車聯網農機實際作業工況下柴油機冷卻液溫度分布大數據分析

吳連成，李慶磊，袁東閣，楊拴寶，孫立麟

（濰柴雷沃智慧農業科技股份有限公司，山東 濰坊 261200）

0 引言

柴油機工作時冷卻液的溫度應保持在中高溫度（80～90 °C），此溫度下有較高的充氣效率，潤滑油溫度較適宜，柴油機潤滑效果較好，柴油機能夠獲得較高的輸出功率和較低的燃油消耗[1-8]。當冷卻液溫度過低時，潤滑油溫度也較低，潤滑油黏度增大，零件摩擦機械損失增加，零件磨損增加[1-4]。冷卻液溫度過高會使潤滑油溫度高，機油油膜被破壞導致零件的摩擦和磨損增加[1-4]。另外，冷卻液溫度過高也會導致零件材料機械性能降低和產生較高的熱應力[1-6]。隨著柴油機耐磨、耐高溫材料的使用，柴油機冷卻液的最高許用溫度有逐步提高的趨勢。國內已有柴油機生產廠家將柴油機冷卻液的最高許用溫度提高至105～110 °C。

農業機械中的拖拉機、收獲機械作業環境比較惡劣，工作時周圍環境中漂浮較多作物碎屑、秸稈及塵土，實際作業時散熱系統進風網罩表面容易覆蓋作物碎屑、塵土等雜物，導致通過散熱系統的風量減少，繼而降低了散熱系統的冷卻性能。

為了確保散熱系統進風網罩部分面積被雜物覆蓋后，依然能滿足柴油機冷卻液散熱量的要求，農業機械在匹配散熱系統時需要留有較大的余量。文中所涉及的拖拉機均滿足45 °C 環境溫度下，滿負荷工作冷卻液溫度低于102 °C 的要求；玉米收獲機滿足40 °C 環境溫度下，部分散熱系統進風網罩被遮擋時，滿負荷工作冷卻液溫度低于102 °C 的要求；小麥收獲機和履帶式收獲機械滿足45 °C 環境溫度下，部分散熱系統進風網罩被遮擋時，滿負荷工作冷卻液溫度低于102 °C的要求。

1 研究對象

3 種型號拖拉機匹配的柴油機及其蠟式冷卻液節溫器參數如表1 所示，5 種型號履帶式收獲機匹配的柴油機及其蠟式冷卻液節溫器參數如表2 所示，4 種小麥收獲機匹配的柴油機及其冷卻液節溫器參數如表3 所示，6 種型號玉米收獲機匹配的柴油機及其蠟式冷卻液節溫器參數如表4 所示。

表1 拖拉機匹配的柴油機及其蠟式冷卻液節溫器參數Tab.1 Parameters of diesel engine and thermostat for tested tractors

表2 履帶式收獲機匹配的柴油機及其蠟式冷卻液節溫器參數Tab.2 Parameters of diesel engine and thermostat for tested crawler harvesters

表3 小麥收獲機匹配的柴油機及其蠟式冷卻液節溫器參數Tab.3 Parameters of diesel engine and thermostat for tested wheat harvesters

表4 玉米收獲機匹配的柴油機及其蠟式冷卻液節溫器參數Tab.4 Parameters of diesel engine and thermostat for tested corn harvesters

2 柴油機冷卻液溫度大數據分析及散熱系統評價

2.1 柴油機冷卻液狀態定義

依據柴油機運行時冷卻液溫度范圍，對柴油機冷卻液狀態進行劃分。定義柴油機暖機狀態對應的冷卻液溫度區間為（—40，70）°C；柴油機低溫運行狀態對應的冷卻液溫度區間為[70，80）°C；柴油機中溫運行狀態對應的冷卻液溫度區間為[80，102）°C；柴油機過熱狀態對應的冷卻液溫度區間為[102，130] °C，柴油機冷卻液溫度傳感器異常狀態對應的冷卻液溫度區間為≤—40 °C 或＞130 °C。為了保證柴油機安全可靠工作，并且保證功率輸出穩定、燃油消耗較低，需要盡量提高柴油機中高溫運行狀態的運行時間比例。

2.2 拖拉機匹配的柴油機冷卻液分布及散熱系統評價

國內拖拉機作業時間分布一般為每年3—12 月。在某些揚塵較多的作業工況下，散熱系統進風網罩容易被堵塞，對于沒有自動清理進風網罩功能的拖拉機，匹配的散熱系統須滿足45 °C 環境溫度下，滿負荷工作冷卻液溫度低于102 °C 的要求，以確保在惡劣環境下仍滿足冷卻液散熱需求。

3 種型號拖拉機在1 年的作業周期內柴油機冷卻液溫度分布情況如圖1 所示。2004 型拖拉機匹配的6J-200 型柴油機標定功率均為147 kW，1404 型拖拉機匹配的4A-140 型柴油機標定功率均為107 kW，2204 型拖拉機匹配的7H-220 型柴油機標定功率均為162 kW。圖1～圖4 中每個系列的堆積柱形圖由下往上依次為以下冷卻液溫度區間的運行時間占比：（—40，70）°C、[70，80）°C、[80，102）°C、[102，130] °C 及≤—40 °C或＞130 °C；對于某個冷卻液溫度區間，如果運行時間占比小于1%，則圖中不顯示其數據標簽。

圖1 拖拉機1 年作業周期內柴油機冷卻液溫度區間運行時間分布Fig.1 Diesel engine coolant temperature distribution of tested tractors

2004 型和1404 型拖拉機匹配的柴油機節溫器初開溫度均為70 °C，柴油機暖機狀態冷卻液溫度區間（—40，70）°C 的運行時間占比基本一致，為70.90%和69.67%；柴油機低溫運行狀態冷卻液溫度區間[70，80）°C 的運行時間占比也基本一致，為26.8%和28.75%；柴油機中溫運行狀態冷卻液溫度區間[80，102）°C 的運行時間占比小，為2.26%和1.55%。以上數據表明，2 種拖拉機匹配的散熱系統有較大余量，在1 年內70%以上的作業時間內將柴油機冷卻液溫度維持在節溫器初開的溫度水平上（即70 °C 左右）。但仍不能避免柴油機冷卻液過熱運行，冷卻液溫度區間[102，130] °C 最高的運行時間占比為0.045 7%。

2204 型拖拉機匹配的柴油機節溫器初開溫度為82 °C，在1 年的作業周期內柴油機暖機狀態的運行時間占比僅15.3%；柴油機低溫運行狀態運行時間占比6.24%；柴油機中溫運行狀態的運行時間占比78.45%，比較適宜；柴油機冷卻液過熱運行時間占比0.015 9%。以上數據表明，2204 型拖拉機柴油機節溫器初開溫度、匹配的散熱系統均較為合適。

在散熱系統散熱能力富余量大、進風網罩未被堵塞的正常工作條件下，節溫器初開溫度對于柴油機冷卻液運行狀態具有決定性的影響。為避免拖拉機的柴油機長時間運行在暖機狀態或者低溫狀態，應提高2004 型和1404 型拖拉機柴油機冷卻液節溫器的初開溫度，提高至80 °C 左右比較適宜。

2.3 履帶式收獲機匹配的柴油機冷卻液分布及散熱系統評價

國內履帶式收獲機作業時間分布一般為每年4—12 月，其中收獲冬小麥的時間基本在5—6 月，在此期間環境溫度較高，而且機械的散熱系統進風網罩容易被堵塞。對于沒有自動清理進風網罩功能的小麥收獲機械，匹配的散熱系統滿足45 °C 環境溫度下，部分散熱系統進風網罩被遮擋時，滿負荷工作冷卻液溫度低于102 °C 的要求，以確保在惡劣環境下仍滿足冷卻液散熱需求。

5 種履帶式收獲機在1 年作業周期內匹配的柴油機冷卻液溫度分布情況如圖2 所示。RG50 型履帶式收獲機匹配的2 種柴油機標定功率均為73.5 kW，RG55 型履帶式收獲機匹配的2 種柴油機標定功率均為81.0 kW，RG60 型履帶式收獲機匹配的柴油機標定功率為92.0 kW。

圖2 履帶式收獲機械1 年作業周期內匹配的柴油機冷卻液溫度區間運行時間分布Fig.2 Diesel engine coolant temperature distribution of tested crawler harvesters

RG50 型履帶式收獲機匹配的4DK-100 型柴油機，RG55 型履帶式收獲機匹配的4DK-110 型柴油機，RG60型履帶式收獲機匹配的4DK-125 型柴油機，冷卻液節溫器初開溫度均是70 °C，相應地柴油機暖機狀態運行時間占比分別為97.49%、98.89%和98.33%；RG50 型履帶式收獲機匹配的4C6-100 型柴油機，RG55 型履帶式收獲機匹配的4C6-110 型柴油機，冷卻液節溫器初開溫度均是72 °C，相應地柴油機暖機狀態運行時間占比分別降至97.05%和97.63%。排量相近、相同標定功率的柴油機冷卻液散熱量基本一致，相同型號的履帶式收獲機匹配散熱系統相同，由上述履帶式收獲機匹配柴油機冷卻液分布數據可知，將柴油機冷卻液節溫器開啟溫度由70 °C 提升至72 °C，可以將RG50 型履帶式收獲機匹配的柴油機暖機狀態運行時間所占比例降低0.44%，可以將RG55 型履帶式收獲機匹配的柴油機暖機狀態運行時間所占比例降低1.26%。

上述5 種履帶式收獲機械匹配的柴油機暖機狀態運行時間所占比例為97.05%～98.89%，柴油機低溫運行狀態冷卻液溫度區間[70，80）°C 運行時間所占比例僅為1.08%～2.74%，說明5 種履帶式收獲機匹配的散熱系統有較大余量，在1 年內97%以上的作業時間內將柴油機冷卻液溫度維持在節溫器初開的溫度水平上（即70 °C 左右），但仍不能避免柴油機冷卻液過熱運行，冷卻液溫度區間（102，130] °C 最高的運行時間占比為0.002 5%。

在散熱系統散熱能力富裕量大、進風網罩未被堵塞的正常工作條件下，節溫器初開溫度對于柴油機冷卻液運行狀態具有決定性的影響。為避免履帶式收獲機匹配的柴油機長時間運行在暖機狀態或者低溫狀態，在保持現在的散熱系統能力前提下應提高柴油機冷卻液節溫器的初開溫度，提高至80 °C 比較適宜。

2.4 小麥收獲機匹配的柴油機冷卻液分布及散熱系統評價

國內小麥收獲機作業時間分布一般為每年4—10 月，其中收獲冬小麥的時間基本在5—6 月，在此期間環境溫度較高，而且機械的散熱系統進風網罩容易被堵塞[9-10]。對于沒有自動清理進風網罩功能的小麥收獲機，匹配的散熱系統滿足45 °C 環境溫度下，部分散熱系統進風網罩被遮擋時，滿負荷工作冷卻液溫度低于102 °C 的要求，以確保在惡劣環境下仍滿足冷卻液散熱需求。

4 種小麥收獲機在1 年作業周期內匹配的柴油機冷卻液溫度分布情況如圖3 所示。GE-1 型、GE-2 型和GM 型小麥收獲機匹配的柴油機標定功率均為129 kW，GM 型小麥收獲機匹配的柴油機標定功率為162 kW。

圖3 小麥收獲機械1 年作業周期內匹配的柴油機冷卻液溫度區間運行時間分布Fig.3 Diesel engine coolant temperature distribution of tested wheat harvesters

4 種型號小麥收獲機匹配的柴油機冷卻液節溫器初開溫度均為70 °C。相應的柴油機暖機狀態冷卻液溫度區間（—40，70）°C 的運行時間占比基本一致，為97.5%～98.59%；柴油機低溫運行狀態冷卻液溫度區間[70，80）°C 的運行時間所占比例僅為1.26%～2.40%，說明此4 種型號小麥收獲機匹配的散熱系統有較大余量，在1 年內97%以上的作業時間內將柴油機冷卻液溫度維持在節溫器初開的溫度水平上（即70 °C 左右），但仍不能避免柴油機冷卻液過熱運行，冷卻液溫度區間（102，130] °C 最高的運行時間占比為0.07%。

在散熱系統散熱能力富裕量大、進風網罩未被堵塞的正常工作條件下，節溫器初開溫度對于柴油機冷卻液運行狀態具有決定性的影響。為避免小麥收獲機匹配的柴油機長時間運行在暖機狀態或者低溫狀態，在保持現在的散熱系統能力前提下應提高柴油機冷卻液節溫器的開啟溫度，提高至80 °C 比較適宜。

2.5 玉米收獲機匹配的柴油機冷卻液分布及散熱系統評價

國內玉米收獲機作業時間分布一般為每年8—10 月。玉米收獲機的散熱系統進風網罩也容易被堵塞。對于沒有自動清理進風網罩功能的玉米收獲機，匹配的散熱系統滿足40 °C 環境溫度下，部分散熱系統進風網罩被遮擋時，滿負荷工作冷卻液溫度低于102 °C 的要求，以確保在惡劣環境下仍滿足冷卻液散熱需求。

6 種玉米收獲機在1 年作業周期內匹配的柴油機冷卻液溫度分布情況如圖4 所示。CB 型和CC 型玉米收獲機匹配的柴油機標定功率均為140 kW，CD 型號玉米收獲機匹配的柴油機標定功率為129 kW。

圖4 玉米收獲機械1 年作業周期內匹配的柴油機冷卻液溫度區間運行時間分布Fig.4 Diesel engine coolant temperature distribution of tested corn harvesters

CB 型玉米收獲機匹配的6J-190 型柴油機、CC 型玉米收獲機匹配的4A-190 型柴油機及CD 型玉米收獲機匹配的4A-175 型柴油機冷卻液節溫器初開溫度均是70 °C，相應地柴油機暖機狀態運行時間占比分別為98.39%、98.44%和98.53%。CB 型玉米收獲機匹配的6D3-190 柴油機、CC 型玉米收獲機匹配的4D3-190 型柴油機及CD 型玉米收獲機匹配的4D3-175 型柴油機冷卻液節溫器初開溫度均是76 °C，相應地柴油機暖機狀態運行時間占比分別降至96.81%、96.76%和97.16%。排量相近、相同標定功率的柴油機冷卻液散熱量基本一致，相同型號的玉米收獲機匹配的散熱系統相同，由上述玉米收獲機匹配的柴油機冷卻液分布數據可知，將柴油機冷卻液節溫器開啟溫度由70 °C 提升至76 °C，可以將柴油機暖機狀態運行時間所占比例平均降低1.54%。

上述6 種玉米收獲機匹配的柴油機暖機狀態運行時間所占比例為96.76%～98.53%，柴油機低溫運行狀態冷卻液溫度區間[70，80）°C 運行時間所占比例僅為1.45%～3.18%，說明此6 種玉米收獲機匹配的散熱系統有較大余量，在1 年內96%以上的作業時間內將柴油機冷卻液溫度維持在節溫器初開的溫度水平上（即70 °C 左右），但仍不能避免柴油機冷卻液過熱運行，冷卻液溫度區間（102，130] °C 最高的運行時間占比為0.001 4%。

在散熱系統散熱能力富裕量大、進風網罩未被堵塞的正常工作條件下，節溫器初開溫度對于柴油機冷卻液運行狀態具有決定性的影響。為避免玉米收獲機匹配的柴油機長時間運行在暖機狀態或者低溫狀態，在保持現在的散熱系統能力前提下應提高柴油機冷卻液節溫器的初開溫度，提高至80 °C 比較適宜。

3 散熱系統優化措施

農業機械為滿足高溫、揚塵大的工作環境下柴油機的散熱需求，避免較多冷卻液高溫情況出現，其匹配的散熱系統余量均較大，應設置適宜的柴油機節溫器開啟溫度以使柴油機的冷卻液溫度在時間上盡量長地保持在適宜溫度。車聯網農業機械匹配的柴油機冷卻液溫度分布大數據表明，將節溫器開啟溫度設置在80 °C 左右，節溫器全開溫度設置在95 °C 左右比較合適。

設計根據柴油機冷卻液溫度控制轉速的風扇可以降低柴油機暖機過程的油耗，有利于保持較適宜的柴油機冷卻液溫度。

設計根據柴油機冷卻液溫度的可控反吹風扇，有利于保持較適宜的柴油機冷卻液溫度并且達到自動清理散熱系統進風網罩的效果，也利于減少散熱系統富裕量來降低成本。