摘要：柴油发动机广泛运用于油田钻井、铁路牵引、动力发电、矿山机械、工程机械、船舶运输等领域，其运行状态的好坏直接影响到整个机车的工作状态。目前，柴油发动机动力系统已经成为现代柴油发动机动力性能优化管理的一种主要手段，因此，对其状态进行监控和对其故障进行自诊断，提早发现和预告设备的故障，确保系统安全正常运行，时时处于最佳运行工况，提高设备的修理质量和效率是十分必要的。
一、引言
随着当今社会工业化水平的迅猛发展，柴油发动机作为最常用的动力机械设备，广泛应用于石油矿场、固定发电、铁路牵引、工程机械及特种船舶等领域，日益朝着大型化、高速化、精密化方向发展，工作性能不断改善，自动化程度越来越高。一方面它将大大提高劳动生产率，提高产品质量，降低生产成本和能耗；但另一方面，带来的问题是，一旦其中某一部分或某一环节发生故障，往往会造成停工停产，直接或间接造成巨大的经济损失，甚至造成关键设备损坏，危及人身安全。
二、柴油发动机工作原理及结构
（一）柴油发动机工作原理
柴油发动机的每个工作循环经历进气、压缩、做功、排气四个行程。其工作原理是：柴油发动机在进气行程中吸入纯空气，在压缩行程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器喷入气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。由于柴油发动机压缩比高（一般为16～22），所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.5～4.5MPa，同时温度高达750～1000K，大大超过柴油的自燃温度。因此柴油在喷入气缸后，在很短时间内与空气混合后便立即自行发火燃烧。气缸内的气压急速上升到6～9MPa，温度也升到2000～2500K。在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转而做功，同时废气经排气管排入大气中。
2、柴油发动机结构
柴油发动机主要结构有：机组体、曲柄连杆机构、配气机构、供给系统、冷却系统、润滑系统和起动系统。柴发动机的结构分级：第一级是柴油发动机本身；第二级是组成柴油发动机的各个子系统；第三级是组成各子系统的各个部件。这些结构的划分为有效地组织不同的动力性能优化知识提供了条件。通过对这些结构的描述，可以将动力性能优化分块化，从而有利于动力性能优化策略控制。
三、柴油发动机的典型故障
柴油发动机系统是非线性的复杂系统，激励和响应都具有非平稳性，这是因为：首先在结构上，发动机是由许多机、电、液等各种子系统组成的复杂机电设备，因而它是一个多层次系统；其次，完成不同功能的各子系统之间无论在结构上，还是在功能上都存在着一定的差异；最后，同一层次的各子系统以及不同层次的各子系统之间虽然可能相联，但在结构与功能上大多无严格的逻辑与定量关系。柴油发动机系统在工作过程中，其零部件由于磨损、疲劳和老化等因素都会引起系统结构上的劣化、失效及各子系统间关系的变化，使系统故障特征在传播过程中发生一定的扭曲，再加上传播路径不止一条等因素，从而造成原始故障可能表现为多个子系统故障。因此故障与故障源之间的关系十分复杂。这种复杂的关系主要表现有：
1、故障的多样性和复杂性。柴油发动机出现故障的可能是多种多样的，并且在多数情况下可能同时出现几个故障。
2、一因多果，一果多因。系统的一个故障可能由多个原因引起，而这些原因也常常是交织在一起相互影响的。另一方而，系统的同一个原因可能由于系统结构和影响程度不同，可能导致不同的结果。
3、故障的产生有偶然性和必然性。系统中故障发生有时是偶然的，没有一定的规律可循，比如油泵坏。系统故障有时也是必然发生的，这是因为它们持续不断，经常发生，并有一定的规律可循，比如润滑油粘度下降，其压力会降低等。
4、故障的产生与使用条件或柴油发动机的工作条件密切相关。同一系统随着使用条件或工作条件的不同，系统所产生的故障也不同。例如柴油发动机在不同的工作负荷下，可能出现故障，也可能不出现故障，并且出现故障的部位也不一定相同。另外司机的水平也对故障的产生有一定的影响。
5、故障的分析判断难，而处理容易。由于柴油发动机的结构复杂，当故障发生后，要想准确判断故障的发生部位和发生原因是比较困难的，必须对故障认真地检查、分析和判断，才能找出故障的部位和故障原因。由于柴油发动机系统结构复杂，为使问题简单化，按照柴油发动机在不解体的情况下通过振动测试可以解决的故障主要存在于燃油系统和进排气系统。因此，我们专门针对这两个系统的某些故障进行典型分析。主要包括：曲柄连杆机构故障、配气机构故障、气缸故障以及活塞故障。
（一）曲柄连杆机构故障
1、连杆的弯曲与扭曲。主要原因是由于长时间低速重载运行，使连杆超载。
2、连杆螺栓损坏。其主要形式是：产生裂纹或断裂、发生拉伸永久变形和螺纹部分松动、粘结。主要原因是不按规定进行装配，扭紧力矩过大或过小，用力不均匀，螺栓、螺母支撑表面与螺纹中心线不垂直，上紧后产生歪扭现象。螺纹配合过紧或过松，表面不清洁，容易产生连接松脱或咬死。连杆轴承间隙增大，产生冲击时就可能引起螺栓断裂事件。
（二）配气机构故障
1、气门关闭不严。主要原因是气门、气门座由于磨损、积炭、烧蚀使接触表面粘合不好而造成的。另外，气门杆部弯曲或在导管中粘住，气门弹簧折断或弹力不足，气门间隙调整过小等均会使气门关闭不严。
2、气门间隙过大。其原因除了气门间隙调整过大以外，主要是气门间隙调节螺钉松动或凸轮、气门挺杆等配气机构零件的正常磨损造成的。
3、气门杆卡住。由于气门杆与气门导管配合间隙选择不当，或导管内出现积炭现象，以及气门杆弯曲等所造成。
4、气门断裂。气门断裂一般发生在头部与杆部过渡区域杆部环槽处。气门断裂落入气缸内，造成活塞顶缸重大事故。造成气门断裂的主要原因一般是由于内燃机温度过高，突然冷却，气门上温度分布不均产生热应力所造成的，或由于进、排气门装错，造成变形、断裂。
5、气门弹簧断裂。气门弹簧断裂不仅破坏内燃机正常工作，也会落入气缸内造成严重事故。造成原因是结构和材料及加工不合格，工作过程中发生变形等。
（三）气缸故障
1、拉缸。所谓拉缸，是指在气缸套工作面上，出现一些深浅不同的轴向沟纹，影响气缸的密封。造成拉缸的原因很多，除因跑合不好外，如活塞环间隙过小，发动机在过低温度下启动，发动机过热等都可能产生裂纹。发动机长时间超负荷运转，机械负荷与热负荷急剧增加，也会产生裂纹。
2、气缸套裂纹。气缸套发生裂纹的原因主要是使用操作不当。如发动机运转中，水量不足，发动机过热时，若突然加入冷水，使缸套骤冷收缩就可能产生裂纹。发动机长时间超负荷运转，机械负荷与热负荷急剧增加，也会产生裂纹。为防止气缸发生裂纹，必须严格按操作规程管理好发动机，严禁发动机长时间超负荷运行。
（四）活塞故障
由于发动机的长期使用摩擦、磨损及安装、调整维修不当等原因造成发动机活塞销与销座孔衬套磨损间隙变大，这种现象我们常称之为发动机活塞销故障。如果连杆小端铜套磨损以后必然使连杆铜套与活塞之间的间隙增大，这将导致在内燃机运转时连杆与活塞销的冲击作用增强。这种冲击激励的变化会影响活塞横向撞击气缸套并使机体的振动响应发生变化。
四、提高柴油发动机动力性能的对策
（一）柴油发动机动力性能优化指标
柴油发动机动力性能优化指标是指发动机的额定功率、额定转速、扭矩和平均有效压力等，这些指标是根据与之配套的使用要求而确定的。
柴油发动机的额定转速和活塞平均速度是指柴油发动机在额定功率时的转速和活塞平均速度。活塞平均速度也是决定柴油发动机高速性的指标。提高柴油发动机的额定转速与活塞平均速度是提高柴油发动机单位体积功率的有效措施之一。但是随着转速提高，单位时间内气缸所完成的工作循环的次数增加了，会使零件的受热程度加剧，而且噪声增大；随着活塞平均速度的增加，作用于曲柄连杆机构零件的惯性力增加，加速磨损，特别是活塞环和气缸套的磨损加剧，这将缩短使用寿命。柴油发动机的额定功率和额定转速确定之后，在额定工况下的扭矩也就确定了。但是，柴油发动机除对功率和转速有要求外，还要求具有一定的扭矩储备，即具有较好的扭矩特性.扭矩特性一般用扭矩储备系数（又称扭矩适应性系数）Km和转速适应性系数Kn及两者的乘积——总适应系数K来表示，即
Km=最大扭矩/额定工况时的扭矩=Memax/Me
Kn=额定转速/最大扭矩时的转速=Ne/Nemax
K=KmKn
扭矩适应性系数越大，柴油发动机适应外界阻力变化的能力越强。转速适应性系数越大，则工作越稳定，从而简化传动结构。
（二）主要技术
提高柴油发动机动力性能的动力性、经济性、排放性和安全性，采用的主要技术有：
1、进气系统
进气管谐振动力效应增压技术和进、排气管隔热技术。通过提高进气压力和降低进气温度，增加进气充量；排气管外表面温度降低，提高了运转安全性。
2、燃油供给系统
高压管路动力效应增压技术，在燃油喷射系统中设置渐缩短管结构，利用渐缩短管对流体的加速作用，在高压油管中产生较高的压力波动，改善喷油雾化和提高喷油速率。 ‑
3、燃烧系统
缩口形燃烧室，组织一定强度的气流运动，提高混合气形成速度和均匀度，改善燃烧。
（三）提高柴油发动机动力性能的对策
以上提到的几个方面是造成柴油发动机的动力不足的主要原因，因此，搀查柴油发动机动不足的故障原因是一项涉及面较广、难度较大的工作。不过，根据理论分析和经验，故障的排查工作还是有规律可循的。
1、先从柴油发动机较常出现故障的系统人手，对柴油发动机的空气供给系统、燃油系统和点火系统等进行常规检查，这样做可避免多走弯路。检查方法应从易到难，先查传统项目，后查电控系统。检查可按点火系统、进气系统、燃油系统、配气机构、其它机械及电路的顺序进行。
2、有故障代码时，先排查故障代码所表示的故障，然后再排查其它可能的故障。
3、对于安装有氧传感器的柴油发动机，利用示波器对氧传器的波形进行分析是一个比较快捷、直接的好方法。氧传感器信号在燃料反馈控制系统中具有非常重要的地位，在示波器的显示屏上，氧传感器的波形就相当于医院里心电监护仪的心电图，通过它可以看到柴油发动机内部的燃烧状态，另外，根据氧传感器的波形可以推断出柴油发动机的机械性能、空气供给系统、燃油供给系统和柴油发动机控制系统的运行情况，为快捷、有效地排除柴油发动机动力故障提供了判断依据。
4、断缸试验也是一个好方法，用它往往能迅速找到输出功率较小的气缸。