工程機械用柴油機的動力匹配技術

謝觀如

摘要：柴油機廣泛裝備于工程機械設備，其動力匹配主要由散熱系統、進排氣系統和燃油系統等部分組成。正確的匹配選型和合理的布置對柴油機乃至整個設備的高效運行都至關重要。當然，設備使用的過程中，及時規范的保養也非常重要。

關鍵詞：工程機械;柴油機;動力匹配

Abstract： Diesel engine is widely used in construction machinery and equipment， and its Application technology is mainly composed of cooling system， intake and exhaust system and fuel system. The correct matching and reasonable layout are very important for the efficient operation of diesel engine and even the whole equipment. Of course， in the use of equipment， timely and standardized maintenance is also very important.

Key words： construction machinery;diesel engine;application technology

0? 引言

隨著社會的進步，人們對生活和工作環境的宜人性要求越來越高。近年來，伴隨電力驅動的參與，柴油機由于其與生俱來的排放、噪聲及燃油經濟性等不利因素，似乎略顯頹勢。但柴油機相關行業整合產業資源進行技術攻堅，在燃油噴射系統、增壓器、后處理器等多方面均取得有效的技術突破，實現產品的進一步節能減排，降本增效。產品本身也更加成熟可靠、持久耐用。另因工程機械設備應用場景特殊，作業場地大多地處偏野，且要求動力源燃料自給、便攜，而電力驅動在電池等方面技術尚未真正實現實質性突破，這些因素使得柴油機裝備工程機械優勢明顯。故而，我們相信在未來較長的一段時間內，柴油機依然會是工程機械行業裝備的主要動力源。

柴油機的動力匹配主要由散熱系統、進排氣系統和燃油系統等組成。

1? 散熱系統

發動機的散熱主要包括循環水散熱、中冷器以及燃油散熱等部分。而散熱器往往會將多個模塊集成到一起，形成一個散熱集成模塊。一般風扇由發動機直驅較多，發動機散熱量需求及風扇轉速都與發動機轉速有一定相關性，所以一般計算時都以發動機的最大需求散熱量及此時的風扇風量、循環水流量為條件，來計算散熱器能否滿足散熱需求。

1.1 循環水散熱? 循環水散熱的作用是將發動機水套內的冷卻液所攜帶的多余熱量經過二次熱交換，在外界強制氣流的作用下將多余的熱量散發到空氣中[1]。有效保證發動機的工作效率和運行可靠性。實際操作過程發動機散熱不足，可能出現燃燒不正常、機油變質，零件磨損，性能下降等多重不利后果。

1.2 中冷器? 帶增壓器柴油機目前幾乎已成為工程機械用柴油機的標配，而中冷器通常都是為配套增壓器而存在。進氣增壓后溫度將升高，溫度升高后將會降低氣體密度，影響其進入腔體的有效充氣效率。有數據表明，在相同的空燃比條件下，增壓空氣的溫度每下降10℃，發動機功率就能提高3～5%。同時，未經中冷的高溫充氣將使發動機燃燒溫度過高，氮氧化物排放增加，造成空氣污染，嚴重時甚至會出現爆震等故障。中冷器通常根據介質不同分為風冷和水冷，風冷使用最為普遍。

1.3 燃油散熱? 一般來講，燃油箱本身就有散熱功能。所以，我們通常建議使用體積較大的燃油箱，而且對進、回油接口設置的位置、距離也都會有一定要求，以避免返回的熱油直接再進入發動機。但對于一些長時間作業且負載高、工況惡劣的機械設備，還是建議增加燃油散熱。一般要求，燃油進油溫度不超過70℃為宜。一些廠家，為節約空間，常將燃油、液壓油箱做成一體，中間設置隔板進行分化的方式，是不可取的。原因有二，一是液壓油溫往往較高，存在間接加熱燃油的問題;二是由于有些設備作業工況惡劣，工作振動大，如果箱體焊接、密封不牢還存在串油的風險。發動機燃油進油溫度太高，不僅降低發動機的功率輸出，也將嚴重影響燃油系統的使用壽命。

1.4 風扇? 散熱器的風量主要來源于風扇，風扇通常可分為吸風和吹風式，一般吸風式較為常見。因風扇吹、吸風形式不同，與散熱器芯體之間的安裝距離也不相同。吸風式風扇應避免將空濾器進氣口設置于機艙內，以避免熱風進入發動機。而吹風式風扇因機艙內溫度偏高，在散熱器計算時應考慮提高進氣環境溫度取值。風扇驅動方式分為發動機直接驅動、液壓馬達驅動和電機驅動等形式。風扇的參數選擇與正確匹配安裝對整個散熱模塊的使用效果也有直接的影響，包括葉片數、風量、葉尖速度、靜壓、擋風罩的設計形式、風扇與擋風圈的間隙及離散熱芯體的距離等。

散熱器主要分為管帶式和管片式，目前普遍采用管帶式比較多。散熱器匹配效果對發動機能否正常發揮其性能至為重要。散熱器設計同時還要考慮空氣流向，在散熱器芯體周邊做好進、出風的隔離，防止高溫空氣再次進氣的空氣回流情況，影響散熱效果。在空間足夠的情況下，散熱器可以適當加大，以防惡劣氣候或惡劣工況下的持續作業造成冷卻水“開鍋”等情況。即使散熱量稍大，發動機普遍自帶節溫器，在其低溫啟動或運行時，冷卻水不經過散熱器的散熱循環，不致有低溫過度散熱的顧慮。

1.5 管路及固定? 匹配過程中，管路的設計也需考慮耐溫、阻力、負壓、爆破壓力、密封性等要求。管路的設計及可靠固定效果將影響整個散熱系統，最終影響柴油機及整機設備的可靠使用。

2? 進排氣系統

2.1 進氣系統? 發動機的進氣系統主要由進氣管總成、空氣濾清器總成、增壓器、中冷器、進氣歧管和進氣閥等所構成[2]，如圖1所示。

發動機的高空燃比就要求其工作時需要吸入大量空氣，而空氣中細小粉塵、沙粒等污染物將成為氣缸套和活塞環之間的磨料。并落入機油，將其帶入發動機各部分，造成大面積磨損。這使得空濾器的存在顯得尤為必要。空濾器的重要參數包括額定空氣流量、原始阻力、濾清效率。設計時，還應注意進氣膠管應能承受一定的負壓，柴油機高負荷工作時不至于被吸扁。

2.2 排氣系統? 噪聲影響著人們的生活和身體健康，從而影響生存質量。消音器可以有效降低發動機排氣噪聲，但同時不影響氣流的順利通過，具有良好的空氣動力學性能。

在發動機的各種噪聲源中，排氣噪聲比其他各種噪聲源要高10-15dB（A），且比重較大，是發動機最主要的噪聲源[3]。排氣系統設計不合理，容易造成功率損失大，油耗高，且消音效果差。

3? 供油系統

柴油機供油系統分為高壓供油系統和低壓供油系統。高壓供油系統為集成在柴油機上部分，主要由高壓油泵、高壓油軌、噴油器和管路等組成。低壓供油部分主要由柴油燃油箱引出，燃油粗濾、燃油精濾、管路及相關接頭組成。供油系統示意圖如圖2所示。低壓油路為柴油機工程應用時需要主機廠家工程師進行匹配的部分，也是這里要重點討論的部分。

供油系統匹配不好會造成發動機供油不暢，從而引起功率下降、冒黑煙、油耗增加，進而引起發動機的主動限扭、限速，甚至無法啟動。一般來講，對于柴油機而言，輸油泵的供油壓力是一個定值，負壓系統匹配的關鍵在于如何在此值范圍內，選擇合適的管徑、管長、油箱高度差、接頭等來降低壓阻，完成順暢供油，同時也有利于延長濾清器的保養周期。

4? 隔震措施

4.1 柴油機隔震

振動是造成設備結構損壞和壽命降低的原因之一。而控制振動的重要方法就是隔震，一種是主動隔震，減少振動源對周圍環境的影響;另一種是被動隔震，減少周圍振動環境對設備的影響。目前使用主要的隔震方式就是安裝減震器。通常我們用振動傳遞比和隔振率來評價隔振效果。由于柴油機本身就是一個振動源，一般與主車架或安裝托架之間都要進行有效的隔震處理。有時，可能整車除發動機外，還有多個振動執行機構，就需要我們不僅對柴油機進行隔震保護，還要防止共振對整個設備的正常運行及使用壽命帶來危害。

4.2 消音器隔震

同樣是隔震，消音器的情況和柴油機有些不同。消音器一般都固定在主車架上，通過連接管與發動機排氣管相連。這樣，車架和柴油機雙頻振動更易造成排氣管出現裂紋等損傷，影響消音排氣及發動機艙內的溫度。這里，我們通常在連接管上設置波紋管，既能起到隔震效果，同時也能補償因排氣溫度造成零件熱脹冷縮尺寸變化進而帶來的附加應力。因排氣器件和管路通常溫度都較高（最高超過500℃），要考慮臨近膠管和其他附件元件的工作環境，根據需要可做隔熱處理。

5? 維修、保養的便利性

發動機匹配不僅要能達到相應的使用要求，也要考慮保養、維護的便利性。例如，散熱器的注水口，發動機的機油加注口，更換機油的放油口，冷卻液的更換放水口，空濾器濾芯的更換空間等。

6? 總結

柴油機技術經多年積淀已經比較成熟，但柴油機的應用技術不同整機廠家差異很大。甚至同一廠家，針對不同作業特點的工程機械產品，也會有所強調和側重。例如一些破碎篩分設備，因作業環境相對惡劣，粉塵較多，就要加大空濾進氣量，同時加強外露件防護等。結合產品特點，做能很好滿足柴油機使用條件的匹配，再結合及時的維護保養，對提高工程機械設備可靠性和使用壽命都是大有裨益的。

參考文獻：

[1]楊萬福.發動機原理與汽車性能[M].北京高等教育出版社，2004.

[2]汪善玲.汽車發動機進氣系統方案分析[J].輕型汽車技術，2013（9）：33-36.

[3]馬志華.發動機排放與噪聲控制[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1999.

[4]尹燕升，朱宏志，李冠霖，等.柴油機低壓供油系統的匹配設計[C].2014年APC聯合學術年會論文集，2014：336-339.