摘 要：在海拔5000-5500米的位置进行施工作业，对现场机械设备存在极大的考验和挑战，尤其是对发动机的影响较大，发动机在高原高海拔的环境下，会出现各种各样的故障，通过采取增加机械增压、定期保养、降尘，可以提高发动机的进气量，让发动机燃烧充分，排气不会高温，从而减少对发动机的损坏。
关键词：发动机拉缸，活塞融顶，涡轮叶片失速，机械增压，涡轮增压设备，预热装置
1、前言
西藏知不拉铜多金属矿采剥工程项目位于西藏拉萨墨竹工卡县，采区位于冈底斯山脉与念青唐古拉山脉结合部位，地势险峻，切割强烈，平均海拔在5000m以上，部分为冰川地貌。本项目运输矿卡主要配置NTE260电动轮（230t级）和TR100（90t级）两种型号矿用卡车，其中TR100配置康明斯K38型型发动机，在一般环境条件下该发动机经相关机构检测，大修周期约8000h。由于海拔高达5000~5600米，大气压力相当于沿海地带的50%~55%,过低的大气压力导致发动机功率下降，同时由于进气不足，燃烧不彻底，导致发动机高温而早期损坏等问题，严重影响了设备的生产效率。高寒气候，对水管、橡胶部件、螺栓等造成很大影响，例如：密封不严、漏水严重、早期出现老化、钢材内部金相组织发生变化而变脆、螺栓出现断裂等现象。低气压环境下进气不足，排气高温，燃烧不彻底，导致发动机活塞因高温融顶、拉缸等高原故障。根据实际数据统计结果，因高寒气候引起K38型发动机拉缸和融顶的最短周期88.9h，最长周期3393.1h，平均周期1785.6h，由此可以比较，在高寒气候条件下，发动机寿命大大缩短，使其维护运营成本增加，导致设备利用率降低和生产成本增加。
2、高原气候的特点及相关数据
知不拉矿区沿河谷或剥蚀强烈区第四系发育，植被以高山草甸为主，有少量高山耐寒苔藓，植被简单。水系发育，以大气降水和冰雪融水供给。矿区属高原温带半干旱季风型气候，低温干燥、空气稀薄、日照充足、昼夜温差大，海拔为0m 时，大气压力为101Kpa；海拔为5000m时，大气压力为54Kpa；海拔为5500m时，大气压力为50Kpa。年平均气温0℃左右，极端最高气温为 28.3℃，极端最低气温为-35℃。10月底开始冰冻，翌年4～5月解冻，积雪厚度：10～60cm，最大冻结深度可达40m，其间干冷多风，为东南向季风，时有降雪。旱、雨季分明，年降水量400mm左右，多集中在6～9月，且气候湿润，常有暴雨、雪、冰雹，造成山洪和泥石流爆发，年蒸发量约2000mm。
3、高原低温气候对KTA38-C型发动机的影响
3.1 KTA38-C型发动机拉缸、融顶
海拔5000～5500米的位置，大气中氧含量仅有海平面氧含量的50%~55%左右，空气中的氧含量随着海拔高度的升高而降低，海拔高度每升高1000米，大气压力下降9%，空气中的密度下降梯度为6%～9%，含氧量下降10%，发动机由于进气不充分，而现场采用直喷发动机，喷进气缸内的燃油在压缩比一定的情况下，发动机不能充分燃烧，燃烧室产生积炭，从而发动机易产生爆燃，造成发动机燃烧室高温，热量不能及时随废气排出，活塞、活塞环及缸壁整体受高温而膨胀，缸壁的膨胀由于缸体的约束，只能向内膨胀，活塞向外膨胀，挤压活塞环及油环，改变了配合间隙，活塞上的油环由于受膨胀的挤压，缸壁上的机油不能形成正常的油膜，机油的冷却及润滑效能降低，活塞气环产生干磨擦后拉伤缸壁（称之为活塞拉缸）。气压低、氧含量少，会造成单位时间内燃油消耗量增大大，经济性能下降。
3.2 涡轮部件和水箱故障
发动机运行过程中，由于燃烧不充分，不仅会损坏造成发动机拉缸、活塞融顶等非正常现象，同时也会造成发动机功率下降，动力性能不达标。涡轮增压器由于空气密度较低，涡轮增压器进气侧切割阻力下降，涡轮叶片长期处于失速状态。目前国内外采用涡轮增压器大部分为机油冷却，部分采用水冷，进气不充分，涡轮增压器排气侧出现高温，高温气体将废气涡轮叶片烧蚀、出现麻点等现象，导致废气侧涡轮吸热，加剧涡轮轴与轴套的磨损。据统计分析结果，涡轮增压器在500℃左右出现暗红色，680℃左右涡轮增压器将会高温损坏。在西藏高寒地区（海拔5000米），由于空气密度低，水沸点为78℃～83℃，造成水箱频繁出现开锅现象（热水沸腾）。水沸点较低，出现的常见故障有：水箱由于高温内部压力增大，造成水箱盖损坏、水箱散热板开裂；发动机机体出现高温，造成机体膨胀，内部压力较大，导致水堵头频繁被冲出来等高原故障。
3.3发动机内部构件的磨损
我项目施工的位置在海拔5000～5500米，冬季气温为-25℃左右，极端最低气温为-35℃左右，对于发动机启动性能影响极大，冬季现场设备将会损坏大量起动机。低温，柴油发动机的进气温度要比夏季气候低28.3℃～63℃。因此，发动机的压缩终了的气体温度在100℃～200℃左右，达不到启动条件（海拔5500米的位置柴油燃点为220℃，而压缩气体的温度应在150～250℃，发动机在压缩气体的温度在220℃以上才能达到启动条件），气缸内因长期处于高温状态，各密封组件磨损加剧产生漏气，气缸内密封性能逐步下降，压缩气体在下降到220℃以下时,发动机将无法起动。发动机长期处于高温、燃烧不充分状态，将会造成发动机各部件变形损坏、气缸内积碳严重、机油散热器损坏、传感器失效等高原性故障。同时发动机在低温下，启动性能降低，驾驶员频繁启动设备，造成起动马达损坏率比内地高达90%左右。发动机启动后，在怠速运行预热时，内部的机油黏粘度较大，曲轴在旋转的过程中，带动活塞上下运动，由于机油粘稠度较大，将会造成以下磨损：（1）活塞连杆机构：活塞、活塞环与气缸壁之间的磨损，活塞连杆小头与曲轴轴瓦的磨损；（2）配气机构：凸轮轴、进排气门过桥组件的磨损。气温低、昼夜温差大将会造成发动机和起动机使用寿命缩短。
3.4 橡胶部件的老化
高原春、夏季节，一般日照时间从早上6：40～21：00，比内地每年平均日照多12.5%。高原一年四季昼夜温差较大，一般在10℃～40℃左右，将会严重缩短发动机皮带、发电机皮带、水管等橡胶制品的使用寿命。
3.5 对蓄电池、启动马达的影响
高原气候，温差较大将会对螺栓及钢材的内部金相组织发生变化，渗碳体增加，钢材变脆，经常出现水箱支座螺栓出现断裂现象，气候温差较大也会严重影响蓄电池的使用寿命。蓄电池使用环境在10℃～25℃左右为最为适宜，随着环境温度的降低，蓄电池电解液的密度将会增大，隔板的渗透能力下降，内阻增加蓄电池的放电能力也会下降。同时启动时，启动电流较大，因为内阻增加而引起电压降增大，从而使端电压明显下降。蓄电池工作能力大大降低，蓄电池在发动机启动过程中，影响启动马达的转矩，造成启动马达磨损严重，长期出现马达内部的轴承、驱动齿损坏现象。
3.6对空气滤芯的影响
高原外界环境，特别是冬季，气候较为干燥，灰尘量较大，对发动机的进气系统有严重影响，空气滤清器在矿山上根据现场外界环境情况一般要求：外滤每三天吹1次，吹6次报废。也就是说18天左右就要更换一套空气滤清器。在高原上空气含尘密度在无风的情况下可超过15g/m,比内地高出6～15倍左右,将会增加发动机的进气阻力,使发动机的功率进一步降低,增加空滤保养的频率,缩短使用寿命,增大成本,降低滤清器的效率,造成发动机早期磨损和缩短使用寿命。
4、高寒气候下KTA38-C型柴油发动机预防措施
4.1改装机械增压器
经过综合分析、对比，机械式涡轮增压价格较为便宜，体积小安装方便，机械增压器配上适当的皮带轮，安装在发动机进气系统侧，与发动机同步旋转,在运行过程中,进气压力将提升至低海拔地区大气压力标准，发动机进气充足，燃烧充分，不会产生积碳，排气正常，发动机不会产生高温。通过加装机械增压器，不仅改变发动机的燃烧条件，而且还会增加发动机动力性能，从而避免发动机由于进气不足，燃烧不充分，排气出现高温，造成发动机高温活塞融顶、拉缸的现象，保护涡轮增压器高温损坏，增加了发动机的使用寿命和使用性能。
4.2发动机加装预热装置
发动机长期处于低温启动，将会导致机油粘度增加，造成发动机机油润滑最远位置的凸轮轴磨损严重。通过进气加热、发动机保温、空滤清洁及更换周期缩减等措施来进行解决低温冷起动的磨损。 也可以采取在发动机机架上加装一个齿轮泵和预热器，对发动机的机油进行加热，加热后的机油通过油管输送到油底壳内，加快机油的循环和温度提升，从而保护了发动机低温冷起动磨损，减少凸轮轴、曲轴轴瓦与活塞连杆轴套、活塞、活塞环对气缸壁的磨损。
4.3定期维护保养设备
结合现场施工环境，严格按照厂家规定对设备进行定期A级保养（10h）、B级保养(250h)、C级保养(2000h)、D级保养(4000h)。通过定期的更换各种油料和滤芯，对设备进行预防性保养，防止设备由于保养不到位造成设备损害。通过采用洒水车每日进行降尘，定期吹空滤，保持空滤的清洁度，可以增加进气量，使发动机燃烧充分、排气不会出现高温。
5、结束语
由于项目前期康明斯K38型型发动机因高寒气候的影响，拉缸、融顶等故障出现较为频繁，我部联合厂家专业技术人员在对其维修过程中进行了改装和增加预热装置等措施，改装后1台发动机运行约1500h出现了融顶、拉缸的故障，其他矿卡发动机改装后运行超过2500h，状态良好，其中3台发动机经过大修后改装，目前运行了超过3500h，没有出现故障。从上述数据分析，在旧发动机上直接改装，由于发动机受损，改装后的运行效果不太明显；经过大修后进行改装和增设预热装置，发动机正常运行小时数大为增加；如果新设备在原厂进行改装和增设预热装置以适应高寒气候外界运行环境，发动机的正常运行周期必定会再加长。我部相关部门正与厂家积极合作，成立科研课题，目前合作进展比较顺利，K38型发动机在高寒气候条件下出现的融顶、拉缸问题将得到彻底解决，将大幅度提高设备的完好率和利用率，降低设备运营成本，保证项目生产的正常运行。
西藏地区，矿藏丰富，地理环境独特，平均海拔在4000米以上，随着国家的大力开发，西藏地区矿业开发逐步深入，必将大量使用工程机械，研究高原气候对发动机的影响，促使发动机改型升级，对提升发动机在高原上的使用性能有着深远的意义。
参考文献：
[1] 李全利、张俊海. 《汽车发动机构造与维修》. 北京：化工工业出版社. 2010年8月；
[2] 钱文. 《汽车电控发动机原理与检修》. 北京：北京理工大学出版社. 2015年10月。
论文作者:单帅1张宗涛2张春龙2
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第9期
论文发表时间:2019/8/15
标签：发动机论文; 活塞论文; 高温论文; 气候论文; 磨损论文; 将会论文; 机油论文; 《工程管理前沿》2019年第9期论文;