挖掘機電子冷卻系統(tǒng)的熱管理及其應用

2020-09-10 17:53:52鐘志興

內燃機與配件 2020年3期

鐘志興

摘要：本文主要探討目前常用的挖掘機冷卻系統(tǒng)因為風扇直接驅動，各個散熱器的熱交換介質不是工作在最佳溫度，造成柴油機能量的浪費。因此提出應用多組電子風扇，分別應用各個散熱器，每組電子風扇根據(jù)其散熱器的熱交換介質溫度單獨控制。經過試驗機驗證，其相同工況，省油效率達到4%～7%。

關鍵詞：柴油機;冷卻系統(tǒng);電子風扇;燃油消耗率

0 ?引言

挖掘機冷卻系統(tǒng)是通過散熱器，風扇及相關管路等部件，將散熱器中流動的高溫工作介質如液壓油，冷卻液，發(fā)動機進氣等與外界的冷空氣進行熱交換，使相關工作介質保持在一定溫度，保證挖掘機正常使用。目前挖掘機常用的冷卻系統(tǒng)結構。由中冷器，水散熱器、液壓油散熱器組成一個散熱器組。在散熱器組與發(fā)動機之間，設計有風扇。根據(jù)不同的設計，各散熱器芯體組成一個或多個散熱器組。每個散熱器組對應一個風扇。

1 ?現(xiàn)有問題

挖掘機如要保證相關部件正常工作，就要將冷卻液溫度、液壓油溫及發(fā)動機進氣溫度進行控制，使其在正常工作范圍內運行，不能過高或過低。但由于風扇是固定在發(fā)動機的上，由發(fā)動機直接驅動，其轉速與發(fā)動機工作轉速為線性關系，而與冷卻系統(tǒng)工作溫度無關。冷卻系統(tǒng)在匹配設計時，是按最惡劣的條件下進行設計，比如要滿足45℃環(huán)境溫度可正常使用。而這個極端高溫的環(huán)境是極少出現(xiàn)的，而在普通工作環(huán)境下，風扇一直在高速運行，冷卻系統(tǒng)并不能在最佳工作溫度下運行，同時也浪費了發(fā)動機的能量。

也有相當數(shù)量的挖掘機冷卻系統(tǒng)設計有離合器風扇或單獨的液壓馬達驅動的風扇。這樣可以通過監(jiān)測各個散熱器的實際工作溫度來控制風扇的轉速快慢。但因為這是多個散熱器芯體對應一個風扇，其控制邏輯是“或”的關系。每個散熱器芯體對應一個風扇轉速值，最終取其最大值做為風扇的實際工作轉速。因此并不是每個散熱器都工作在最佳溫度下。

近年來，電子風扇開始在挖掘機冷卻系統(tǒng)中得到應用，可設計每個散熱器芯體對應一個或多個電子風扇，這樣通過控制每一個散熱器芯體風扇的轉速，使冷卻系統(tǒng)中每個散熱器芯體的工作溫度運行在最佳狀態(tài)成為了可能。因為挖掘機是屬于生產工具，因此最佳溫度的選擇必須要從整機效率最大，油耗最低這一點上考慮。而本文主要就是分別討論每個散熱器芯體的最佳工作溫度，使整機燃油消耗達到最優(yōu)。

2 ?熱交換介質溫度與油耗關系

2.1 冷卻液溫度

在柴油燃燒產生的化學能量中，除了用于對外做功，高溫尾氣排出，機體熱輻射之外，有相當一部分被冷卻液帶走了。占比大約在20-25%左右，具體根據(jù)柴油機的設計，燃燒性能，及使用工況有關。因此減小冷卻液帶走的能量，使更多的能量用在做功上，可以提高柴油機的燃油經濟性。

柴油機工作時，氣缸內的熱量是通過缸壁傳遞到冷卻液的。對于具體的柴油機來說，其散熱面積是固定的，而在具體的工況中，其傳熱系數(shù)可以認為是固定的，因此冷卻液吸收的熱量與燃氣與冷卻液溫度差成正比。在燃氣溫度不變的情況下，可通過提高冷卻液溫度來減小溫差。被冷卻液吸收的熱量減小，則有更多的能量用于做功，提高化學能轉換為機械能的效率。但冷卻液溫度持續(xù)再升高時，從冷卻液帶走的熱量減少，缸內的溫度持續(xù)增加，造成空氣密度降低而使空燃比惡化，燃油消耗率開始上升。

隨著冷卻液的溫度提升，柴油機機油的溫度也會升高。而機油粘度與溫度是強相關的，機油粘度降低，減少了機油內部的摩擦損失。但如溫度過高，粘度過低，其承載能力不足，無法形成油膜，摩擦損失反而會升高。

根據(jù)相關研究，柴油機在不同轉速，不同冷卻液溫度下，不同負載的燃油消耗率的變化曲線有很大差異。隨著冷卻液溫度的升高，燃油消耗率不斷下降。當冷卻液溫度達到一定的值時，燃油消耗率達到最小值。冷卻液溫度持續(xù)增加時，燃油消耗率反而會增加。燃油消耗率最小值對應的冷卻液溫度，是與柴油機工作轉速及負載率相關的。從相關數(shù)據(jù)可看出，工作轉速越高，負載率越大，則對應的冷卻液溫度就越低，基本在85-95℃之間變化。在柴油機正常允許的冷卻液工作的70-100℃范圍內，其燃油消耗耗率差異在1.5%-4.7%左右。從燃油消耗率角度來考慮，推薦發(fā)動機工作在低轉速時，冷卻液的工作溫度控制在90-95℃，負載越高，溫度越低。發(fā)動機工作在高轉速時，冷卻液的工作溫度控制在85℃左右。

2.2 柴油機進氣溫度

為了提高柴油機的升功率，現(xiàn)在中大型柴油機基本都是帶有渦輪增壓器，利用增壓器的壓縮功能，可以把進入柴油機的空氣密度加大。但在經過增壓器壓縮后的壓縮空氣，氣溫也隨著升高。進氣柴油機的空氣溫度升高到一定程度后，柴油機的燃油消耗率、輸出功率及尾氣排放都會隨之惡化。

有相關試驗對六缸柴油機進行過研究，對六缸柴油機的2200r/min與1500r/min兩個轉速下不同負載率下進行了進氣溫度對燃油消耗率的影響試驗。結果顯示：不管在哪個轉速下與多大的負責率下，燃油消耗率都會隨著進氣溫度的升高而升高，換而言之就是進氣溫度要越低越好。增壓后的氣溫一般有100-200℃，而中冷器的冷卻能力有限，尺寸要求非常大或增加風扇的功率才能把溫度降得很低。而進氣溫度對燃油消耗率的影響隨著根據(jù)轉速不同，負載不同，變化在0.5%到3%左右。所以最終發(fā)動機進氣溫度需結合燃油經濟性與中冷器尺寸、成本及風扇的消耗功率綜合考慮，在可接受的范圍內，使用發(fā)動機進氣溫度低些。

2.3 液壓油溫度

液壓挖掘機的壓力油由液壓主泵提供，而目前的挖掘機主泵基本都是軸向柱塞泵，屬于容積泵一類。機械效率與容積效率是容積泵的兩個重要性能參數(shù)，但機械效率與容積效率轉速、壓力、溫度等諸多因數(shù)有關，本文所討論的是整機工作的經濟性與散熱系統(tǒng)溫度的關系，不管是任何設備其效率越高能量損失的比率就越小，也就是經濟性越好。所以，本文只就溫度對機械效率與容積效率的影響進行探討分析。

當液壓油的溫度升高時，其粘度也會隨之降低，液壓泵的內泄漏也會增加，因此液壓泵容積效率也會降低。但液壓油粘度降低，液壓油內部的摩擦阻力變小，液壓泵的機械效率是隨之增加的。

機械效率會隨著溫度的升高而升高，可是容積效率卻是相反，容積效率是隨著溫度的升高而降低。所以最佳的液壓油溫度位于機械效率與容積效率曲線的交匯處，65℃左右。在這個溫度下，泵的效率為最高值，柴油機經濟性也就是最佳。

3 ?實施方案

基于以上分析，在一臺現(xiàn)有13T的挖掘機進行了改裝，使用電子風扇代替原來的發(fā)動機直驅風扇。中冷器及冷卻液散熱器對應一組電子風扇，液壓油散熱器單獨對應一組電子風扇，為了防止兩組風扇間氣流的相互干擾，在導風罩內增加了一個隔板。

分別對原機狀態(tài)及改進狀態(tài)的油耗進行的測試，數(shù)據(jù)見表1。可看出，改進后的整機油耗有明顯的改善。

4 ?結論

通過本文的探討，為了提高挖掘機燃油經濟性，對于挖掘機散熱系統(tǒng)的各散熱器的工作溫度得出了明確的數(shù)值。

其一：發(fā)動機工作在低轉速時，冷卻液的工作溫度控制在90-95℃，負載越高，溫度越低。發(fā)動機工作在高轉速時，冷卻液的工作溫度控制在85℃左右。

其二：液壓油溫應該控制在65℃左右。

其三：發(fā)動機進氣溫度要結合中冷器尺寸，在可接受范圍內，盡可能的低。

參考文獻：

[1]付永領，等.軸向柱塞式電液泵能量轉化效率研究[J].機械工程學報，2014，50（14）：204-211.