農用車輛發動機總成布置與設計

鄭 龍 ，崔 勇 ，陳 強

（江蘇農牧科技職業學院，江蘇 泰州 225300）

眾所周知，農業作業場地道路狀況復雜，農用車輛需要適應各種路況和工作場景。發動機作為農用車輛的核心部件，其總成的布置安裝和設計需要考慮到農用車輛的使用環境和工作條件[1]。

1 農用車輛發動機總成的設計原則

設計農用車輛發動機總成應考慮以下幾個關鍵原則：1）安全性。發動機總成必須提供足夠的防護，以確保車輛操作人員和周圍環境安全，這包括防火、防爆和防塵等設計要求。2）可靠性。確保發動機總成足夠堅固，能夠經受農業環境的惡劣條件，如塵土、濕氣和振動。3）通風和散熱。發動機總成應具備良好的通風系統，以保持發動機在適宜的溫度范圍內運行；合理的散熱設計可以延長發動機壽命。4）維護便捷性。發動機總成設計應便于維護和維修，以減少停機時間和維護成本。5）噪聲控制。農機發動機通常產生噪聲，因此發動機總成設計應考慮噪聲控制措施，以減少噪聲對操作員和環境的影響。

2 發動機總成布置與設計

2.1 發動機艙的隔音裝置設計

發動機在運轉時會產生噪聲和振動，如果不加以控制，會降低駕駛員和乘客的舒適度，造成駕駛員疲勞。因此，發動機艙設計要考慮到發動機運轉過程中的隔音問題。

主流的布置方法是采用發動機艙隔音隔熱板，隔音隔熱板采用多層結構，中間為厚玻璃棉，玻璃棉兩端為樹脂板[2-3]。隔音隔熱板的駕駛區側采用薄鋼板，發動機側采用多孔板，孔的面積總和應不小于總面積的25%。隔音隔熱板具體結構如圖1所示。

圖1 發動機艙隔音隔熱板剖面圖

車輛發動機艙布置還要兼顧安全性。發動機是汽車的動力源，其運轉過程中會產生高溫和高壓，如果發動機艙不具備足夠的安全措施，可能會引發火災或其他意外事故。因此，發動機艙應該采用耐高溫材料，并且配備火災報警和滅火系統，以確保車輛在發動機故障或事故發生時能夠及時采取相應的安全措施。

2.2 冷卻系統的布置設計

正確設計發動機冷卻系統是確保發動機正常運行的關鍵因素之一。良好的冷卻系統可以有效地控制發動機的溫度，防止過熱和損壞。發動機冷卻系統包含發動機本體的水道、水泵、節溫器等部件和發動機外部的散熱器、膨脹水箱、管道等部件，因農用車輛的發動機總成通常是外購成熟的機型，本文只探討發動機外部的冷卻系統部件布置設計[4-6]。

在冷卻系統布置設計過程中，需要考慮多個因素，包括發動機的類型、尺寸，發動機艙的空間結構以及車輛的使用環境和工作條件等。

2.2.1膨脹水箱的布置設計

膨脹水箱又稱副水箱，是農用車輛發動機冷卻系統中的一個重要部件，它主要承擔著調節發動機冷卻液體積變化的作用，維持冷卻系統的壓力穩定。

1）膨脹水箱的高度確定。膨脹水箱的位置可以根據車身的情況進行變動，膨脹水箱與散熱器和發動機水道通過冷卻水管連接，冷卻水管一般為軟管。

需要確保膨脹水箱底面高度高于散熱器上水室的上平面和發動機的出水口平面，如圖2 所示。其中，A 為散熱器上水室的上平面，B 為發動機的出水口平面。因此，在膨脹水箱的位置確定上，要充分考慮發動機和散熱器的高度，結合發動機艙的空間和后期維修保養人員添加冷卻液的便利性，進行綜合考慮和合理布置。

圖2 膨脹水箱布置

2）膨脹水箱的尺寸設計。膨脹水箱的尺寸確定主要考慮兩點：一是膨脹水箱的整體尺寸，體現為膨脹水箱的容量；二是膨脹空間，因發動機冷卻液受熱會膨脹，體積增大，需要設置一個空間來容納這部分膨脹的冷卻液體。膨脹水箱的整體尺寸需根據發動機艙空間和位置來設計，膨脹水箱的膨脹空間則需根據冷卻液的整體容量來考慮，具體如下：膨脹水箱容量為全部冷卻液容量的15%以上，膨脹空間容量為全部冷卻液容量的5%以上。

其中，全部冷卻液容量為發動機中、水箱中和管路中冷卻液的總和。

2.2.2 散熱器通風道的設計

散熱器通風道用于引導空氣流動，通過空氣對流來給發動機散熱器降溫，以達到散熱效果。當汽車行駛時，氣流從車頭流入，經過散熱器格柵帶走熱量，然后從車尾排出。散熱器通風道的進風窗口在車身前圍，其有效總面積應大于水箱芯的正投影面積。進風窗口應覆以鐵絲網格或格柵，以防止雜物被吸進。對于格柵式窗口，其格柵葉片可以向后，如圖3所示。出風窗口在車身的后圍，其有效面積應與進風窗口相似。

圖3 格柵式進風窗示意圖

通風道側板和底板使進風得以導流，保證氣流平穩地進入。通風道由內側板、頂部隔板、底部隔板構成，冷卻系統通風道及隔板如圖4 所示。內側板應設計成可卸式結構，當維修發動機時可將它移開。同時，為方便觀察發動機，隔板上還需有一個觀察孔。通風道下方的隔板應防止發動機附近的熱氣竄入通風道。

圖4 冷卻系統通風道及隔板

在排氣消聲器與水箱位于同一側的情況下，消聲器上方應設置隔熱板以阻止其熱量進入發動機艙。為防止發動機和水箱后的熱氣回流到進風道，應在水箱周圍裝上泡沫或橡膠密封圈。

2.3 進氣系統設計

車輛進氣系統對于車輛的性能和燃油燃燒效率有著直接的影響。良好的進氣系統可以提供更多的空氣流量，從而增加發動機的功率和扭矩輸出。此外，它還可以提升燃油的燃燒效率，從而提高燃油經濟性。發動機進氣系統的外部部件包括進氣導管、進氣管、過渡進氣室、空氣濾清器、固定夾箍等。

為使發動機能吸入清潔的空氣，車輛進氣口應設計在車身的頂部或上部，離地高度在1 600 mm以上，進氣系統管路安裝如圖5所示。

圖5 進氣系統管路安裝圖

為避免進氣口的水直接進入空氣濾清器，應設計一個過渡的進氣室，位于上部進氣導管和空氣濾清器之間，位置如圖5 所示。空氣濾清器應安裝在車架上方，以免汽車涉水時，水從排泄閥進入空氣濾清器。

進氣管直徑不小于130 mm，以降低進氣噪聲，避免共振。進氣管不要有急轉彎，同時用吸聲材料包裹。進氣導管與各連接件連接處用夾箍夾緊，使灰塵和水不能進入。夾箍要用平板式夾箍，不要使用鋼絲夾箍，夾箍在固定時位置要正，不能夾在硬管的卷邊上。為確保軟管與硬管連接可靠，硬管應使用帶卷邊的管，同時軟管的插入量要在50 mm 以上。所有導管及過渡進氣室必須牢固地固定在車身上。

農機發動機目前多為渦輪增壓發動機，中冷器是常規部件，當中冷器與水箱安裝在一起時，應用密封橡膠堵塞中冷器與水箱之間的縫隙，以防止熱空氣從發動機艙進入，防止吸入灰塵使中冷器和水箱的散熱葉片變臟[7-8]。

2.4 排氣系統設計

農用車輛排氣系統包含排氣管、消聲器、排氣波紋管等部件。因發動機的排氣溫度較高，橡膠材質的軟管無法抵抗高溫，與進氣系統不同，排氣系統中的管路均采用金屬材質。在車輛運行過程中，發動機的振動、擺動、前后竄動會使排氣管受到相當大的力，金屬材質的管路彈性變形小，排氣管和消聲器容易損壞[9]。因此，發動機排氣口與排氣管的連接，均設置金屬撓性管，即排氣波紋管。排氣系統布置設計需遵守以下要求：1）排氣管和消聲器周圍溫度很高，距離排氣管和消聲器邊緣0～300 mm 位置，其溫度梯度可達100 ℃～220 ℃。因此，排氣管和消聲器的周圍200 mm 內盡可能少裝總成件，尤其是溫度對其性能影響較大的總成，如橡膠件、電器、液壓、氣壓等方面的總成。2）在裝配緊固排氣系統前，先預裝整個排氣系統，然后再擰緊全部螺栓。排氣管支架有軟墊與車架連接，軟墊壓縮2 mm～3 mm 后再用開口銷固定，排氣管道安裝要求如圖6 所示。3）因排氣管和消聲器皆采用金屬材質，幾乎無變形量。考慮后期的維護維修，排氣管和消聲器的固定位置應留有足夠的拆卸、安裝空間。4）對于排氣系統與水箱位于同一側的底盤，則應在排氣管和消聲器上方裝隔熱板。

圖6 排氣管道安裝要求

3 農用車輛發動機總成未來的設計方向

農用車輛發動機總成未來的設計方向將受到技術創新、環保法規和農業發展趨勢的影響。具體內容如下：1）智能化和自動化。未來智能化和自動化技術將更多地融入農機發動機布置設計中。這包括自動化控制系統、遠程監控和自主駕駛功能，以提高農機的效率和生產力[10]。2）綠色和可維護性。未來的設計將注重綠色制造和可維護性，以降低廢物產生量，并延長發動機壽命。更嚴格的排放法規將推動農機發動機布置設計朝著更清潔的方向發展，包括更高效的排氣處理技術和燃燒控制策略。3）輕量化設計。輕量化材料和結構設計將在未來的農機發動機總成中發揮更大作用，以降低重量、提高燃油經濟性和減少環境影響。4）北斗衛星導航系統（BDS）和精準農業。發動機布置設計將更多地支持BDS 和精準農業技術，以幫助農民更有效地管理土地和作物。5）電動化和混合動力。隨著電動汽車技術的快速發展，農機領域也將趨向于動力系統電動化或混合化。電動發動機可以提供高扭矩和低排放，有望減少農機對環境的影響。未來的農機發動機總成設計將需要綜合考慮這些因素，以滿足不斷變化的技術、環保和市場需求。創新、合作和可持續性將成為未來農機發動機設計的關鍵方向。

4 結語

農用車輛發動機總成設計安裝復雜而關鍵。通過遵循設計原則、采用優化方法和了解其對性能的影響，深入探討新技術在發動機總成設計與布置中的應用，才能夠確保農用車輛發動機總成的性能、可靠性和使用壽命。加強對農用車輛發動機總成設計的研究和實踐，才能滿足農業對農業機械的需求，提升農機裝備水平，推動農業現代化發展。