工程機械冷卻系統探究

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0引言

發動機在工作中產生大量的熱，影響其性能，因此，運行中的發動機必須適當冷卻，以確保其保持良好的性能。如果冷卻不充分，氣缸會因為充氣量不足無法正常燃燒，進而導致各零部件因潤滑不充分而嚴重磨損，最終降低發動機功率。如果過度冷卻，發動機熱能會大量損耗，只有一部分熱量轉換成有用功，原本已汽化的燃油會再度凝結然后流到曲軸箱內，不僅造成燃油損耗增加，還可能導致潤滑油被稀釋而降低潤滑度，導致各零部件嚴重磨損，最終就會降低發動機功率。鑒于此，發動機的冷卻既不能過高也不能過低，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的溫度，總之只要冷卻后不超過正常工作溫度范圍，都能保證其有良好的工作性能。一般來說，發動機冷卻介質主要包括水冷卻系統和風冷卻系統兩大類。水冷卻系統是用水為發動機高溫零件降溫，使其熱量散入大氣的一系列裝置。而風冷卻系統則是直接將發動機高溫零件的熱量散入大氣，由此達到降溫的目的。從裝配和維修上看，風冷系統比水冷系統裝配更簡單，維修更快捷，但是對空氣溫差不敏感，冷卻效果差，而且工作噪聲大，功率消耗較高。所以風冷系統目前多用于小排量發動機，除此以外的大多數類型的汽車發動機都采用水冷系統。

1當前工程機械冷卻系統存在的問題

工程機械冷卻問題尤為嚴重，工程機械所處環境惡劣，設備在運行時都會發熱，如果無法快速散熱，可能因為發動機過熱導致設備出現各種故障，最后不得不停機檢修，既影響正常工作進度，又要花費一筆維修費用。如果發動機長時間保持小負荷高速運轉，冷卻能力嚴重過剩，熱量大量散失，就會出現預熱緩慢的問題，從而導致燃油浪費、零部件磨損加劇等。當前，我國發動機制造領域中冷卻風扇驅動仍以傳統驅動方式為主。按照傳統的驅動方式，發動機曲軸連接V型皮帶，以定傳動比的形式帶動水泵和冷卻風扇一起運轉，冷卻水的熱量隨著冷卻空氣通過散熱器散入大氣（如目前這種冷卻系統在我國工程機械領域應用十分普遍。發動機的最大熱負荷工況決定了該系統的冷卻能力。嚴格來講，這種冷卻系統風扇功耗較特別大，一般占發動機總功率的5~12%，屬于比較大的附件損失。其次，如果冷卻水溫太低，會在一定程度上提高發動機油耗量。假設發動機冷卻水溫為90℃，燃油消耗率比在50℃時就會提高10個百分點。而且冷卻能力只能根據發動機轉速進行適當調節，發動機本身不能根據熱量大小來自動調節冷卻能力，因此當發動機低負荷運轉時，冷卻能力往往達不到散熱需要，常常出現機身過熱的狀況；當在高速運轉或在中小負荷條件下運轉時，發動機往往能快速冷卻，甚至出現冷卻過剩的狀況，進而導致發動機在啟動過程中，因傳熱系統熱損失較大而造成機身預熱緩慢，結果白白浪費一部分燃油。再者，傳統冷卻系統中最大熱負荷工況設計決定了發動機的冷卻能力，因此系統還存在啟動轉矩較大、預熱緩慢、能耗量高等設計缺陷。除此之外，傳統冷卻系統不僅負擔著為發動機降溫的任務，還要為工程機械傳動系統和液力舉升以及轉向系統液壓油散熱降溫，在高強度散熱工況之下，傳統冷卻方式風扇的裝配位置難以確定，并且會妨礙散熱器的安裝。

2液壓驅動風扇控制系統設計方案

液壓驅動風扇控制系統原理。①發動機冷卻系統采用先導式電液比例溢流閥，通過比例調壓回路按比例調節冷卻壓力，系統在此起到可控節流閥的作用，當比例溢流閥12的輸入電信號為零時，可以使系統卸荷。②回油路中增加了一個背壓閥6，通過調節該背壓閥可以在液壓馬達進油腔內形成附加壓力，以確保在負值負載條件下，液壓馬達進油腔內始終有一定的壓力，從而防止腔內出現真空。另外，背壓閥6會產生一種具有限速功能的阻尼力，它能抑制運動部件振動，以確保機身穩定運行。③液壓驅動油路中的安全閥13具有限壓功能。通常情況下它是閉鎖的。當系統壓力大于其額定壓力時，它會自動打開使油液回流到油箱內，通過平衡系統壓力避免液壓系統超負荷運行。④發動機連續運轉時，根據實際工況確定原散熱系統發動機的散熱量、液壓系統的散熱量，據此確定散熱風扇的運行參數（如轉速、通風量等），再在新的冷卻系統中對風扇的轉速扭矩進行修正，基于調整后的運行參數挑選合適的風扇馬達、齒輪泵和電磁比例溢流閥。⑤設計微控單元ECU。冷卻液溫度傳感器向微控單元ECU傳輸溫度信號，該微控單元隨即按照電磁比例溢流閥可識別的格式進行信號轉換后再傳給溢流閥。冷卻液在80~95℃之間的溫度條件下達到最佳工況。如果高于這個溫度區間，比例溢流閥會在微控單元ECU的控制下減少溢流量，從而使液壓馬達的液壓油流量開始增加，繼而開啟液壓風扇馬達。隨著溫度的繼續升高，進一步控制溢流量，液壓馬達的液壓油流量持續增大，驅動風扇馬達不斷加快運轉，從而增大散熱量，達到快速冷卻的目的。當冷卻液的溫度降低到80℃以下，微控單元ECU會控制溢流閥全開，使液壓油倒流進入油箱，沒有流向液壓馬達的流量，所以風扇馬達和水泵停止轉動，從而降低冷卻強度。⑥裝機試車。首先將發動機冷卻系統和液壓冷卻系統安裝就位，檢驗該系統的冷卻控制性能，處理好筑路作業中的各種狀況，并分析其運行參數，對個別環節進行優化調整，以確保冷卻系統的散熱量達到機械運行要求。

3結論

使用原冷卻系統冷卻液溫度在10min達到66℃，此后水溫便不再升高，要達到80~95℃的最佳工作溫度需要很長的時間。根據運行要求對冷卻系統做了調整之后，冷卻液升溫預熱時間比原來縮短了一半，水溫很快就能升高到80~95℃，冷卻系統在最佳工作溫度下運行，不僅耗油少，重點是能防止發動機過熱，從而使之始終保持著最佳工況，達到了經濟、高效的運行要求。

作者：張連永 單位：濟寧技師學院