冷卻系統對農用柴油機經濟性能的影響及改進措施

摘要：四沖程柴油機廣泛應用于農業機械工作，但冷卻系統設計的缺陷、工作條件的惡劣等因素會影響柴油機的經濟性能。對柴油機的冷卻系統進行技術改進，采用電控蠟式調溫器代替普通蠟式調溫器、采用電控硅油離合器的軸流式風機代替直接驅動風機、采用冷卻腔分流式冷卻設計、采用納米流體等措施，能夠有效地提高柴油機的經濟性能。

關鍵詞：柴油機；冷卻系統；溫度；經濟性能

中圖分類號：U464.172 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）04-0929-04

Influence of Cooling System on Economic Performance of Agricultural Diesel Engine and Improvement Measures

LI Zhen-jie1，LIN Shao-min2

（1. Shantou Polytechnic College，Shantou 515078， Guangdong， China；

2. Research Institute of Environmental Chemistry and Technology，Hanshan Normal University，Chaozhou 521041，Guangdong， China）

Abstract： Four stroke diesel engine is widely used in agricultural machinery， but the design defect of cooling system and bad working conditions might affect the economic performance of diesel engine. The technological improvement of diesel engine cooling system was carried out by measures of using the electric wax type thermostat instead of normal wax type thermostat， the axial fans with electronic silicone oil clutch instead of direct drive fan， the shunt type cooling design in cooling cavity， and adopting the nanometer fluid， which can effectively improve the economic performance of the diesel engine.

Key words： diesel engine； cooling system； temperature； economic performance

中國是一個農業大國，四沖程柴油機因其動力大、適用范圍廣、可靠性好、使用方便等優點被廣泛用于農業機械領域，如拖拉機、柴油發電機組等。農業機械的持續工作時間長是其工作特點之一，如農用灌溉柴油機經常會持續工作300～400 h，因此必須保證其工作可靠性，提高發動機的動力性、經濟性[1]。冷卻系統作為柴油機的重要組成部分，其作用效果不僅影響柴油機工作的可靠性，更直接影響其經濟性能。

四沖程柴油機通過空氣與燃料在氣缸內部的混合、燃燒，把燃料的化學能轉變為熱能，推動曲柄連桿機構運動，向外輸出扭矩，并把廢氣排入大氣中。在此過程中，有相當一部分熱量通過氣缸壁傳給冷卻水系統，由冷卻水循環向周圍的環境散熱。常見的柴油機冷卻系統由冷卻水泵、發動機冷卻腔、調溫器、散熱水箱、冷卻風扇等組成。當冷卻效果良好，柴油機能夠運行在最佳工作溫度時，發動機氣缸內吸進的新鮮空氣量充足，噴入氣缸的燃油能與渦動的空氣充分混合并完全燃燒，輸出最高動力；各部件受熱均勻，變形小；各相對運動部件間的間隙符合設計要求、潤滑油的潤滑性能得到充分的發揮，潤滑油不易變質，相對運動部件的磨損降低；排出的廢氣中對大氣環境污染的成分減少。

衡量現代柴油機運行的經濟性能，除了指示耗油率、有效耗油率、指示效率、有效效率等經濟性能指標，還必須考慮在運行過程中各相對運行部件的過度磨損導致的零件損壞的損失，惡劣的工作環境導致潤滑油提前變質而縮短使用周期的損失，發動機在工作過程中因不完全燃燒生成的HC、NOx、SO2、C等污染物造成對機件的腐蝕破壞，排放廢氣造成的環境污染等。無論是經濟性能指標，還是發動機在運行過程中引發的各種損失，都直接與發動機的冷卻效果有關。發動機的冷卻系統水溫過低，容易增加廢氣排放、加劇零部件磨損、減小功率輸出，縮短發動機的使用壽命及增加使用費用；水溫過高同樣會引起發動機新的磨損[2]。張鐵柱等[3]對水冷式柴油機最佳冷卻液工作溫度的試驗結果表明，WD615.67柴油機全工況最佳冷卻液工作溫度為86.3 ℃。有研究表明，當冷卻水溫度從80 ℃降到30 ℃時，零件的磨損速度會增加1～2倍[4]。

1 發動機冷卻系統對經濟性能的影響

在正常運行狀態下，冷卻水溫度維持在80～90 ℃，發動機的經濟指標比較高。由于農用柴油機的工作受環境影響比較大，工作條件比較惡劣，對冷卻水的循環路徑及冷卻強度的調節一般使用機械的調節方法，無法及時地根據發動機的熱負荷調整發動機冷卻效果，造成發動機的運行功率不能充分發揮、額外損失增大；另外，使用者的使用管理不當，使冷卻系統無法真正發揮其功能，進一步惡化發動機工作條件，增加柴油機的額外損失，甚至影響到發動機工作的可靠性。冷卻系統對發動機的影響主要表現在以下三個方面。

1.1 冷卻系統設計的缺陷，影響柴油機的經濟性能

采用傳統的石蠟型節溫器改變發動機的冷卻水流動途徑，對柴油機冷卻效果有一定的調節作用，可以實現發動機在冷卻水溫<76 ℃時，進行小循環運行；水溫為76 ℃≤T≤86 ℃時，實現大小循環同時運行；水溫>86 ℃時，進行大循環運行。但是這種調節方式不能及時反映柴油機負荷的變化對冷卻的要求，容易導致冷卻需求偏離設計的標準，如在低溫條件下，滯后反應使柴油機的散熱過多，潤滑效果變差，磨損加劇；影響油氣混合物的形成，燃燒過程產生的不完全燃燒產物又加劇磨損，污染環境。

采用直接驅動軸流式風機也無法使冷卻效果達到最佳的要求。由柴油機曲軸前端的皮帶輪帶動軸流式風機運轉，風機的轉速隨著發動機轉速的變化而變化，發動機轉速高，軸流式風機的轉速高，增加散熱器的冷卻效果。但在環境溫度低的條件下，散熱器本身具有足夠的散熱能力，軸流式風機的高速運轉，進一步加強了散熱器的冷卻效果，使冷卻水溫度更低，帶走了更多的熱量。一方面因曲軸皮帶輪通過皮帶直接驅動風機運轉消耗部分發動機的輸出扭矩；另一方面因發動機的熱損失加大，影響發動機的有效功率；另外，因燃燒產生的酸性氧化物在低溫下與進入氣缸的空氣中水分結合生成無機酸，會腐蝕氣缸。

柴油機采用的濕式缸套懸掛在氣缸體上，受發動機運轉時活塞往復運動產生的側向力影響，懸掛的氣缸產生高頻的振動；發動機的冷卻腔設計、制造不當，容易使冷卻腔內水流動的過程產生渦流現象；兩者共同作用的結果易在冷卻腔中形成低壓區和高壓區。因此在冷卻腔中的低壓區容易產生氣泡，高壓區的氣泡被壓破產生極高的流速沖刷氣缸套。張升明[5]研究有關柴油機缸套穴蝕后認為，在某種情況下，壓力可達678 MPa，以超音速的速度沖向氣缸套外側。長期受極大沖擊力的作用，氣缸套的局部表面因疲勞剝落，容易形成穴蝕現象，嚴重時會引起氣缸套的穿孔而失效。

1.2 工作條件惡劣，影響柴油機的經濟性能

農用柴油機大多工作在田間、鄉村道路等，空氣中的灰塵多，尤其是拖動插秧機、收割機的柴油機，冷卻水箱外側、軸流式風機的風葉上容易附著泥土。風葉上的泥土不僅會造成受重不平衡增加額外負荷，還會影響到吹出風的流動質量，影響散熱效果；散熱器上的泥土會降低熱交換的效果，使發動機的氣缸等機件因積聚過多的熱量，導致溫度過高。而溫度過高會導致機件熱變形，改變原有相對運動機件的配合間隙；潤滑油受高溫的影響容易變質，縮短使用壽命；潤滑油黏度變低，潤滑效果變差，導致摩擦力增大，磨損加劇；吸進氣缸內的空氣受溫度的影響，密度減小，進氣量少，進一步惡化燃燒過程，產生的殘碳會增加磨損，產生超標的HC、CO、NOx、SO2等廢氣從而污染環境。

1.3 管理使用不當，影響柴油機的經濟性能

農用機械的使用對象大部分是農民，由于受文化水平的限制，對柴油機的運行特性缺乏認識，往往只滿足于發動機能運行即可，而對于發動機的工作性能、經濟性能、排污影響等要求卻沒有足夠的重視。曾有柴油機的管理者因冷卻水溫度低而將發動機的節溫器拆下來，最終導致發動機拉缸、活塞燒熔，因管理者使用不當引起的事故時有發生（圖1）[6]。而將農田里的泥水直接添加到發動機的冷卻系統中更是普遍現象，由于泥水中含有大量的Ca2+、Mg2+等雜質，這些雜質不僅在高溫下能形成堅硬的水垢附著在冷卻水流通管路內壁，減少流通面積，而且水垢的傳熱系數只有金屬的1/30～1/15，嚴重阻礙了內部冷卻水與外部空氣間的熱交換，使熱量無法及時散發到大氣中而導致溫度上升，影響活塞與氣缸內壁潤滑油膜的形成，破壞了原來活塞與氣缸間的密封性，增加磨損。另外，由于泥水中含有O2、Cl-等，容易與氣缸套中的Fe產生極化反應和電化學腐蝕，形成穴蝕，導致氣缸套的失效。

2 改進冷卻系統、提高柴油機經濟性能的措施

提高柴油機的經濟性能，不僅要提高發動機的有用功率，減少發動機的有效耗油率，還要減少發動機在各種負荷情況下的額外損失，減少對環境的污染。通過采用新型的冷卻技術，對冷卻系統進行改進，改善冷卻系統的冷卻性能，有利于提高能源的利用率，減少污染物的排出，獲得良好的經濟效益。

2.1 冷卻系統調溫器的改進

2.1.1 采用電控調溫器代替原有的調溫器 通過對發動機冷卻水溫度等實施實時監測，將水溫等信號轉變為電信號經發動機ECU處理后，控制電控調溫器電磁線圈的供電情況，及時、準確地獲得與發動機冷卻水溫度要求相匹配的閥門開度，控制冷卻系統的水流循環途徑；適時起動、關閉電動風機及改變風機轉速，改善冷卻強度，使發動機獲得良好的燃燒性能，提高能源的利用率。周天翼等[7]模糊控制系統的實機試驗結果表明，設定控制溫度為90 ℃，環境溫度為15 ℃時，冷卻水溫可控制為（90±4） ℃，獲得良好的控制精度。高鏡惠等[8]、鄧飛等[9]對發動機冷卻系統模糊控制研究后認為：冷卻系統智能控制裝置實現了散熱能力控制的智能化，可以精確自動地調節冷卻液的溫度，把發動機的工作溫度限制在最佳階段，延長了使用壽命，提高了工作效率，減少了故障率。該控制系統可根據車輛的行駛速度、發動機的冷卻水溫來綜合控制冷卻系統，從而達到減少電耗、減少油耗的效果。具有性能穩定、工作可靠、節能潛力大等優點。

2.1.2 采用電控蠟式調溫器代替普通蠟式調溫器 改變普通蠟式調溫器的溫度-升程曲線固定不變的狀況，以獲得能根據發動機負荷、轉速等因素靈活控制的溫度-升程曲線。通過在普通蠟式調溫器的感應體中嵌入電控加溫元件，采用發動機ECU對冷卻水溫等參數檢測、處理后，按原先設置在發動機ECU內的溫控MAP圖，輸出信號控制電控加溫器的端電壓，使石蠟融化的過程不再是以發動機的冷卻水溫為主導，大大提高調溫閥門的動作靈敏度。如德國貝洱公司研發的電控蠟式調溫器[10]，可以根據發動機負荷、轉速、水溫高低要求，由發動機ECU自動實現對加溫器兩端電壓的控制，使其在0、4、9、12 V的范圍內變化，電控蠟式調溫器的反應時間由普通蠟式調溫器的4.38 s減小到1.16 s，從而提前達到最佳工況，減少損失。

2.2 采用電控硅油離合器的軸流式風機代替直接驅動風機

電控硅油離合器是在雙金屬硅油離合器的基礎上增加電磁感應線圈、轉速傳感器等。用電磁閥代替雙金屬閥，電磁閥的開閉程度由電控感應線圈控制，感應線圈由發動機的ECU根據發動機的水溫、氣溫、轉速、負荷等信息綜合后發出指令控制；用于傳遞扭矩的介質是硅油，一旦受控的電磁閥打開，儲油腔的硅油通過電磁閥進入工作腔，工作腔中的硅油由于受離心力的作用，靠近外邊緣硅油的壓力高從回油孔流回儲油腔，形成儲油腔—電磁閥—工作腔—回油孔—儲油腔流動的油路循環。ECU根據柴油機冷卻水溫度等的具體要求控制電磁閥的開度，即可控制進入工作腔的硅油量，使風機的轉速發生相應的變化；只要電磁閥關閉，離合器的工作腔沒有硅油，離合器即處于分離狀態，風機停止工作。采用電控硅油離合器風機可以實現無級調速的目標；且由于不需要連續工作，與直接驅動的風機相比能夠使柴油機負荷與冷卻效果獲得最佳的匹配，可節油約4.2%。3種驅動散熱風機的性能如表1所示。

2.3 采用電控電動水泵代替直接驅動水泵

采用電控閥門和電控水泵取代傳統的節溫器和直驅水泵。改變水泵直接受發動機驅動的限制，冷卻系統效能不僅受發動機轉速控制，還受到發動機的散熱損失等影響。通過發動機電控單元對發動機溫度進行實時監測，對冷卻水流量及在不同回路中的流量分配進行精確控制，滿足不同工況下發動機的冷卻要求，使發動機冷啟動時間縮短，不同工況下發動機工作溫度波動小、工作效率高。張釗等[11]對發動機電控冷卻系統研究認為：與傳統冷卻系統冷卻方式相比，解除水泵與主軸間的耦合關系，通過精確控制水泵轉速及電控閥門開度，在滿足發動機冷卻需要的同時冷卻水循環流量降到最小，使水泵平均功耗由1.50 kW降低至0.56 kW；發動機水溫在效率最高點小幅波動，從而有助于降低燃油消耗率和有害氣體的排放。

2.4 采用發動機冷卻腔分流式冷卻設計

柴油機理想的工作狀態是氣缸蓋溫度低于氣缸套溫度，較低的缸蓋溫度有利于氣缸吸氣和排氣；較高的氣缸套溫度有利于潤滑油膜的形成，降低磨損。通過對發動機冷卻腔結構進行改進，采用分流式冷卻設計，可以分別使氣缸蓋和氣缸套獲得合理的冷卻水流量、壓力和流場分布。

氣缸蓋底部噴油器孔與進、排氣閥座孔間是熱負荷最大的部位，必須優先得到有效的冷卻保證，可以在氣缸蓋的冷卻腔中設置一塊帶孔的隔板，這樣在氣缸蓋的冷卻腔下部采用“橫流水”設計以利于對高熱負荷部位的冷卻；在冷卻腔的上部采用“縱流水”設計以利于減少流動阻力。對于進入氣缸套冷卻腔的水流進口設計為切向傾斜，有利于形成環繞圓周方向的流動，使氣缸套周圍的水流速度增大，提高換熱系數。成曉北等[12]認為采用分流式冷卻方案，能夠獲得較高的氣缸體溫度，使油耗降低4%～6%，在部分負荷時HC排放降低20%～35%。

2.5 冷卻系統中冷卻介質傳熱性能的改善

隨著發動機的動力性能不斷提高和適應日益嚴格的節能減排要求。傳統的純水、水與乙二醇混合液等冷卻介質的傳熱性能已不能適應新的技術要求，尋找新型冷卻介質備受各國關注。納米流體是以一定方式和比例在液體中添加納米粒子而形成的一種均勻、穩定、高熱導率的新型傳熱工質，如氧化鋁+水+乙二醇、銅+水等納米流體。由于傳熱效果好，可以把發動機散熱系統設計得更加緊湊；能在低壓下運行及在較高溫度下保持單相流動，減少熱損失，提高熱效率。王瑋[13]通過對納米流體（氧化鋁+水+乙二醇）的研究發現，對流換熱系數能提升20%～25%；搭建的車用散熱系統使用60 nm的納米流體，在冷卻條件最惡劣的情況下，可將水箱的平均溫度降低5 ℃，空氣出口溫度下降7.9 ℃，能防止水箱的“開鍋”發生，又能有效地改善發動機艙的換熱。高玉國等[14]研究發現，采用納米流體的發動機冷卻系統可使重型汽車的冷卻系統的尺寸和重量減少10%，這將增加大于5%的燃燒效率；而減少空氣流動阻力、減少冷卻介質的流動損失及驅動風扇的損失，可節省約10%的油耗。

3 加強培訓宣傳，提高對柴油機經濟性能的認識

柴油機的動力性能能否得到合理的發揮、經濟性能的好壞、廢氣污染物排放量的高低，很大部分還取決于柴油機使用者能否正確使用。通過專業技能的培訓和相關政策、法規的宣傳，讓廣大農民對四沖程柴油機的構造、工作原理、工作性能的影響因素、使用方法、日常維護保養的重要性等有比較清楚的認識。就冷卻系統而言，散熱器肋片的檢查、散熱器蓋的密封性對冷卻系統的影響、水垢的形成與影響、風扇葉片的檢查、冷卻水溫度對發動機工作的影響等都是專業技能培訓的內容，使廣大使用者認識到冷卻系統對維持發動機正常工作、提高發動機經濟性、減少污染排放的重要性，在使用發動機過程中，自覺主動按規范要求操作，提高柴油機的經濟性能。

4 小結

冷卻系統對柴油機的使用性能、經濟性能、廢氣排放有著直接的影響，通過采用電控蠟式調溫器代替普通蠟式調溫器、采用電控硅油離合器的軸流式風機代替直接驅動風機、采用冷卻腔分流式冷卻設計、采用納米流體等技術，使冷卻效果與柴油機的工作性能更好地匹配，在工作過程中充分發揮柴油機的動力、減少廢氣排放，能夠有效地提高柴油機的經濟性能。另外，必須注重加強培訓宣傳，提高廣大使用者的專業技能以及對柴油機經濟性能的認識。

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