叉車發動機冷卻系統優化設計研究

劉俊紅

摘要：發動機是叉車的核心部件之一，對叉車工作效率、穩定性產生重大影響，發動機在工作過程中需要保持在合理的溫度范圍內，過高或者過低都會造成發動機工作不正常，冷卻系統的應用有效確保了叉車發動機的工作溫度，現有的叉車發動機散熱器采用串聯式組合結構，實際散熱效果不理想，為此，采用并聯方式，對發動機冷卻系統進行優化設計，保證發動機正常工作。

關鍵詞：叉車;發動機;冷卻系統

0? 引言

叉車發動機在工作過程中，內部工作環境不僅復雜，而且較為惡劣，需要承受較高的溫度，發動機冷卻系統的主要作用是確保發動機在任何工作環境下都能夠處于規定的溫度區間內，換言之，冷卻系統不僅要防止發動機溫度過高，同時也要避免發動機在低溫環境下溫度過低。當發動機溫度超過標準區間后，會造成充氣效率降低，內部燃燒不充分，并影響到發動機內部機構的配合間隙，容易引發機油變質，造成發動機內部非正常磨損，甚至還可能導致發動機拉缸;當發動機工作溫度低于正常工作溫度時，會造成發動機功率降低，耗油量提升，內部機油潤滑性降低，提高發動機內部運行阻力等，因此，當叉車在冷啟動后，冷卻系統還需要實現發動機的快速升溫，盡快達到正常工作溫度。正常來說，發動機冷卻系統分為了水冷以及風冷兩種，叉車發動機主要以水冷為主，正常工作時發動機水溫一般處于85℃至95℃區間內。當水冷發動機的水溫過高時，會影響到發動機性能發揮，為此提高發動機冷卻系統效能，保證發動機溫度處于正常區間非常重要。本文對叉車發動機冷卻系統進行改進，對散熱器結構進行優化設計，讓發動機能夠穩定處于正常溫度區間內。

1? 具體問題分析

為了在單位時間內進入更多的空氣，叉車發動機往往裝配有渦輪增壓裝置，在進行該類發動機冷卻系統設中，還應當要設置附加部件中冷器，保障發動機進氣溫度處于規定范圍內，當叉車發動機沒有設置中冷器，會導致外界的高溫空氣會直接進入到發動機中，造成發動機內部溫度過高，對發動機產生較大的損傷[1]。叉車冷卻系統也能夠和其它部件連接到一起，比如說變速箱油冷器等。通常情況下，為了盡可能的降低發動機冷卻系統占據的空間大小，將水冷散熱器、中冷器以及變速箱油冷器結合起來，也就是復合式結構設計[2]。當下，我國叉車企業眾多，選取某叉車企業生產的FD300A型叉車，該叉車安裝了帶有渦輪增壓的發動機，冷卻系統散熱器采用的就是復合式結構設計，如圖1所示。

圖1中顯示的復式結構設計為串聯形式，即將水冷散熱器以及中冷器放置在上方，并按照前后順序進行排列，變速箱油冷器設計在冷卻系統的最下部。盡管這樣的設計具有一定的科學性，并且能夠滿足正常的冷卻系統使用需求，然而一些叉車操作人員則表示這樣規劃的冷卻系統散熱效果不理想，很容易出現發動機溫度超差的問題，影響到叉車的實際使用體驗。為了解決這樣的問題，對裝配有這種冷卻系統的叉車進行實踐檢測，在叉車發動機啟動之后，冷卻風扇開展進行工作，但是并未在水箱中發現水蒸氣或者冷卻液，節溫器也處于正常工作狀態，冷卻液在不停的流動，保持循環往復運動。在通過多次的實驗驗證與分析之后，得出串聯式冷卻系統結構設計存在風阻過大的問題，很容易產生阻塞，導致發動機溫度超高標準上限值，與此同時這種冷卻系統結構是吹風樣式，風扇在工作過程中透風性不佳，也會導致發動機溫度過高[3]。

2? 叉車發動機冷卻系統優化設計

針對上文中叉車發動機散熱器工作中存在的問題，對其進行優化和改進，在實際設計過程中需要特別重視下面幾個方面[4]：第一，在符合實際安裝空間的前提下，盡可能的提高散熱器的有效散熱面積，從而改善散熱器的散熱效果;第二，選用新的水泵或者增加水泵的工作轉速，使得冷卻水的循環周期更短，獲得更快的冷卻水運行速度，然而這樣也會導致過多冷卻水消耗能量的問題產生;第三，增加風扇的旋轉速度或者提升風扇扇葉的有效面積，提高風扇的實際吹風量;第四，對散熱器結構進行改進和優化，改善散熱器芯部位置的通風性能。

上述四種情形中，增加單位時間內冷卻水的供應量以及散熱器的散熱量，現階段只是從理論層面得到證實，并且要確保供應的冷卻水流量具有一個科學合理的數值，當水流量過大時顯然也是不合理的。此外，增加散熱風扇的旋轉速度也不太切合實際，這是由于叉車發動機是安裝在尾部，與普通汽車發動機相反，是后置式，當風扇的轉速提高時，會產生較為嚴重的噪聲污染，為此，需要采用一種不增加散熱器風扇轉速，并能夠提高風扇散熱效果的方法。為了合理控制成本支出，對叉車現在使用的水泵以及風扇參數不作改變，可以考慮的優化方案有以下幾點[5]：第一，提高散熱器有效散熱面積;第二，使用速比數值低的風扇;第三，盡可能的使用散熱器的正面積;第四，優化散熱器結構布局，將三個冷卻裝置由串聯方式變化為并聯方式，一方面能夠降低芯子厚度，避免出現阻塞問題，另一方面也可以改善風阻，增加風扇的工作效率。

在進行叉車發動機冷卻系統優化設計過程中，應當要額外增加一個膨脹水箱，其主要功能是去除掉發動機以及冷卻水箱中摻雜的空氣，改善冷卻液的熱交換效果，進而強化冷卻系統的散熱水平。膨脹水箱要布置在水冷散熱器上方，距離大概為4-6厘米。膨脹水箱的有效膨脹空間應當不小于冷卻系統總容量的7%，可以承載的水冷也不能夠低于系統總水量的12%，當有暖風時則要達到19%;膨脹水箱最低儲水量不能夠少于55mm，避免空氣灌輸到注水管中。膨脹水箱上要設計一個液位鏡，便于觀察其中的水量[6]。

重新優化設計的叉車發動機冷卻系統是采用并聯結構的散熱器，水冷散熱器、中冷器以及變速箱油冷器是按照從上往下方式規劃的，如圖2所示為散熱器并聯結構示意圖。

3? 叉車發動機優化冷卻系統計算分析

3.1 關鍵設計參數

冷卻系統散熱量用Q表示，通常情況下，Q值大小需要通過發動機熱平衡實驗來獲得，然而在特殊情況下，也可以借鑒同種規格的發動機熱平衡實驗數值。在進行Q值計算過程中，主要受到冷卻液流量m、比熱容cp、首尾溫差dt的影響，其計算公式如下[7]：

3.2 散熱器結構優化設計

依照發動機冷卻系統系統散熱器的散熱量、外部尺寸等數據，可以得到散熱面積A、正面積以及散熱器關鍵尺寸。散熱器散熱面積A計算公式如下[8]：

緊接著依照整體設計要求，利用計算公式得到散熱器各個部位的關鍵尺寸，首先獲得散熱器芯部的長度L與寬度w尺寸，計算公式為：w=AR/L;緊接著計算芯部厚度δR，計算公式為：δR=A/（ARΦ），其中Φ表示為芯部的容積緊湊性系數，通常取值區間為480-950m2/m3[10]。

4? 結語

綜上所述，叉車是現代搬運機械中十分重要的一部分，在推動我國行業發展上發揮了關鍵性的作用。發動機是叉車正常運行的核心部件，能夠為叉車提供工作的動力，發動機運行環境惡劣、運轉要求較為苛刻，必須要確保發動機工作中始終處于合理的溫度區間內，防止發動機因為溫度過高或者高低出現問題，以往的發動機冷卻系統采用串聯方式連接，實際散熱效果不佳，極易引發發動機溫度超差的問題。為了避免這種故障的出現，對叉車發動機冷卻系統進行優化設計，將水冷散熱器、中冷器以及變速箱油冷器是按照從上往下方式并聯起來，能夠有效提升冷卻系統散熱效果，保證發動機持續穩定的運行。

參考文獻：

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