柴油機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的危害及產(chǎn)生機(jī)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(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的危害及產(chǎn)生機(jī)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(jī)使用過程中負(fù)荷選擇的重要性，本文運(yùn)用理論研究方法，對柴油機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的燃燒過程、污染物生成、熱效率與機(jī)械效率等進(jìn)行分析，闡明了柴油機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)所帶來的主要危害及其產(chǎn)生機(jī)理，并指出了柴油機(jī)負(fù)荷控制的最佳范圍。

柴油機(jī)；超負(fù)荷；排放污染；油耗；過熱；機(jī)理

柴油機(jī)是工程機(jī)械和重型車輛最主要的動(dòng)力源，其性能的優(yōu)劣直接影響著設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性能、牽引性能、作業(yè)性能和排放指標(biāo)等。除了柴油機(jī)設(shè)計(jì)、制造等因素外，柴油機(jī)的使用因素也對其動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能、運(yùn)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(jī)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(jì)效益，柴油機(jī)超負(fù)荷運(yùn)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(fù)荷運(yùn)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(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的危害，有的則闡述了超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的原因，少見有“超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)”的準(zhǔn)確定義及超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)危害產(chǎn)生機(jī)理的內(nèi)容。本文對“超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)”進(jìn)行了明確的界定；闡明了柴油機(jī)主要污染物——碳煙的生成機(jī)理，揭示了碳煙排放與過量空氣系數(shù)、排氣溫度、負(fù)荷的關(guān)系；闡明了柴油機(jī)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(fù)荷對其的影響；闡述了由于過量空氣系數(shù)、負(fù)荷導(dǎo)致柴油機(jī)過熱的原理，同時(shí)指出了過熱所導(dǎo)致的危害；運(yùn)用柴油機(jī)的萬有特性，分析得出了柴油機(jī)負(fù)荷控制的最佳范圍。

1 超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的界定

發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品銘牌上都標(biāo)明其功率及相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，這個(gè)功率和轉(zhuǎn)速稱為標(biāo)定功率和標(biāo)定轉(zhuǎn)速。按發(fā)動(dòng)機(jī)臺架試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中超出其標(biāo)定功率，或者雖以標(biāo)定功率運(yùn)轉(zhuǎn)，但其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間超過所標(biāo)定范圍，這兩種情況都稱之為超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的危害

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

3 超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)危害產(chǎn)生的機(jī)理

3.1 排放污染增加

柴油機(jī)的主要排放污染物為一氧化碳（CO）、碳?xì)浠衔铮℉C）、氮氧化物（NOX）、微粒（PM）。柴油機(jī)的微粒（PM）排放遠(yuǎn)高于汽油機(jī)，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(jī)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(jī)處于大負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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?yàn)榭諝饬肯鄬p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(shí)，由于過量空氣系數(shù)φα的進(jìn)一步減小，混合氣的形成和燃燒進(jìn)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(jī)試驗(yàn)測定得出的三者關(guān)系圖。

圖1 烴類燃料燃燒時(shí)碳煙生成的溫度與過量空氣系數(shù)條件

圖1中有麻點(diǎn)的區(qū)域?yàn)樘紵熒傻膮^(qū)域。在該區(qū)域中，麻點(diǎn)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(jī)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(gè)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(tuán)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(fù)荷的關(guān)系如圖2所示。

圖2 柴油機(jī)微粒排放與負(fù)荷的關(guān)系

從圖2中可以看出：在中小負(fù)荷范圍內(nèi)，因?yàn)榛旌蠚獾臐舛容^低，所以生成碳煙的可能性較小，此時(shí)微粒的質(zhì)量濃度ρPM隨負(fù)荷增加而緩慢上升；但當(dāng)柴油機(jī)負(fù)荷增大，至接近全負(fù)荷時(shí)（過量空氣系數(shù)為φa=1.3?1.7），微粒排放急劇增加，這時(shí)雖然φa表現(xiàn)出來的仍大于1（是平均值大于1），但實(shí)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(jìn)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(jī)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(jī)械設(shè)備，以達(dá)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(jī)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(jī)械效率mη，其關(guān)系式如下：

指示熱效率iη和機(jī)械效率mη隨負(fù)荷變化曲線如圖3所示。

式中：mη——機(jī)械效率；

i

P——指示功率；

e

P——有效功率；

Pm——機(jī)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(fù)荷增加，指示功率 Pi成正比增加，機(jī)械損失功率 Pm變化不大，使減小，所以， 隨 ηm負(fù)荷的增加而增加。

圖3

圖3中iη曲線：隨著負(fù)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(fù)荷增加，iη將減小。大負(fù)荷時(shí)，混合氣過濃，燃燒惡化，不完全燃燒及補(bǔ)燃增多，使iη下降更快。

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

圖4 柴油機(jī)負(fù)荷特性曲線

圖4中，當(dāng) Pe=0、 ηm=0時(shí)，ge趨于無窮大。隨著負(fù)荷增加，ηm迅速增加，且遠(yuǎn)大于ηi的減少，使ge下降很快。在A點(diǎn)位置時(shí)，ηi·ηm達(dá)最大值，ge達(dá)最低。此后再增加負(fù)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(diǎn)時(shí)，開始產(chǎn)生碳煙；當(dāng) ge超過B點(diǎn)時(shí)，燃料消耗量增速加大，碳煙排放嚴(yán)重；當(dāng) ge增加到C點(diǎn)時(shí)，柴油機(jī)達(dá)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(jī)過熱

圖5為柴油機(jī)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(jī)燃燒過程為分四個(gè)階段：第Ⅰ階段A-B區(qū)間：A點(diǎn)為柴油噴入點(diǎn)，柴油噴入汽缸后經(jīng)過物理、化學(xué)準(zhǔn)備過程在B點(diǎn)著火，無燃燒發(fā)生，壓力變化與無柴油噴入時(shí)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(diǎn)著火，柴油燃燒放熱，該階段壓力急劇上升，至C點(diǎn)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(jìn)行的，壓力上升緩慢，至D點(diǎn)壓力開始下降，稱為緩燃期；第Ⅳ階段是D點(diǎn)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(bǔ)燃期。

隨著負(fù)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(shí)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?yàn)榛钊滦校加驮谳^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(jī)械能，增加了散往活塞組件、機(jī)體、冷卻水的熱量，增加了活塞組件及機(jī)體的熱負(fù)荷，提高了排氣溫度和冷卻水溫度。同時(shí)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(jī)排氣溫度升高和冷卻水溫度過高表現(xiàn)為柴油機(jī)過熱。柴油機(jī)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(jī)過熱會導(dǎo)致充量系數(shù)的下降。圖6為進(jìn)氣溫度升高值wT?與氣缸溫度wt的關(guān)系曲線。

柴油機(jī)每循環(huán)實(shí)際進(jìn)入氣缸的新鮮充量m與進(jìn)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(jìn)入氣缸內(nèi)的新鮮空氣的多少，也就直接影響著柴油機(jī)的燃燒過程。在吸氣過程中，新鮮氣流經(jīng)進(jìn)氣管、進(jìn)氣道、進(jìn)氣門進(jìn)入氣缸內(nèi)。空氣要受到沿途零件、氣缸、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。空氣密度下降將導(dǎo)致燃燒過程惡化，從而影響柴油機(jī)的動(dòng)力性能與經(jīng)濟(jì)性能。

3.3.2 磨損加快

圖5 油機(jī)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(jī)過熱，同時(shí)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(shí)，氣缸、活塞等零件的磨損速率增加約5～10%。當(dāng)溫度過高時(shí)，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(jī)使用過程中負(fù)荷的選擇

從前面的內(nèi)容可知，柴油機(jī)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或長時(shí)間大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)是極為有害的。圖7為某柴油機(jī)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(jī)保持在這個(gè)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(fù)荷太小同樣也不能發(fā)揮柴油機(jī)的性能。

5 結(jié)語

圖6 進(jìn)氣溫升wT?隨氣缸溫度 wt變化關(guān)系

本文明確了“超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)”的概念；描述了柴油機(jī)超負(fù)荷運(yùn)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(jī)理；得出了柴油機(jī)使用要遵從中等轉(zhuǎn)速和中上等負(fù)荷這一基本使用原則。影響柴油機(jī)性能的使用因素很多，除柴油機(jī)負(fù)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(jī)工作溫度，因其影響的隱蔽性和漸進(jìn)性，更容易被人們所忽視。柴油機(jī)工作溫度的高低對其動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能、運(yùn)轉(zhuǎn)性能影響機(jī)理也較為復(fù)雜，需要進(jìn)行令人信服的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和理論分析，以使柴油機(jī)的使用人員“知其然且知其所以然”。

圖7 某柴油機(jī)萬有特性曲線

[1]董世民，郭守鳳．柴油機(jī)長期超負(fù)荷作業(yè)危害大[J]．農(nóng)業(yè)知識,2001(18):40-40．

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TK428

A

1671-0711（2017）10（上）-0056-03

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51376095，51506101）。