基于大功率防爆電噴柴油機冷卻系統的優化方法研究

黃鉆

【摘? 要】針對大功率防爆電噴柴油機頻繁高溫問題，對大功率防爆電噴柴油機本體冷卻與排氣系統冷卻進行優化，采用優化設計后的防爆柴油機冷卻系統，將其內、外循環系統設計成半獨立的雙循環系統，且外循環中串、并聯混合使用。

【關鍵詞】柴油機;冷卻系統;優化;雙循環

對于防爆柴油機而言，在普通柴油機大、小2個循環水路的基礎上，多了一路排氣系統冷卻，通常做法是仍與原冷卻系統共用1個冷卻水泵（即單循環應用），采用串聯式冷卻，即從缸蓋的出水管中將冷卻水引流，依次流經雙層排氣歧管、水冷增壓器、水冷雙層排氣管中來冷卻尾氣;從排氣冷卻的冷卻水從水泵上直接引取，根據機體散熱量和排氣冷卻散熱量分配冷卻水流量;從排氣冷卻系統出口出來的冷卻水再回到節溫器端（或直接返回散熱器，參與到大循環中），之后經節溫器回散熱器。

1防爆柴油機冷卻系統設計要求

（1）散熱能力能滿足防爆柴油機在各復雜運行工況時的需要。當車輛運行工況和環境條件發生改變時，需能保證防爆柴油機工作可靠、穩定和維持較佳的冷卻水溫度（冷卻液出口的溫度≤98℃）;

（2）散熱系統有足夠的抗壓能力和膨脹空間;冷卻效率高，可靠性好，風扇（阻燃抗靜電型）運轉可靠，噪聲低;耗功小（即防爆柴油機在啟動后能在短時間內達到較佳的工作溫度）;

（3）冷卻系統能保證防爆柴油機在運行時滿足MT990-2006《礦用防爆柴油機通用技術條件》中防爆柴油機表面溫度不高于150℃、尾氣排放最終溫度不高于70℃的使用要求。中、重型支架搬運車配套用大功率防爆電噴柴油機運行故障統計數據來看，其大功率防爆柴油機因高溫出現了多次停工，嚴重影響了煤礦生產企業的正常生產作業。為徹底解決此問題，針對大功率防爆柴油機冷卻原理，對其進行分析并進行優化設計，從根本上解決此問題。

傳統地面用柴油機的冷卻系統，有大小循環水路2個。以康明斯L型機為例，在柴油機運行過程中水溫低于81℃時，節溫器關閉，冷卻液不經散熱器，直接進行內部小循環冷卻;但當發動機水溫升至81℃時，節溫器開始部分開啟，水溫升至93℃時節溫器全部開啟;冷卻液流經散熱器參與大循環冷卻后被吸入到水泵中進行循環應用。

冷卻系統管路連接方案在當前應用的中小功率段（柴油機防爆后低于85kW時）防爆柴油機上使用時效果較佳，基本能夠滿足熱平衡需要;但在大功率（防爆后功率在200kW以上）防爆柴油機上使用時，效果欠佳，防爆柴油機在長距離大坡度運行時，易出現水溫偏高，甚至開鍋現象，因此，大功率防爆柴油機的冷卻系統需進行優化設計。

2大功率防爆柴油機冷卻系統的優化設計

大功率防爆柴油機采用單循環并聯式冷卻系統時，在臺架試驗或裝車測試檢查發現排氣冷卻系統的進、回水口溫差較大，超出了發動機正常溫差范圍;并且由于防凍液（或冷卻水）在冷卻高溫排氣段時，冷卻液的流經通道明顯延長，導致了沿程阻力和局部阻力都顯著增大，因此，原機用的單水泵流量已不能完全滿足需求，需進行適當增大。

為滿足需求，在空間允許的情況下，增大散熱正面積可以解決相關問題;但空間受限時，即總布置不允許加大散熱器尺寸的情況下，則要依靠提高散熱系數和液氣平均溫差的方法提高散熱能力。提高散熱系數可通過重新選擇散熱器芯部高度和寬度，同時結合實際，合理安排冷卻水管截面和冷卻水管的排列來解決;或者通過增大冷卻風扇的扇葉數量、直徑、偏轉角度以及提高發動機轉速等來實現;但是如果相關方案采用后，經綜合評定（兼顧經濟性和性價比）仍然不能滿足需求，提高液氣平均溫差還可采用另外一種設計方案，即增大水泵流量，常用方式是增加1個水泵，來提高冷卻效率，即設計雙循環水泵的方式解決。

改進設計后的雙循環冷卻系統分成內、外2個獨立（或半獨立）的強制循環式水冷系統。獨立雙循環冷卻系統的應用前提是2個水泵都能完全滿足各自的散熱流量需求。內循環通常為防爆柴油機本體的冷卻，主要是冷卻防爆柴油機的缸體、缸蓋等，保證其正常工作;而所謂的外循環是相對而言的，為冷卻柴油機本體以外的防爆部件，如冷卻增壓器等排氣防爆部件的冷卻水路。需保證防爆柴油機正常工作時水冷增壓器、水冷排氣歧管和水冷排氣彎管等高溫部件表面溫度滿足防爆要求。

內循環的工作原理：冷卻液經主水泵（通常為發動機本體自帶的離心式水泵）吸入后，加壓輸送進入防爆柴油機的缸體水套，然后向上流入到氣缸蓋水套中，冷卻缸體和缸蓋后回到節溫器處;當溫度較低時（低于81℃），冷卻液進行小循環冷卻，不回主散熱器;當溫度升至81℃時，節溫器開始開啟，部分或全部冷卻液流經主散熱器中，經冷卻后，再次被主水泵吸入，參與大循環冷卻。

3防爆柴油機冷卻系統優化前后試驗對比

東康6116柴油機本體的冷卻水泵（主水泵）在標定工況下流量為248L/min，而外聯的第2水泵（副水泵，從空壓機后端取力）流量為80L/min（標定工況）;主水泵的吸水口管徑為準57mm，而副水泵的進、出水口管徑為準25mm;兩者差別較大;依據《6116型防爆柴油機試驗大綱》在臺架上進行了多種方案的組合試驗。

3.1 提出方法

將主、副（獨立）水散的散熱正面積設計為6.5∶3.5，同時，經估算，副水散獨立冷卻排氣系統部件仍然存在困難，故在水路連接時，將熱負荷最大的部位（水冷排氣歧管和水冷增壓器）采用第2水泵配套副水散進行冷卻;而水冷增壓器后的排氣防爆部件（排氣波紋管和排氣彎管段）的冷卻由機體冷卻（內循環）系統參與進行冷卻;結果發現：主水路水溫正常（能夠穩定，穩定后溫度約在90℃左右，能達到熱平衡需求）;副水散水路串聯或并聯連接后，冷卻水溫仍然不能穩定，水溫持續上升，因此，排氣系統的熱負荷過高，水冷排氣歧管有熱裂風險。因此，此方案仍需改進;

3.2 改進方法

水冷排氣歧管設置2路進水口，由于水冷排氣歧管和水冷增壓器之間通過法蘭面過水聯接，因此在水冷增壓器上設置有2個回水口，水路連接方式：主泵從主散熱器吸入冷卻水后，一路冷卻缸體和缸蓋，之后回主水散;但在機體第6缸部位處分流一部分冷卻水繼續冷卻水冷排氣波紋管和排氣彎管，之后回主水路三通;另一路從主水泵出水口處直接分流一路水參與到水冷排氣歧管和水冷增壓器的冷卻，最后經主水路三通回主水散;副水泵從副水散吸入冷卻水后，直接注入水冷排氣歧管的第2個進水口，之后冷卻排氣歧管，增壓器后返回副水散，如此雙循環系統，串、并聯混合使用。

試驗結果：外特性工況下，大功率防爆柴油機輸出功率為252.4kW（2000r/min），輸出扭矩為1414.8Nm（1600r/min），達到設計要求。同時熱平衡性試驗時，在標定點轉速和扭矩點轉速下滿負荷工況時分別運行2h，室溫一直保持至40℃以上（模擬環境溫度40℃）時，發動機水溫和排氣冷卻系統水溫均能達到熱平衡需求，且達到平衡時，本體冷卻水溫最高為92℃;外循環水路水溫最高為94℃。各高溫部位的表面溫度測試時，增壓器聯接法蘭處溫度最高，最高溫度為142℃，低于150℃的防爆要求，且經水洗、冷卻后的最終排氣溫度為64℃，遠低于70℃的防爆要求。因此，改進方法滿足使用需求，此方案可行。

4結論

采用優化設計后的防爆柴油機冷卻系統，將其內、外循環系統設計成半獨立的雙循環系統，且外循環中串、并聯混合使用，獲得了較為理想的試驗效果。

參考文獻：

[1]石章能，王洪榮.小型柴油機冷卻系統優化設計[J].汽車工程學報，2015，5（05）：348-352.

[2]吳伋.船用柴油機燃燒室組件的流固耦合傳熱研究與活塞強度分析[D].大連海事大學，2014.

（作者單位：中石化西南石油工程有限公司臨盤鉆井分公司）