工程機(jī)械冷卻系統(tǒng)探究

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0引言

發(fā)動(dòng)機(jī)在工作中產(chǎn)生大量的熱，影響其性能，因此，運(yùn)行中的發(fā)動(dòng)機(jī)必須適當(dāng)冷卻，以確保其保持良好的性能。如果冷卻不充分，氣缸會(huì)因?yàn)槌錃饬坎蛔銦o(wú)法正常燃燒，進(jìn)而導(dǎo)致各零部件因潤(rùn)滑不充分而嚴(yán)重磨損，最終降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率。如果過(guò)度冷卻，發(fā)動(dòng)機(jī)熱能會(huì)大量損耗，只有一部分熱量轉(zhuǎn)換成有用功，原本已汽化的燃油會(huì)再度凝結(jié)然后流到曲軸箱內(nèi)，不僅造成燃油損耗增加，還可能導(dǎo)致潤(rùn)滑油被稀釋而降低潤(rùn)滑度，導(dǎo)致各零部件嚴(yán)重磨損，最終就會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率。鑒于此，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻既不能過(guò)高也不能過(guò)低，最適宜的程度是使其能夠冷卻到最佳工作溫度350～360K，但是這主要取決于冷卻介質(zhì)的溫度，總之只要冷卻后不超過(guò)正常工作溫度范圍，都能保證其有良好的工作性能。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻介質(zhì)主要包括水冷卻系統(tǒng)和風(fēng)冷卻系統(tǒng)兩大類(lèi)。水冷卻系統(tǒng)是用水為發(fā)動(dòng)機(jī)高溫零件降溫，使其熱量散入大氣的一系列裝置。而風(fēng)冷卻系統(tǒng)則是直接將發(fā)動(dòng)機(jī)高溫零件的熱量散入大氣，由此達(dá)到降溫的目的。從裝配和維修上看，風(fēng)冷系統(tǒng)比水冷系統(tǒng)裝配更簡(jiǎn)單，維修更快捷，但是對(duì)空氣溫差不敏感，冷卻效果差，而且工作噪聲大，功率消耗較高。所以風(fēng)冷系統(tǒng)目前多用于小排量發(fā)動(dòng)機(jī)，除此以外的大多數(shù)類(lèi)型的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)都采用水冷系統(tǒng)。

1當(dāng)前工程機(jī)械冷卻系統(tǒng)存在的問(wèn)題

工程機(jī)械冷卻問(wèn)題尤為嚴(yán)重，工程機(jī)械所處環(huán)境惡劣，設(shè)備在運(yùn)行時(shí)都會(huì)發(fā)熱，如果無(wú)法快速散熱，可能因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)各種故障，最后不得不停機(jī)檢修，既影響正常工作進(jìn)度，又要花費(fèi)一筆維修費(fèi)用。如果發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間保持小負(fù)荷高速運(yùn)轉(zhuǎn)，冷卻能力嚴(yán)重過(guò)剩，熱量大量散失，就會(huì)出現(xiàn)預(yù)熱緩慢的問(wèn)題，從而導(dǎo)致燃油浪費(fèi)、零部件磨損加劇等。當(dāng)前，我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)制造領(lǐng)域中冷卻風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)仍以傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式為主。按照傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸連接V型皮帶，以定傳動(dòng)比的形式帶動(dòng)水泵和冷卻風(fēng)扇一起運(yùn)轉(zhuǎn)，冷卻水的熱量隨著冷卻空氣通過(guò)散熱器散入大氣（如目前這種冷卻系統(tǒng)在我國(guó)工程機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用十分普遍。發(fā)動(dòng)機(jī)的最大熱負(fù)荷工況決定了該系統(tǒng)的冷卻能力。嚴(yán)格來(lái)講，這種冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇功耗較特別大，一般占發(fā)動(dòng)機(jī)總功率的5~12%，屬于比較大的附件損失。其次，如果冷卻水溫太低，會(huì)在一定程度上提高發(fā)動(dòng)機(jī)油耗量。假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫為90℃，燃油消耗率比在50℃時(shí)就會(huì)提高10個(gè)百分點(diǎn)。而且冷卻能力只能根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，發(fā)動(dòng)機(jī)本身不能根據(jù)熱量大小來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻能力，因此當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，冷卻能力往往達(dá)不到散熱需要，常常出現(xiàn)機(jī)身過(guò)熱的狀況；當(dāng)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)或在中小負(fù)荷條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)往往能快速冷卻，甚至出現(xiàn)冷卻過(guò)剩的狀況，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，因傳熱系統(tǒng)熱損失較大而造成機(jī)身預(yù)熱緩慢，結(jié)果白白浪費(fèi)一部分燃油。再者，傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)中最大熱負(fù)荷工況設(shè)計(jì)決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻能力，因此系統(tǒng)還存在啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、預(yù)熱緩慢、能耗量高等設(shè)計(jì)缺陷。除此之外，傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)不僅負(fù)擔(dān)著為發(fā)動(dòng)機(jī)降溫的任務(wù)，還要為工程機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和液力舉升以及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓油散熱降溫，在高強(qiáng)度散熱工況之下，傳統(tǒng)冷卻方式風(fēng)扇的裝配位置難以確定，并且會(huì)妨礙散熱器的安裝。

2液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇控制系統(tǒng)原理。①發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)采用先導(dǎo)式電液比例溢流閥，通過(guò)比例調(diào)壓回路按比例調(diào)節(jié)冷卻壓力，系統(tǒng)在此起到可控節(jié)流閥的作用，當(dāng)比例溢流閥12的輸入電信號(hào)為零時(shí)，可以使系統(tǒng)卸荷。②回油路中增加了一個(gè)背壓閥6，通過(guò)調(diào)節(jié)該背壓閥可以在液壓馬達(dá)進(jìn)油腔內(nèi)形成附加壓力，以確保在負(fù)值負(fù)載條件下，液壓馬達(dá)進(jìn)油腔內(nèi)始終有一定的壓力，從而防止腔內(nèi)出現(xiàn)真空。另外，背壓閥6會(huì)產(chǎn)生一種具有限速功能的阻尼力，它能抑制運(yùn)動(dòng)部件振動(dòng)，以確保機(jī)身穩(wěn)定運(yùn)行。③液壓驅(qū)動(dòng)油路中的安全閥13具有限壓功能。通常情況下它是閉鎖的。當(dāng)系統(tǒng)壓力大于其額定壓力時(shí)，它會(huì)自動(dòng)打開(kāi)使油液回流到油箱內(nèi)，通過(guò)平衡系統(tǒng)壓力避免液壓系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行。④發(fā)動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)實(shí)際工況確定原散熱系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量、液壓系統(tǒng)的散熱量，據(jù)此確定散熱風(fēng)扇的運(yùn)行參數(shù)（如轉(zhuǎn)速、通風(fēng)量等），再在新的冷卻系統(tǒng)中對(duì)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速扭矩進(jìn)行修正，基于調(diào)整后的運(yùn)行參數(shù)挑選合適的風(fēng)扇馬達(dá)、齒輪泵和電磁比例溢流閥。⑤設(shè)計(jì)微控單元ECU。冷卻液溫度傳感器向微控單元ECU傳輸溫度信號(hào)，該微控單元隨即按照電磁比例溢流閥可識(shí)別的格式進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換后再傳給溢流閥。冷卻液在80~95℃之間的溫度條件下達(dá)到最佳工況。如果高于這個(gè)溫度區(qū)間，比例溢流閥會(huì)在微控單元ECU的控制下減少溢流量，從而使液壓馬達(dá)的液壓油流量開(kāi)始增加，繼而開(kāi)啟液壓風(fēng)扇馬達(dá)。隨著溫度的繼續(xù)升高，進(jìn)一步控制溢流量，液壓馬達(dá)的液壓油流量持續(xù)增大，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇馬達(dá)不斷加快運(yùn)轉(zhuǎn)，從而增大散熱量，達(dá)到快速冷卻的目的。當(dāng)冷卻液的溫度降低到80℃以下，微控單元ECU會(huì)控制溢流閥全開(kāi)，使液壓油倒流進(jìn)入油箱，沒(méi)有流向液壓馬達(dá)的流量，所以風(fēng)扇馬達(dá)和水泵停止轉(zhuǎn)動(dòng)，從而降低冷卻強(qiáng)度。⑥裝機(jī)試車(chē)。首先將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和液壓冷卻系統(tǒng)安裝就位，檢驗(yàn)該系統(tǒng)的冷卻控制性能，處理好筑路作業(yè)中的各種狀況，并分析其運(yùn)行參數(shù)，對(duì)個(gè)別環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以確保冷卻系統(tǒng)的散熱量達(dá)到機(jī)械運(yùn)行要求。

3結(jié)論

使用原冷卻系統(tǒng)冷卻液溫度在10min達(dá)到66℃，此后水溫便不再升高，要達(dá)到80~95℃的最佳工作溫度需要很長(zhǎng)的時(shí)間。根據(jù)運(yùn)行要求對(duì)冷卻系統(tǒng)做了調(diào)整之后，冷卻液升溫預(yù)熱時(shí)間比原來(lái)縮短了一半，水溫很快就能升高到80~95℃，冷卻系統(tǒng)在最佳工作溫度下運(yùn)行，不僅耗油少，重點(diǎn)是能防止發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，從而使之始終保持著最佳工況，達(dá)到了經(jīng)濟(jì)、高效的運(yùn)行要求。

作者：張連永 單位：濟(jì)寧技師學(xué)院