车用柴油发动机常见故障及维修分析

王志文，武利生，张润泽,2

1太原理工大学机械与运载工程学院 山西太原 030024

2矿山流体控制国家地方联合工程实验室 山西太原 030024

防爆胶轮车起源于 19 世纪 50 年代初期，鉴于其负载能力强、在矿井复杂环境下运行平稳的特点，在煤矿中通常作为辅运车辆使用。当下新能源矿用胶轮车由于其无排放、清洁环保的优点正逐步被研发，石家庄煤矿机械有限责任公司推出了一款WLR-11 型矿用电动胶轮车[1]，它不仅外形美观，且操控和制动性能良好，未来值得推广。但是，由于防爆柴油发动机安全性高、可靠性好、动力强的特点，目前仍然是矿用车辆的主要动力供给设备。井下作业时，矿道路面起伏多变、条件复杂，胶轮车在运行过程中，经常会遇到坡道较陡、连续转弯的情况，这些均容易导致胶轮车的发动机出现故障，严重降低了工作效率，增加了维修成本。因此对防爆胶轮车发动机常见故障进行分析有非常重要的参考价值[2-5]。

柴油机性能检测有着悠久的历史，并在柴油机故障诊断方面发挥了重要作用。1985 年美国研发的柴油机故障诊断专家系统，已经能够诊断发动机阀座冲击、缸体过度磨损以及燃油喷射故障等问题。我国从上世纪 80 年代开始，对往复式柴油机进行了故障诊断的初步探究。牛彦雷等人[6-8]对柴油发动机的常见故障，如压力过低、增压系统故障、异常排烟进行了分析和总结。车蕊等人[9]建立了基于模糊故障诊断理论的柴油机故障诊断模型，并成功进行了实际诊断。史润泽等人[10]在故障诊断中的时频图像压缩上采用了2 维非负矩阵分解的方法，使得诊断结果更加精确。这些研究工作对国内柴油机故障分析和故障诊断的推广均有重要的推进作用。

笔者对胶轮车发动机常见的三大故障：冒黑烟、动力不足、油耗增加进行研究，对防爆柴油发动机存在问题的原因及采取的措施进行描述，然后进行同型号发动机在不同工况下的工业性试验，研究工况对防爆发动机性能的影响。

1 柴油发动机大修后动力不足原因

柴油发动机长期在恶劣环境中运行后，由于零部件磨损、管路积垢以及维修保养不恰当，会出现动力不足的问题。对发动机动力不足的原因进行分析，主要可以概括为以下 3 个方面。

(1)发动机燃烧室的气密性不好、吸排气系统不畅通、供油量较少、供气量不足，使得燃烧室内氧气不足，燃烧不完全，柴油发动机出现冒黑烟的情况，影响柴油机的工作性能。

(2)柴油发动机长期工作后，内部润滑逐渐变差，缸体等重要零部件在一定程度上被磨损，各部件之间配合变差、安装操作过程不规范均会导致发动机出现功率损失的问题，发动机实际输出功率明显减小，进而造成柴油机动力不足。

(3)大修后柴油机的冷却系统往往达不到使用要求，冷却管路因生锈或积垢堵塞，造成冷却系统不流畅，引发柴油机动力不足。

图1 发动机常见故障检测Fig.1 Detection of common failures of engine

1.1 吸排不畅

柴油机在长时间工作后，大量灰尘滞留在空气滤清器上，容易引起滤清器与进气管道处堵塞，导致外部空气无法进入发动机内部气缸。当只有少量空气进入气缸时，氧气含量较低，即会出现柴油燃烧不充分等问题，进而大大降低发动机工作性能。燃油燃烧不完全还会伴随冒黑烟等现象，也会直接导致油耗增加、动力性降低，还会严重污染环境。鉴于底盘最大输出功率与烟度、一氧化碳、排气温度、氮氧化合物之间存在较强的线性关系，采用以下数学模型进行分析：

式中：P为底盘输出功率，kW；pi为常量与变量系数(变量系数取值大于 0)；Q为不透光系数；M为氮氧化合物体积分数，%；N为一氧化碳体积分数，%；T为排气温度，℃。

由式(1)可见：随着烟度、氮氧化合物、排气温度的增加，胶轮车动力性能逐渐提升；而随着一氧化碳的增加，胶轮车动力性能逐渐降低。因此，定期清理进气口以及滤清器的灰尘至关重要，以保证其不会出现进气堵塞、排气受阻等问题。若在使用过程中发动机冒黑烟，应立即对滤清器与进气道进行检查和维护。

1.2 零部件磨损

柴油发动机长期工作后，缸体等重要零部件出现了不同程度的磨损，以下为需要重点注意的几个地方：

(1)滤清器、散热器等管路接口处容易出现漏油、漏水现象，应及时加固，定期更换密封垫圈；

(2)发动机管路在恶劣环境下工作容易因频繁振动而破裂，应定期检查并更换；

(3)通气过滤网积垢堵塞，使得曲轴箱压力增大，机油窜出破坏油封，造成严重的漏油现象，应定期维修和更换通气过滤网；

(4)机油在长时间使用后，内部杂质含量增多，易引起过滤器的堵塞和安全阀的磨损，一旦安全阀关闭不严，含有杂质的机油未经过滤直接流入主油道及各部件配合处，会加剧发动机各部件磨损，使部件配合间隙增大、配合精度降低、液体润滑性能降低，最终引发一系列发动机故障；

(5)机油泵限压阀磨损或弹簧压力弱导致过滤器内转子盖松动时，都会引起机油压力过低、燃油供油时间不精确；

(6)皮带松弛、散热器网孔堵塞、节温器磨损、机体和气缸盖内部的水循环不畅都易造成柴油机温度过高，使油耗量增加，甚至造成活塞熔化、拉缸、粘缸等重大事故。

1.3 冷却系统故障

发动机产生的热量主要由冷却水带走，但冷却水因水箱、水管泄漏或蒸发而减少，导致带走热量变少，发动机就会因内积热量过多而过热。若冷却系统发生故障时，热量堆积在发动机内部，导致发动机机壳变热，机油温度也会随之升高，温度升至一定程度时，发动机会发出异响，甚至可以闻到烧焦的味道，此时必须及时调控柴油发动机的运行状态，降低负荷。张福祥[11]提供了一种在出现高温故障时排查故障的方法，为笔者提供了试验参考。

冷却系统排放热量可以用以下公式进行计算：

式中：A为传到冷却系统的热量占总热能的比率，对柴油机来说，A=0.18～0.25；ge为内燃机燃料消耗率；Ne为内燃机功率；hn为燃料低热值。

由式(3)可以看出，当冷却系统发生故障，内燃机燃料消耗率ge降低，内燃机功率Ne也降低，最终导致冷却系统带走的总体热量减少。

2 柴油发动机大修后检测

笔者以 YM495DMB 型发动机作为试验对象，通过同型号发动机在不同工况下的试验对比，分析工况对发动机性能的影响，为后续发动机研究和胶轮车发动机现场维修提供参考。

2.1 功率检测

首先对额定功率为 250 kW 的 4 台同型号发动机(记作 A、B、C、D)在 9 个不同转速下，进行修正后功率的采集试验，结果如表 1 所列[12]。

表1 不同转速下功率试验结果Tab.1 Test results of power at various velocity

根据表 1 得到的转速-功率曲线如图 2 所示，可见 4 台防爆柴油发动机在大修后呈现出不同的功率曲线。每台发动机均在 2 000 r/min 时达到稳定状态，表明该型号发动机的额定转速为 2 000 r/min。大修后4 台发动机的功效存在较大的差异：发动机 A 的最大功率约为 200 kW，功效约为 80%；发动机 B 的最大功率约为 175 kW，功效约为 70%；发动机 C 的最大功率约为 225 kW，功效约为 90%；发动机 D 的最大功率约为 170 kW，功效约为 68%。

图2 转速-功率曲线Fig.2 Variation curve of power with velocity

引起大修后功率损失的重要原因为零部件磨损，导致了零部件之间配合不紧密。

2.2 油耗检测

对4 台发动机在 9 个不同转速下，进行修正后燃油消耗率的采集试验，结果如表 2 所列。

表2 不同转速下燃油消耗率试验结果Tab.2 Test results of fuel consumption rate at various velocity

根据表 2 得到的转速-燃油消耗率曲线如图 3 所示，可见 4 台防爆柴油发动机在大修后呈现出不同的油耗曲线，油耗存在较大差异。发动机 A 的油耗在转速为 1 800 r/min 时最小，约为 220 g/(kW·h)；发动机 B 的油耗在转速为 2 200 r/min 时最小，约为 220 g/(kW·h)；发动机 C 的油耗在转速为 2 200 r/min 时最小，约为 232 g/(kW·h)；发动机 D 的油耗在转速为 1 800 r/min 时最小，约为 230 g/(kW·h)。另外，在发动机到达额定转速 2 200 r/min 时，发动机 B 的油耗最小，发动机 D 的油耗最大，发动机 A、C 的油耗介于发动机 B、D 之间。

图3 转速-燃油消耗率曲线Fig.3 Variation curve of fuel consumption rate with velocity

发动机内部热量积存过多，导致发动机温度升高，从而增加发动机所需油耗。另外，发动机工作时间太长，容易出现缸体和散热器积垢太厚的现象，由于积垢覆盖表面，会造成散热不良，进而导致油耗增加。

2.3 尾气检测

对发动机尾气进行检测试验，试验结果如图 4 所示。由图 4 可知：发动机 B 的不透光系数小，所冒黑烟质量浓度低，燃烧较为充分。发动机冒黑烟的原因有：燃油质量差，燃烧不充分，影响燃烧效率；空气滤清器堵塞，使得进气量不足，导致燃油燃烧不充分。

图4 尾气试验结果Fig.4 Test results of tail gas

3 结论

引起发动机动力不足的原因有：燃烧室的密封性变差，吸排气系统不畅通，使得燃烧室内氧气不足，燃烧不完全；柴油发动机长期工作后，缸体等重要零部件出现了不同程度的磨损，零部件之间配合不紧密，使得发动机的实际输出功率明显减小；大修后柴油机的冷却系统往往达不到使用要求，冷却管路因生锈或积垢堵塞造成冷却系统不流畅。

大修后 4 台发动机的功效存在较大的差异，引起大修后功率损耗的最主要原因是恶劣工况使得零部件磨损，导致零部件之间的配合不紧密。引起发动机过热、油耗增加的最主要原因是发动机内积蓄热量过多。引起发动机冒黑烟现象的最主要原因是燃油质量差、空气滤清器堵塞以及各缸供油不均匀。