加熱器

對載熱體進行加熱的熱源是電氣加熱器。它向柴油機的水、機油、燃油3個系統(tǒng)供熱。冷卻水是直接由該加熱器來加熱，而機油和燃油則由機車上原設(shè)的有關(guān)熱交換器內(nèi)的水，通過載熱體的循環(huán)來加熱。對此種加溫系統(tǒng)有如下要求：不僅水、機油和油箱內(nèi)的燃油，而且司機室內(nèi)和蓄電池箱內(nèi)均須保持必要的溫度；保證工作的獨立性，可以不使用蓄電池的電力，十分經(jīng)濟；最大限度自動化和最短的保養(yǎng)時間。此種系統(tǒng)的極易受凍部位，其表面均采用隔熱層，在停車時與固定式交流電源裝置相連接，也可以與其他機車的電路相連接。只要電加熱器通電，就可給冷卻系統(tǒng)的水加熱，見圖2所示。柴油機需要預(yù)熱時，首先打開1、2和3號閥門，再接通AC380V電源，啟動預(yù)熱水泵，最后接通兩個16kW和24kW電加熱器，預(yù)熱水泵抽取的是高溫水，泵出的水灌到中冷水系，從而形成一個大循環(huán)，當(dāng)水溫達到一定時，再啟動輔助機油泵和燃油泵，用水系統(tǒng)的水來加熱燃油預(yù)熱器內(nèi)的燃油以及機油熱交換器內(nèi)的機油。電加熱預(yù)熱方式采用AC380V電源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，具有普及推廣的可行性。

圖2 電加熱器預(yù)熱系統(tǒng)原理圖

3.4 蒸汽加熱器和熱水加熱器

在蒸汽和熱水比較富裕的熱電廠和化工廠等，我們建議使用蒸汽加熱器和熱水加熱器來代替上述的電加熱器進行柴油機預(yù)熱，從而做到余熱回收利用。

3.5 外接熱水循環(huán)

在熱水比較富裕的廠礦企業(yè)，也可以直接使用熱水用地面水泵打進柴油機進行預(yù)熱循環(huán)，當(dāng)水的溫度達到一定時，再啟動輔助機油泵和燃油泵，進行機油和燃油預(yù)熱循環(huán)，從而做到余熱回收利用。

3.6 空轉(zhuǎn)打溫

為防止內(nèi)燃機車的柴油機、水管路、熱風(fēng)機、熱交換器凍裂，確保機車柴油機在規(guī)定的油水溫度下啟動，內(nèi)燃機車冬季室外打溫主要采用柴油機空轉(zhuǎn)打溫，空轉(zhuǎn)打溫方式的主要不足之處是消耗大量的燃油，同時，機車長時間打溫，將造成運動件的磨損加劇，縮短機車使用壽命。另外，由于在空轉(zhuǎn)打溫時，柴油機處于低速、低負荷工況，噴油壓力較低，燃油霧化不良，造成燃燒狀態(tài)不佳，熱效率低，氣門及燃燒室積炭增加、機油稀釋等不良后果，使柴油機運動件磨損嚴重，運用機車臨修件數(shù)增加，縮短了機車中修的周期，同時燃油不完全燃燒排出的大量有害氣體還會污染環(huán)境。在機務(wù)段內(nèi)內(nèi)燃機車柴油機打溫需要占用很多司機，這往往會增加加班時間，使機車乘務(wù)組無法保證合理的勞動與休息時間。另外要指出的是由于柴油機主軸瓦的上瓦加工有進油槽，所以一般空轉(zhuǎn)打溫時，柴油機的轉(zhuǎn)速不要超過800r／min，以免柴油機的往復(fù)慣性力過大造成主軸瓦的上瓦損壞。

3.7 柴油機自動打溫系統(tǒng)（AESS）

柴油機停機、自動啟停機功能置于關(guān)斷狀態(tài)、自然降溫，當(dāng)柴油機進口或自動排水閥附近位置水溫降至接近4℃，第3風(fēng)缸壓力約為620kPa的條件下，能夠啟動柴油機。柴油機自動啟／停機系統(tǒng)AESS試驗：

機車狀態(tài)：柴油機停機；施行制動；換向置中；總風(fēng)缸充滿風(fēng)。

人工激活A(yù)ESS，可以通過總風(fēng)缸壓力低、蓄電池電壓低、柴油機水溫低3種方式試驗柴油機自動啟／停機系統(tǒng)。具體如下：

打開放風(fēng)閥，當(dāng)2＃總風(fēng)缸壓力降至724kPa時，柴油機應(yīng)自動啟動，兩個空壓機工作，直至總風(fēng)缸壓力升至900kPa.柴油機至少運轉(zhuǎn)20min。

打開頭燈或其他輔助用電設(shè)備，當(dāng)蓄電池電壓降至65V時，柴油機應(yīng)自動啟動，為蓄電池充電。柴油機至少運轉(zhuǎn)20min。當(dāng)充電電流小于20A、充電電壓穩(wěn)定在71V時至少10min時，柴油機停機。

在較低的環(huán)境溫度（大于3.3℃）下，當(dāng)柴油機進口水溫降至49℃、中冷水溫降至15℃、或排水閥溫度降至15℃，柴油機應(yīng)自動啟動。

4.8 地面固定式預(yù)熱站

內(nèi)燃機車地面集中打溫裝置由地面系統(tǒng)和機車系統(tǒng)兩部分組成。

內(nèi)燃機車上的管路系統(tǒng)進行了以下部分的增加和改造：

（1）高溫循環(huán)回路：地面泵站—高溫水泵出口—柴油機內(nèi)部冷卻系統(tǒng)—高溫散熱器（逆止闌后）—地面泵站。

（2）低溫循環(huán)回路：地面泵站—低溫水泵出口—中冷器—機油熱交換器—低溫散熱器（逆止閥后）—地面泵站。

（3）熱風(fēng)機循環(huán)回路：地面泵站—高溫水泵出口—柴油機內(nèi)部冷卻系統(tǒng)—柴油機出水總管—前、后熱風(fēng)機—地面泵站。

地面系統(tǒng)由燃油鍋爐、循環(huán)泵、分配器、補水箱、膨脹水箱和控制裝置等部分組成。機車打溫連接臺位為多個，即此地面供水系統(tǒng)可以同時對多臺段備機車進行地面集中打溫。圖3為地面系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 地面預(yù)熱站系統(tǒng)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

3.9 干式冷卻系統(tǒng)

所謂“干式冷卻”主要是在冷卻水系統(tǒng)中設(shè)置溫控閥，根據(jù)溫控閥的設(shè)定溫度來控制冷卻水的流向。就是在機車柴油機停機和冷卻水溫度比較低時，冷卻水不進人散熱器而全部流回到特設(shè)的水箱里.或貯存在柴油機的水腔和低位置冷卻系統(tǒng)的管路中，散熱器呈“干式”。當(dāng)冷卻水溫度上升到設(shè)定的溫度時，冷卻水就進入散熱器。干式散熱器的冷卻系統(tǒng)仍分高、低溫兩個獨立的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。這種冷卻系統(tǒng)，一般采用閉式循環(huán)，以適當(dāng)提高冷卻水溫度.進而提高系統(tǒng)散熱能力 但更多的好處在于維護保養(yǎng)方面。在高寒地區(qū)冬季運用，在停機狀態(tài)時.因為散熱器內(nèi)沒有冷卻水，一則不易凍壞，二則冷卻水集中，能較快地將油水加熱到規(guī)定的啟機溫度，節(jié)省打溫時間。此外，在干式冷卻系統(tǒng)中，散熱器必須位于系統(tǒng)的最高處，冷卻風(fēng)扇置于其下.散熱器的通風(fēng)采用壓風(fēng)式，冷卻風(fēng)扇及其驅(qū)動電機是在與外界溫度相同的環(huán)境下工作，因而工作條件較好。

3.10 廢熱儲存裝置

廢熱儲存裝置如圖4所示，既能合理利用柴油機排氣的廢熱和柴油機冷卻水的廢熱，而且還能合理利用電阻制動時散發(fā)的熱量。

圖4 廢熱儲存裝置示意圖

內(nèi)燃機車實施電阻制動時放出的熱量可以儲存到廢氣儲存器中，或者將該熱量送入電極式水加熱器中，然后再供給內(nèi)燃機車所需之處用。上述廢熱儲存器可以制成熱交換器的形式，并采用高溫儲熱材料。

3.11 太陽能預(yù)熱裝置

利用內(nèi)燃機車車體的頂棚來安裝太陽能預(yù)熱裝置，利用太陽能來加熱柴油機循環(huán)水，再利用循環(huán)水來加熱機油和燃油，這種預(yù)熱方法可以做到節(jié)能環(huán)保，但是預(yù)熱時間要長一些。

3.12 低凍點防凍液

防凍液是一種含有特殊添加劑的冷卻液，防凍液具有冬天防凍，夏天防沸，全年防水垢，防腐蝕等優(yōu)良性能。現(xiàn)國內(nèi)外95% 以上使用乙二醇的水基型防凍液，與自來水相比，乙二醇最顯著的特點是防凍，而水不能防凍。其次，乙二醇沸點高，揮發(fā)性小，黏度適中并且隨溫度變化小，熱穩(wěn)定性好，防止結(jié)冰、防止氣缸體、散熱器凍裂只是防凍液的基本功能，防凍液還有其他重要功能，如防沸、防水垢、防腐蝕等。目前市場上所銷售的大部分防凍液是以乙二醇為主要原料的產(chǎn)品，再加入適量的有機或無機鹽類來達到防腐防銹。由于使用機車專用防凍液代替現(xiàn)有系統(tǒng)的冷卻水，使系統(tǒng)循環(huán)液體在－50℃不凍結(jié)，機車運行時水不沸騰，且具有防結(jié)垢，防腐蝕的特性。因此，能夠保證冷卻散熱裝置不凍結(jié)，從而無需對機車上散熱量巨大的散熱裝置進行加熱，大大的降低了空轉(zhuǎn)打溫所需耗能，按機車散熱器部分與機車柴油機部分的散熱表面積比計算，至少降低一半以上的空轉(zhuǎn)打溫能耗。但這里要指出的是防凍液還是沒有從根本上解決20℃啟機問題，也就是沒有解決柴油機低溫燃燒和低溫腐蝕問題。

3.13 庫房保溫

在廠房比較多的情況，里面安裝取暖設(shè)備，這樣就可以直接將內(nèi)燃機車開進庫房里進行保溫預(yù)熱。

4 各種預(yù)熱方式的優(yōu)缺點

從上可以看出，內(nèi)燃機車柴油機的預(yù)熱方式有預(yù)熱鍋爐、輔助柴油發(fā)電機組、電加熱器、蒸汽加熱器、熱水加熱器、外接熱水循環(huán)、空轉(zhuǎn)打溫、柴油機自動打溫系統(tǒng)、地面固定式預(yù)熱站、干式冷卻系統(tǒng)、廢熱儲存裝置、太陽能預(yù)熱裝置、低凍點防凍液和庫房保溫等，主要預(yù)熱方式優(yōu)缺點的比較見表1。

表1 各種預(yù)熱方式的優(yōu)缺點比較

從上不難看出各種預(yù)熱方式各有千秋，我們應(yīng)當(dāng)因地制宜和因時制宜地選擇內(nèi)燃機車柴油機預(yù)熱方式，或是幾種預(yù)熱方式合并使用，靈活運用，從而做到節(jié)能環(huán)保，運用可靠和高效。

5 結(jié)語

我國大部分地區(qū)冬季環(huán)境溫度低，在這些地區(qū)內(nèi)燃機車動力裝置的工作狀態(tài)、內(nèi)燃機車的經(jīng)濟性、能發(fā)出的功率及其壽命，在很大程度上取決于動力裝置的熱工狀態(tài)。許多研究表明，對于每一種動力裝置來說，均有各自最佳的熱狀態(tài)和負荷狀態(tài)。只有在這種狀態(tài)下，動力裝置才有最佳的工作過程、最少的燃油消耗和最小的零件磨損。結(jié)合運用單位具體情況，通過選擇適合的預(yù)熱方式，使內(nèi)燃機車柴油機油水達到適宜的溫度，從而保證柴油機的正常啟動，并延長其使用壽命。

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