高寒氣候對康明斯KTA38-C型發動機的影響和預防措施

單 帥， 翟 翔 超， 程 先 才， 張 宗 濤

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

知不拉銅多金屬礦采剝工程項目位于西藏拉薩墨竹工卡縣，采區為岡底斯山脈與念青唐古拉山脈結合部位，其地勢險峻，切割強烈，平均海拔在5 000 m以上，部分為冰川地貌。該項目運輸礦卡TR100(90 t級)配置康明斯KTA38-C型發動機，在一般環境條件下該發動機經相關機構檢測大修周期約為8 000 h。由于工程所處位置海拔高達5 000～5 600 m，大氣壓力相當于沿海地帶的50%～55%,過低的大氣壓力導致發動機功率下降；同時，由于進氣不足，燃燒不徹底，導致發動機高溫而發生早期損壞等問題，嚴重影響了設備的生產效率。根據實際數據統計結果，因高寒氣候引起KTA38-C型發動機拉缸和融頂的最短周期為88.9 h，最長周期為3 393.1 h，平均周期為1 785.6 h(圖1)，在高寒氣候條件下，發動機壽命大大縮短，致使其維護運營成本增加、設備利用率降低和生產成本增加。

2 高原氣候的特點與相關數據

知不拉礦區沿河谷或剝蝕強烈區第四系發育，植被以高山草甸為主，有少量高山耐寒苔蘚，植被簡單，水系發育，以大氣降水和冰雪融水供給。礦區屬高原溫帶半干旱季風型氣候，低溫干燥、空氣稀薄、日照充足、晝夜溫差大，海拔為0 m 時，大氣壓力為101 kPa；海拔為5 000 m時，大氣壓力為54 kPa；海拔為5 500 m時，大氣壓力為50 kPa。年平均氣溫為0 ℃左右，極端最高氣溫為 28.3 ℃，極端最低氣溫為-35 ℃。10月底開始冰凍，翌年4～5月解凍，積雪厚度為10～60 cm，最大凍結深度可達40 m，其間干冷多風，為東南向季風，時有降雪，旱、雨季分明，年降水量為400 mm左右，多集中在6～9月且氣候濕潤，常有暴雨、雪、冰雹而造成山洪和泥石流突發，年蒸發量約2 000 mm。

3 高原低溫氣候對KTA38-C型發動機的影響

3.1 KTA38-C型發動機拉缸與融頂

在高寒地區,海拔高度每升高1 000 m、大氣壓力下降9%，空氣中的密度下降梯度為6%～9%，含氧量下降10%，發動機由于進氣不充分而在現場采用直噴發動機，噴進氣缸內的燃油在壓縮比一定的情況下發動機不能夠充分燃燒，導致燃燒室產生積炭，發動機易產生爆燃而造成發動機燃燒室高溫，熱量不能及時隨廢氣排出，活塞、活塞環及缸壁整體受高溫而膨脹，缸壁的膨脹由于缸體的約束只能向內膨脹，活塞向外膨脹而擠壓活塞環及油環，改變了配合間隙，活塞上的油環由于受膨脹擠壓，缸壁上的機油不能形成正常的油膜，導致機油的冷卻及潤滑效能降低，活塞氣環產生干摩擦后拉傷缸壁(稱之為活塞拉缸)[1]。氣壓低、氧含量少造成單位時間內燃油消耗量增大，經濟性能下降。

圖1 活塞拉缸和融頂

3.2 渦輪部件和水箱故障

發動機運行過程中由于燃燒不充分，不僅會損壞并造成發動機產生拉缸、活塞融頂等非正常現象，同時亦會造成發動機功率下降，動力性能不達標。渦輪增壓器由于空氣密度較低、渦輪增壓器進氣側切割阻力下降而導致渦輪葉片長期處于失速狀態。目前國內外采用的渦輪增壓器大部分為機油冷卻，部分采用水冷，導致進氣不充分，渦輪增壓器排氣側出現高溫，而高溫氣體將排氣渦輪葉片燒蝕、出現麻點等現象，導致排放渦輪吸熱，加劇了渦輪軸與軸套的磨損[2]。據統計分析結果：渦輪增壓器在500 ℃左右出現暗紅色，680 ℃左右渦輪增壓器將會因高溫損壞。在西藏高寒地區(海拔5 000 m)，由于空氣密度低，水沸點為78 ℃～83 ℃而造成水箱頻繁出現開鍋(熱水沸騰)導致水箱蓋損壞、水箱散熱板開裂；發動機機體高溫造成機體膨脹，內部壓力加大，導致水堵頭頻繁被沖出等高原易出現的故障。

3.3 發動機內部構件的磨損

海拔5 000～5 500 m、冬季氣溫為-25 ℃左右、極端最低氣溫為-35 ℃左右時對發動機啟動性能的影響極大。低溫導致柴油發動機的進氣溫度比夏季氣候低28.3 ℃～63 ℃。因此，發動機的壓縮終了氣體溫度為100 ℃～200 ℃左右，達不到啟動條件(海拔5 500 m的位置柴油燃點為220 ℃，而壓縮氣體的溫度應為150 ℃～250 ℃，發動機壓縮氣體的溫度在220 ℃以上時才能夠達到啟動條件)，氣缸內因長期處于高溫狀態，各密封組件的磨損加劇產生漏氣，氣缸內的密封性能逐步下降，壓縮氣體在下降到220 ℃以下時發動機將無法啟動[3]。發動機長期處于高溫、燃燒不充分狀態會造成發動機各部件的變形損壞、氣缸內積碳嚴重、機油散熱器損壞、傳感器失效等高原性故障。同時，發動機啟動性能降低，駕駛員頻繁啟動設備造成啟動馬達損壞率比內地高90%左右。發動機啟動后，在怠速運行預熱時，其內部的機油黏度較大，曲軸在旋轉過程中帶動活塞上下運動，由于機油黏度較大而造成的活塞連桿機構磨損如下：①活塞、活塞環與氣缸壁之間的磨損；②活塞連桿小頭與曲軸軸瓦的磨損；③凸輪軸、進排氣門過橋組件的磨損。氣溫低、晝夜溫差大將會造成發動機和起動馬達的使用壽命縮短。

3.4 橡膠部件的老化

高原春、夏季節的一般日照時間為早上6∶40～21∶00，比內地每年平均日照多12.5%。高原一年四季晝夜溫差較大，一般為10 ℃～40 ℃左右，將會嚴重縮短發動機皮帶、發電機皮帶、水管等橡膠制品的使用壽命。

3.5 對蓄電池、啟動馬達的影響

高原氣候溫差較大會對螺栓及鋼材的內部金相組織產生影響，導致滲碳體增加，鋼材變脆，經常出現水箱支座螺栓斷裂現象；溫差較大亦會嚴重影響蓄電池的使用壽命。蓄電池的使用環境在10 ℃～25 ℃左右最為適宜。隨著環境溫度的降低，蓄電池電解液的密度將會增大，隔板的滲透能力下降，內阻增加，蓄電池的放電性能亦會下降[4]。同時,啟動時電流較大，內阻增加而引起電壓降增大，從而使端電壓明顯下降。導致蓄電池工作能力大大降低[5]。蓄電池在發動機啟動過程中影響啟動馬達的轉矩而造成啟動馬達磨損嚴重，馬達內部的軸承、驅動齒損壞現象長期出現。

3.6 對空氣濾芯的影響

該地區冬季氣候較為干燥，灰塵量較大，對發動機的進氣系統有嚴重影響，空氣濾清器在礦山根據現場外界環境條件,外濾每3 d吹1次、吹6次報廢。意味著18 d左右就需要更換一套空氣濾清器。在高原，空氣含塵密度在無風的情況下可超過15 g/m,比內地高出6～15倍左右,將會增加發動機的進氣阻力,使發動機的功率進一步降低,增加空氣濾清器保養的頻率,縮短其使用壽命,增大成本,降低濾清器的效率,造成發動機早期磨損并縮短其使用壽命。

4 高寒氣候下針對KTA38-C型柴油發動機采取的預防措施

4.1 改裝機械增壓器

機械式渦輪增壓器價格較為便宜，體積小、安裝方便，機械增壓器配上適當的皮帶輪安裝在發動機進氣系統側，與發動機同步旋轉,在其運行過程中,進氣壓力將提升至低海拔地區大氣壓力標準，發動機進氣充足，燃燒充分，不會產生積碳，排氣正常，發動機不會產生高溫，故通過加裝機械增壓器，不僅改變了發動機的燃燒條件，而且還會增加發動機的動力性能，從而避免了發動機因進氣不足、燃燒不充分而導致的排氣出現高溫，造成發動機高溫活塞融頂、拉缸的現象，保護了渦輪增壓器，增加了發動機的使用壽命和使用性能。

4.2 在發動機上加裝預熱裝置

發動機長期處于低溫啟動將會導致機油黏度增加而造成發動機機油潤滑最遠位置的凸輪軸磨損嚴重。通過實施進氣加熱、發動機保溫、空氣濾清器清潔及更換周期縮減等措施解決低溫冷啟動的磨損問題， 亦可在發動機機架上加裝一個齒輪泵和預熱器對發動機的機油進行加熱，加熱后的機油通過油管輸送到油底殼內而加快機油的循環和溫度提升，從而保護發動機低溫冷啟動磨損，減少了凸輪軸、曲軸軸瓦與活塞連桿軸套、活塞、活塞環對氣缸壁的磨損。

4.3 定期維護保養設備

結合現場施工環境，嚴格按照廠家規定對設備進行定期A級保養(10 h)、B級保養(250 h)、C級保養(2 000 h)、D級保養(4 000 h)。通過定期更換各種油料和濾芯對設備進行預防性保養，防止設備由于保養不到位而造成設備損害。采用灑水車每日降塵，定期吹空濾的方式保持空濾的清潔度，可以增加進氣量，使發動機燃燒充分、排氣不會出現高溫。

5 結 語

由于該項目在工程前期康明斯KTA38-C型發動機因高寒氣候的影響拉缸、融頂等故障出現較為頻繁，項目部聯合廠家專業技術人員在對其維修過程中進行了改裝并增加了預熱裝置等措施后1臺發動機運行約1 500 h出現了融頂、拉缸的故障，其他礦卡發動機經改裝后運行時間超過2 500 h，狀態良好，其中3臺發動機經大修后改裝，目前運行時間已超過5 000 h。對上述數據進行分析后得知，在舊發動機上直接改裝，由于發動機受損，改裝后的運行效果不太明顯；而大修后進行改裝和增設預熱裝置，使發動機正常運行小時數大為增加；如果新設備在原廠進行改裝和增設預熱裝置以適應高寒氣候外界運行環境，發動機的正常運行周期必定會再加長。項目部相關部門正與廠家積極合作，設立了科研課題，目前合作進展比較順利。KTA38-C型發動機在高寒氣候條件下出現的融頂、拉缸問題將得到徹底解決，必將大幅度提高設備的完好率和利用率，降低設備的運營成本，保證項目生產的正常進行。

西藏地區礦藏資源豐富，地理環境獨特，平均海拔在4 000 m以上。隨著國家的大力開發，西藏地區的礦業開發將逐步深入，必將大量使用工

程機械，因此，研究高原氣候對發動機的影響、促使發動機改型升級，對提升發動機在高原上的使用性能具有深遠的意義。