田廣才，艾立新，劉 梅

（1．河北鋼鐵集團(tuán) 司家營(yíng)研山鐵礦有限公司，河北 唐山 063700；2．河北鋼鐵集團(tuán) 礦山設(shè)計(jì)有限公司，河北 唐山 063700）

0 引言

河北鋼鐵集團(tuán)司家營(yíng)研山鐵礦有限公司自2009年從白俄羅斯陸續(xù)引進(jìn)了30臺(tái)大型礦用自卸車，載重量分為180t和220t兩種，其發(fā)動(dòng)機(jī)均為MTU公司生產(chǎn)的16缸V型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，功率為1 715kW，單位油耗為208g／kWh，冬季使用－20標(biāo)號(hào)柴油，其他季節(jié)使用0標(biāo)號(hào)柴油。

為減少發(fā)動(dòng)機(jī)油耗，降低運(yùn)輸成本，達(dá)到節(jié)能減排和降本增效的目的，進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造，改造后每年可節(jié)約燃油成本約10萬(wàn)元／臺(tái)，且燃油升溫后可降低燃油油耗，減少發(fā)動(dòng)機(jī)積碳，增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)功率。本文就改造中如何解決發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境下正常使用0標(biāo)號(hào)柴油，保證燃油油溫在正常范圍，確保發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行了論證。

1 燃油預(yù)熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1．1 燃油預(yù)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

燃油預(yù)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1．2 燃油預(yù)熱系統(tǒng)工作原理

利用熱交換裝置，回收發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液帶走的大量熱能，對(duì)燃油進(jìn)行預(yù)熱。主要從以下兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)：

（1）要保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，必須滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的正常啟動(dòng)，通過(guò)低溫啟動(dòng)裝置（如圖2所示）燃燒柴油加熱冷卻液，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫下正常啟動(dòng)。它有兩方面的作用：①通過(guò)裝置中的水泵將加熱后的冷卻液輸送至燃油粗濾器熱交換器和油箱熱交換器中，以加熱油路和油箱中的柴油；②通過(guò)裝置中的水泵將加熱后的冷卻液輸送至發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸蓋水道，加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)，以增加混合氣溫度，滿足柴油在燃燒室的正常壓燃。

（2）當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)冷卻液溫度達(dá)到15℃時(shí)，燃油溫度控制裝置接收溫度傳感器1信號(hào)，打開閥門1，關(guān)閉低溫啟動(dòng)裝置和閥門2，這時(shí)，燃油粗濾器熱交換器和油箱熱交換器的冷卻液來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部，加熱燃油。燃油溫度控制裝置通過(guò)采集溫度傳感器2的信號(hào)，控制閥門1的開度，保證加熱后的燃油溫度在30℃～40℃，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 燃油預(yù)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖

1．3 低溫啟動(dòng)裝置的改造

圖2中所示裝置為礦車自帶裝置，其最初的目的就是燃油預(yù)熱系統(tǒng)中所講的作用（2），通過(guò)管路的改造使其增加了作用（1）的功能。

1．4 燃油粗濾器的改造

燃油粗濾器在汽車中廣泛應(yīng)用，其作用是過(guò)濾燃油中的大顆粒雜質(zhì)。通過(guò)在該裝置的內(nèi)部加裝熱交換管，又賦予了它新的功能，即進(jìn)行冷卻液和柴油的熱量交換，其關(guān)鍵是確定內(nèi)部熱交換管的長(zhǎng)度L。利用能量守恒定律（理想狀態(tài)，忽略粗濾器的散熱效果）確定L值：

LSC1（T1－T2）＝PC2（t1－t2）。

其中：S為熱交換管的截面積；P為每秒流過(guò)燃油粗濾器的油量；C1為水的比熱容；C2為柴油的比熱容；T1、T2分別為冷卻液的進(jìn)口、出口溫度；t1、t2分別為柴油的出口、進(jìn)口溫度。

圖2 低溫啟動(dòng)裝置

1．5 油箱加熱棒的設(shè)計(jì)

圖3為油箱熱交換器改造示意圖，其主要是利用油箱底部觀察孔，將自制的熱交換管固定在觀察孔的蓋板上。改造過(guò)程中熱交換管沒有特定的長(zhǎng)度限制，利用油箱的結(jié)構(gòu)，盡可能地增加熱交換管和燃油的接觸面積，以保證冷卻液與燃油有足夠的熱量交換。

圖3 油箱熱交換器改造示意圖

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖4為燃油溫度變化曲線圖。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在室外溫度－18℃時(shí)進(jìn)行采集的，從實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以看出，燃油溫度隨時(shí)間在逐步上升，并穩(wěn)定在35℃左右，其中間出現(xiàn)過(guò)溫度下降的情況，這是由于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，預(yù)熱鍋爐停止工作，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度逐步上升而造成的。

圖4 燃油溫度變化曲線圖

3 結(jié)論

利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的熱量，與燃油進(jìn)行熱交換，完全滿足0標(biāo)號(hào)燃油在0℃以下的環(huán)境中正常使用，并利用自動(dòng)化控制裝置，保證燃油溫度在安全的溫度范圍。以上設(shè)計(jì)改造已經(jīng)過(guò)理論實(shí)驗(yàn)和實(shí)際測(cè)試，實(shí)驗(yàn)和測(cè)試結(jié)果均達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

［1］ 王建昕．汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2011．

［2］ 陳義鋒．PLC的應(yīng)用及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．湖南農(nóng)機(jī)，2010，37（2）：46－47．

［3］ 李曉驥．功率可自動(dòng)調(diào)節(jié)的內(nèi)燃機(jī)車燃油預(yù)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2007（5）：157－159．