摘要：四沖程柴油機廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械工作，但冷卻系統(tǒng)設(shè)計的缺陷、工作條件的惡劣等因素會影響柴油機的經(jīng)濟(jì)性能。對柴油機的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，采用電控蠟式調(diào)溫器代替普通蠟式調(diào)溫器、采用電控硅油離合器的軸流式風(fēng)機代替直接驅(qū)動風(fēng)機、采用冷卻腔分流式冷卻設(shè)計、采用納米流體等措施，能夠有效地提高柴油機的經(jīng)濟(jì)性能。

關(guān)鍵詞：柴油機；冷卻系統(tǒng)；溫度；經(jīng)濟(jì)性能

中圖分類號：U464.172 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）04-0929-04

Influence of Cooling System on Economic Performance of Agricultural Diesel Engine and Improvement Measures

LI Zhen-jie1，LIN Shao-min2

（1. Shantou Polytechnic College，Shantou 515078， Guangdong， China；

2. Research Institute of Environmental Chemistry and Technology，Hanshan Normal University，Chaozhou 521041，Guangdong， China）

Abstract： Four stroke diesel engine is widely used in agricultural machinery， but the design defect of cooling system and bad working conditions might affect the economic performance of diesel engine. The technological improvement of diesel engine cooling system was carried out by measures of using the electric wax type thermostat instead of normal wax type thermostat， the axial fans with electronic silicone oil clutch instead of direct drive fan， the shunt type cooling design in cooling cavity， and adopting the nanometer fluid， which can effectively improve the economic performance of the diesel engine.

Key words： diesel engine； cooling system； temperature； economic performance

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，四沖程柴油機因其動力大、適用范圍廣、可靠性好、使用方便等優(yōu)點被廣泛用于農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域，如拖拉機、柴油發(fā)電機組等。農(nóng)業(yè)機械的持續(xù)工作時間長是其工作特點之一，如農(nóng)用灌溉柴油機經(jīng)常會持續(xù)工作300～400 h，因此必須保證其工作可靠性，提高發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟(jì)性[1]。冷卻系統(tǒng)作為柴油機的重要組成部分，其作用效果不僅影響柴油機工作的可靠性，更直接影響其經(jīng)濟(jì)性能。

四沖程柴油機通過空氣與燃料在氣缸內(nèi)部的混合、燃燒，把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽苿忧B桿機構(gòu)運動，向外輸出扭矩，并把廢氣排入大氣中。在此過程中，有相當(dāng)一部分熱量通過氣缸壁傳給冷卻水系統(tǒng)，由冷卻水循環(huán)向周圍的環(huán)境散熱。常見的柴油機冷卻系統(tǒng)由冷卻水泵、發(fā)動機冷卻腔、調(diào)溫器、散熱水箱、冷卻風(fēng)扇等組成。當(dāng)冷卻效果良好，柴油機能夠運行在最佳工作溫度時，發(fā)動機氣缸內(nèi)吸進(jìn)的新鮮空氣量充足，噴入氣缸的燃油能與渦動的空氣充分混合并完全燃燒，輸出最高動力；各部件受熱均勻，變形小；各相對運動部件間的間隙符合設(shè)計要求、潤滑油的潤滑性能得到充分的發(fā)揮，潤滑油不易變質(zhì)，相對運動部件的磨損降低；排出的廢氣中對大氣環(huán)境污染的成分減少。

衡量現(xiàn)代柴油機運行的經(jīng)濟(jì)性能，除了指示耗油率、有效耗油率、指示效率、有效效率等經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，還必須考慮在運行過程中各相對運行部件的過度磨損導(dǎo)致的零件損壞的損失，惡劣的工作環(huán)境導(dǎo)致潤滑油提前變質(zhì)而縮短使用周期的損失，發(fā)動機在工作過程中因不完全燃燒生成的HC、NOx、SO2、C等污染物造成對機件的腐蝕破壞，排放廢氣造成的環(huán)境污染等。無論是經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，還是發(fā)動機在運行過程中引發(fā)的各種損失，都直接與發(fā)動機的冷卻效果有關(guān)。發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)水溫過低，容易增加廢氣排放、加劇零部件磨損、減小功率輸出，縮短發(fā)動機的使用壽命及增加使用費用；水溫過高同樣會引起發(fā)動機新的磨損[2]。張鐵柱等[3]對水冷式柴油機最佳冷卻液工作溫度的試驗結(jié)果表明，WD615.67柴油機全工況最佳冷卻液工作溫度為86.3 ℃。有研究表明，當(dāng)冷卻水溫度從80 ℃降到30 ℃時，零件的磨損速度會增加1～2倍[4]。

1 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)對經(jīng)濟(jì)性能的影響

在正常運行狀態(tài)下，冷卻水溫度維持在80～90 ℃，發(fā)動機的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較高。由于農(nóng)用柴油機的工作受環(huán)境影響比較大，工作條件比較惡劣，對冷卻水的循環(huán)路徑及冷卻強度的調(diào)節(jié)一般使用機械的調(diào)節(jié)方法，無法及時地根據(jù)發(fā)動機的熱負(fù)荷調(diào)整發(fā)動機冷卻效果，造成發(fā)動機的運行功率不能充分發(fā)揮、額外損失增大；另外，使用者的使用管理不當(dāng)，使冷卻系統(tǒng)無法真正發(fā)揮其功能，進(jìn)一步惡化發(fā)動機工作條件，增加柴油機的額外損失，甚至影響到發(fā)動機工作的可靠性。冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機的影響主要表現(xiàn)在以下三個方面。

1.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計的缺陷，影響柴油機的經(jīng)濟(jì)性能

采用傳統(tǒng)的石蠟型節(jié)溫器改變發(fā)動機的冷卻水流動途徑，對柴油機冷卻效果有一定的調(diào)節(jié)作用，可以實現(xiàn)發(fā)動機在冷卻水溫<76 ℃時，進(jìn)行小循環(huán)運行；水溫為76 ℃≤T≤86 ℃時，實現(xiàn)大小循環(huán)同時運行；水溫>86 ℃時，進(jìn)行大循環(huán)運行。但是這種調(diào)節(jié)方式不能及時反映柴油機負(fù)荷的變化對冷卻的要求，容易導(dǎo)致冷卻需求偏離設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，如在低溫條件下，滯后反應(yīng)使柴油機的散熱過多，潤滑效果變差，磨損加??；影響油氣混合物的形成，燃燒過程產(chǎn)生的不完全燃燒產(chǎn)物又加劇磨損，污染環(huán)境。

采用直接驅(qū)動軸流式風(fēng)機也無法使冷卻效果達(dá)到最佳的要求。由柴油機曲軸前端的皮帶輪帶動軸流式風(fēng)機運轉(zhuǎn)，風(fēng)機的轉(zhuǎn)速隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化，發(fā)動機轉(zhuǎn)速高，軸流式風(fēng)機的轉(zhuǎn)速高，增加散熱器的冷卻效果。但在環(huán)境溫度低的條件下，散熱器本身具有足夠的散熱能力，軸流式風(fēng)機的高速運轉(zhuǎn)，進(jìn)一步加強了散熱器的冷卻效果，使冷卻水溫度更低，帶走了更多的熱量。一方面因曲軸皮帶輪通過皮帶直接驅(qū)動風(fēng)機運轉(zhuǎn)消耗部分發(fā)動機的輸出扭矩；另一方面因發(fā)動機的熱損失加大，影響發(fā)動機的有效功率；另外，因燃燒產(chǎn)生的酸性氧化物在低溫下與進(jìn)入氣缸的空氣中水分結(jié)合生成無機酸，會腐蝕氣缸。

柴油機采用的濕式缸套懸掛在氣缸體上，受發(fā)動機運轉(zhuǎn)時活塞往復(fù)運動產(chǎn)生的側(cè)向力影響，懸掛的氣缸產(chǎn)生高頻的振動；發(fā)動機的冷卻腔設(shè)計、制造不當(dāng)，容易使冷卻腔內(nèi)水流動的過程產(chǎn)生渦流現(xiàn)象；兩者共同作用的結(jié)果易在冷卻腔中形成低壓區(qū)和高壓區(qū)。因此在冷卻腔中的低壓區(qū)容易產(chǎn)生氣泡，高壓區(qū)的氣泡被壓破產(chǎn)生極高的流速沖刷氣缸套。張升明[5]研究有關(guān)柴油機缸套穴蝕后認(rèn)為，在某種情況下，壓力可達(dá)678 MPa，以超音速的速度沖向氣缸套外側(cè)。長期受極大沖擊力的作用，氣缸套的局部表面因疲勞剝落，容易形成穴蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重時會引起氣缸套的穿孔而失效。

1.2 工作條件惡劣，影響柴油機的經(jīng)濟(jì)性能

農(nóng)用柴油機大多工作在田間、鄉(xiāng)村道路等，空氣中的灰塵多，尤其是拖動插秧機、收割機的柴油機，冷卻水箱外側(cè)、軸流式風(fēng)機的風(fēng)葉上容易附著泥土。風(fēng)葉上的泥土不僅會造成受重不平衡增加額外負(fù)荷，還會影響到吹出風(fēng)的流動質(zhì)量，影響散熱效果；散熱器上的泥土?xí)档蜔峤粨Q的效果，使發(fā)動機的氣缸等機件因積聚過多的熱量，導(dǎo)致溫度過高。而溫度過高會導(dǎo)致機件熱變形，改變原有相對運動機件的配合間隙；潤滑油受高溫的影響容易變質(zhì)，縮短使用壽命；潤滑油黏度變低，潤滑效果變差，導(dǎo)致摩擦力增大，磨損加劇；吸進(jìn)氣缸內(nèi)的空氣受溫度的影響，密度減小，進(jìn)氣量少，進(jìn)一步惡化燃燒過程，產(chǎn)生的殘?zhí)紩黾幽p，產(chǎn)生超標(biāo)的HC、CO、NOx、SO2等廢氣從而污染環(huán)境。

1.3 管理使用不當(dāng)，影響柴油機的經(jīng)濟(jì)性能

農(nóng)用機械的使用對象大部分是農(nóng)民，由于受文化水平的限制，對柴油機的運行特性缺乏認(rèn)識，往往只滿足于發(fā)動機能運行即可，而對于發(fā)動機的工作性能、經(jīng)濟(jì)性能、排污影響等要求卻沒有足夠的重視。曾有柴油機的管理者因冷卻水溫度低而將發(fā)動機的節(jié)溫器拆下來，最終導(dǎo)致發(fā)動機拉缸、活塞燒熔，因管理者使用不當(dāng)引起的事故時有發(fā)生（圖1）[6]。而將農(nóng)田里的泥水直接添加到發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)中更是普遍現(xiàn)象，由于泥水中含有大量的Ca2+、Mg2+等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)不僅在高溫下能形成堅硬的水垢附著在冷卻水流通管路內(nèi)壁，減少流通面積，而且水垢的傳熱系數(shù)只有金屬的1/30～1/15，嚴(yán)重阻礙了內(nèi)部冷卻水與外部空氣間的熱交換，使熱量無法及時散發(fā)到大氣中而導(dǎo)致溫度上升，影響活塞與氣缸內(nèi)壁潤滑油膜的形成，破壞了原來活塞與氣缸間的密封性，增加磨損。另外，由于泥水中含有O2、Cl-等，容易與氣缸套中的Fe產(chǎn)生極化反應(yīng)和電化學(xué)腐蝕，形成穴蝕，導(dǎo)致氣缸套的失效。

2 改進(jìn)冷卻系統(tǒng)、提高柴油機經(jīng)濟(jì)性能的措施

提高柴油機的經(jīng)濟(jì)性能，不僅要提高發(fā)動機的有用功率，減少發(fā)動機的有效耗油率，還要減少發(fā)動機在各種負(fù)荷情況下的額外損失，減少對環(huán)境的污染。通過采用新型的冷卻技術(shù)，對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，改善冷卻系統(tǒng)的冷卻性能，有利于提高能源的利用率，減少污染物的排出，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.1 冷卻系統(tǒng)調(diào)溫器的改進(jìn)

2.1.1 采用電控調(diào)溫器代替原有的調(diào)溫器 通過對發(fā)動機冷卻水溫度等實施實時監(jiān)測，將水溫等信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柦?jīng)發(fā)動機ECU處理后，控制電控調(diào)溫器電磁線圈的供電情況，及時、準(zhǔn)確地獲得與發(fā)動機冷卻水溫度要求相匹配的閥門開度，控制冷卻系統(tǒng)的水流循環(huán)途徑；適時起動、關(guān)閉電動風(fēng)機及改變風(fēng)機轉(zhuǎn)速，改善冷卻強度，使發(fā)動機獲得良好的燃燒性能，提高能源的利用率。周天翼等[7]模糊控制系統(tǒng)的實機試驗結(jié)果表明，設(shè)定控制溫度為90 ℃，環(huán)境溫度為15 ℃時，冷卻水溫可控制為（90±4） ℃，獲得良好的控制精度。高鏡惠等[8]、鄧飛等[9]對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模糊控制研究后認(rèn)為：冷卻系統(tǒng)智能控制裝置實現(xiàn)了散熱能力控制的智能化，可以精確自動地調(diào)節(jié)冷卻液的溫度，把發(fā)動機的工作溫度限制在最佳階段，延長了使用壽命，提高了工作效率，減少了故障率。該控制系統(tǒng)可根據(jù)車輛的行駛速度、發(fā)動機的冷卻水溫來綜合控制冷卻系統(tǒng)，從而達(dá)到減少電耗、減少油耗的效果。具有性能穩(wěn)定、工作可靠、節(jié)能潛力大等優(yōu)點。

2.1.2 采用電控蠟式調(diào)溫器代替普通蠟式調(diào)溫器 改變普通蠟式調(diào)溫器的溫度-升程曲線固定不變的狀況，以獲得能根據(jù)發(fā)動機負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等因素靈活控制的溫度-升程曲線。通過在普通蠟式調(diào)溫器的感應(yīng)體中嵌入電控加溫元件，采用發(fā)動機ECU對冷卻水溫等參數(shù)檢測、處理后，按原先設(shè)置在發(fā)動機ECU內(nèi)的溫控MAP圖，輸出信號控制電控加溫器的端電壓，使石蠟融化的過程不再是以發(fā)動機的冷卻水溫為主導(dǎo)，大大提高調(diào)溫閥門的動作靈敏度。如德國貝洱公司研發(fā)的電控蠟式調(diào)溫器[10]，可以根據(jù)發(fā)動機負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、水溫高低要求，由發(fā)動機ECU自動實現(xiàn)對加溫器兩端電壓的控制，使其在0、4、9、12 V的范圍內(nèi)變化，電控蠟式調(diào)溫器的反應(yīng)時間由普通蠟式調(diào)溫器的4.38 s減小到1.16 s，從而提前達(dá)到最佳工況，減少損失。

2.2 采用電控硅油離合器的軸流式風(fēng)機代替直接驅(qū)動風(fēng)機

電控硅油離合器是在雙金屬硅油離合器的基礎(chǔ)上增加電磁感應(yīng)線圈、轉(zhuǎn)速傳感器等。用電磁閥代替雙金屬閥，電磁閥的開閉程度由電控感應(yīng)線圈控制，感應(yīng)線圈由發(fā)動機的ECU根據(jù)發(fā)動機的水溫、氣溫、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷等信息綜合后發(fā)出指令控制；用于傳遞扭矩的介質(zhì)是硅油，一旦受控的電磁閥打開，儲油腔的硅油通過電磁閥進(jìn)入工作腔，工作腔中的硅油由于受離心力的作用，靠近外邊緣硅油的壓力高從回油孔流回儲油腔，形成儲油腔—電磁閥—工作腔—回油孔—儲油腔流動的油路循環(huán)。ECU根據(jù)柴油機冷卻水溫度等的具體要求控制電磁閥的開度，即可控制進(jìn)入工作腔的硅油量，使風(fēng)機的轉(zhuǎn)速發(fā)生相應(yīng)的變化；只要電磁閥關(guān)閉，離合器的工作腔沒有硅油，離合器即處于分離狀態(tài)，風(fēng)機停止工作。采用電控硅油離合器風(fēng)機可以實現(xiàn)無級調(diào)速的目標(biāo)；且由于不需要連續(xù)工作，與直接驅(qū)動的風(fēng)機相比能夠使柴油機負(fù)荷與冷卻效果獲得最佳的匹配，可節(jié)油約4.2%。3種驅(qū)動散熱風(fēng)機的性能如表1所示。

2.3 采用電控電動水泵代替直接驅(qū)動水泵

采用電控閥門和電控水泵取代傳統(tǒng)的節(jié)溫器和直驅(qū)水泵。改變水泵直接受發(fā)動機驅(qū)動的限制，冷卻系統(tǒng)效能不僅受發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制，還受到發(fā)動機的散熱損失等影響。通過發(fā)動機電控單元對發(fā)動機溫度進(jìn)行實時監(jiān)測，對冷卻水流量及在不同回路中的流量分配進(jìn)行精確控制，滿足不同工況下發(fā)動機的冷卻要求，使發(fā)動機冷啟動時間縮短，不同工況下發(fā)動機工作溫度波動小、工作效率高。張釗等[11]對發(fā)動機電控冷卻系統(tǒng)研究認(rèn)為：與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)冷卻方式相比，解除水泵與主軸間的耦合關(guān)系，通過精確控制水泵轉(zhuǎn)速及電控閥門開度，在滿足發(fā)動機冷卻需要的同時冷卻水循環(huán)流量降到最小，使水泵平均功耗由1.50 kW降低至0.56 kW；發(fā)動機水溫在效率最高點小幅波動，從而有助于降低燃油消耗率和有害氣體的排放。

2.4 采用發(fā)動機冷卻腔分流式冷卻設(shè)計

柴油機理想的工作狀態(tài)是氣缸蓋溫度低于氣缸套溫度，較低的缸蓋溫度有利于氣缸吸氣和排氣；較高的氣缸套溫度有利于潤滑油膜的形成，降低磨損。通過對發(fā)動機冷卻腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用分流式冷卻設(shè)計，可以分別使氣缸蓋和氣缸套獲得合理的冷卻水流量、壓力和流場分布。

氣缸蓋底部噴油器孔與進(jìn)、排氣閥座孔間是熱負(fù)荷最大的部位，必須優(yōu)先得到有效的冷卻保證，可以在氣缸蓋的冷卻腔中設(shè)置一塊帶孔的隔板，這樣在氣缸蓋的冷卻腔下部采用“橫流水”設(shè)計以利于對高熱負(fù)荷部位的冷卻；在冷卻腔的上部采用“縱流水”設(shè)計以利于減少流動阻力。對于進(jìn)入氣缸套冷卻腔的水流進(jìn)口設(shè)計為切向傾斜，有利于形成環(huán)繞圓周方向的流動，使氣缸套周圍的水流速度增大，提高換熱系數(shù)。成曉北等[12]認(rèn)為采用分流式冷卻方案，能夠獲得較高的氣缸體溫度，使油耗降低4%～6%，在部分負(fù)荷時HC排放降低20%～35%。

2.5 冷卻系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)傳熱性能的改善

隨著發(fā)動機的動力性能不斷提高和適應(yīng)日益嚴(yán)格的節(jié)能減排要求。傳統(tǒng)的純水、水與乙二醇混合液等冷卻介質(zhì)的傳熱性能已不能適應(yīng)新的技術(shù)要求，尋找新型冷卻介質(zhì)備受各國關(guān)注。納米流體是以一定方式和比例在液體中添加納米粒子而形成的一種均勻、穩(wěn)定、高熱導(dǎo)率的新型傳熱工質(zhì)，如氧化鋁+水+乙二醇、銅+水等納米流體。由于傳熱效果好，可以把發(fā)動機散熱系統(tǒng)設(shè)計得更加緊湊；能在低壓下運行及在較高溫度下保持單相流動，減少熱損失，提高熱效率。王瑋[13]通過對納米流體（氧化鋁+水+乙二醇）的研究發(fā)現(xiàn)，對流換熱系數(shù)能提升20%～25%；搭建的車用散熱系統(tǒng)使用60 nm的納米流體，在冷卻條件最惡劣的情況下，可將水箱的平均溫度降低5 ℃，空氣出口溫度下降7.9 ℃，能防止水箱的“開鍋”發(fā)生，又能有效地改善發(fā)動機艙的換熱。高玉國等[14]研究發(fā)現(xiàn)，采用納米流體的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)可使重型汽車的冷卻系統(tǒng)的尺寸和重量減少10%，這將增加大于5%的燃燒效率；而減少空氣流動阻力、減少冷卻介質(zhì)的流動損失及驅(qū)動風(fēng)扇的損失，可節(jié)省約10%的油耗。

3 加強培訓(xùn)宣傳，提高對柴油機經(jīng)濟(jì)性能的認(rèn)識

柴油機的動力性能能否得到合理的發(fā)揮、經(jīng)濟(jì)性能的好壞、廢氣污染物排放量的高低，很大部分還取決于柴油機使用者能否正確使用。通過專業(yè)技能的培訓(xùn)和相關(guān)政策、法規(guī)的宣傳，讓廣大農(nóng)民對四沖程柴油機的構(gòu)造、工作原理、工作性能的影響因素、使用方法、日常維護(hù)保養(yǎng)的重要性等有比較清楚的認(rèn)識。就冷卻系統(tǒng)而言，散熱器肋片的檢查、散熱器蓋的密封性對冷卻系統(tǒng)的影響、水垢的形成與影響、風(fēng)扇葉片的檢查、冷卻水溫度對發(fā)動機工作的影響等都是專業(yè)技能培訓(xùn)的內(nèi)容，使廣大使用者認(rèn)識到冷卻系統(tǒng)對維持發(fā)動機正常工作、提高發(fā)動機經(jīng)濟(jì)性、減少污染排放的重要性，在使用發(fā)動機過程中，自覺主動按規(guī)范要求操作，提高柴油機的經(jīng)濟(jì)性能。

4 小結(jié)

冷卻系統(tǒng)對柴油機的使用性能、經(jīng)濟(jì)性能、廢氣排放有著直接的影響，通過采用電控蠟式調(diào)溫器代替普通蠟式調(diào)溫器、采用電控硅油離合器的軸流式風(fēng)機代替直接驅(qū)動風(fēng)機、采用冷卻腔分流式冷卻設(shè)計、采用納米流體等技術(shù)，使冷卻效果與柴油機的工作性能更好地匹配，在工作過程中充分發(fā)揮柴油機的動力、減少廢氣排放，能夠有效地提高柴油機的經(jīng)濟(jì)性能。另外，必須注重加強培訓(xùn)宣傳，提高廣大使用者的專業(yè)技能以及對柴油機經(jīng)濟(jì)性能的認(rèn)識。

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