鐘志興

摘要：本文主要探討目前常用的挖掘機(jī)冷卻系統(tǒng)因?yàn)轱L(fēng)扇直接驅(qū)動，各個(gè)散熱器的熱交換介質(zhì)不是工作在最佳溫度，造成柴油機(jī)能量的浪費(fèi)。因此提出應(yīng)用多組電子風(fēng)扇，分別應(yīng)用各個(gè)散熱器，每組電子風(fēng)扇根據(jù)其散熱器的熱交換介質(zhì)溫度單獨(dú)控制。經(jīng)過試驗(yàn)機(jī)驗(yàn)證，其相同工況，省油效率達(dá)到4%～7%。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī);冷卻系統(tǒng);電子風(fēng)扇;燃油消耗率

0 ?引言

挖掘機(jī)冷卻系統(tǒng)是通過散熱器，風(fēng)扇及相關(guān)管路等部件，將散熱器中流動的高溫工作介質(zhì)如液壓油，冷卻液，發(fā)動機(jī)進(jìn)氣等與外界的冷空氣進(jìn)行熱交換，使相關(guān)工作介質(zhì)保持在一定溫度，保證挖掘機(jī)正常使用。目前挖掘機(jī)常用的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。由中冷器，水散熱器、液壓油散熱器組成一個(gè)散熱器組。在散熱器組與發(fā)動機(jī)之間，設(shè)計(jì)有風(fēng)扇。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)，各散熱器芯體組成一個(gè)或多個(gè)散熱器組。每個(gè)散熱器組對應(yīng)一個(gè)風(fēng)扇。

1 ?現(xiàn)有問題

挖掘機(jī)如要保證相關(guān)部件正常工作，就要將冷卻液溫度、液壓油溫及發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度進(jìn)行控制，使其在正常工作范圍內(nèi)運(yùn)行，不能過高或過低。但由于風(fēng)扇是固定在發(fā)動機(jī)的上，由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)工作轉(zhuǎn)速為線性關(guān)系，而與冷卻系統(tǒng)工作溫度無關(guān)。冷卻系統(tǒng)在匹配設(shè)計(jì)時(shí)，是按最惡劣的條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)，比如要滿足45℃環(huán)境溫度可正常使用。而這個(gè)極端高溫的環(huán)境是極少出現(xiàn)的，而在普通工作環(huán)境下，風(fēng)扇一直在高速運(yùn)行，冷卻系統(tǒng)并不能在最佳工作溫度下運(yùn)行，同時(shí)也浪費(fèi)了發(fā)動機(jī)的能量。

也有相當(dāng)數(shù)量的挖掘機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)有離合器風(fēng)扇或單獨(dú)的液壓馬達(dá)驅(qū)動的風(fēng)扇。這樣可以通過監(jiān)測各個(gè)散熱器的實(shí)際工作溫度來控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速快慢。但因?yàn)檫@是多個(gè)散熱器芯體對應(yīng)一個(gè)風(fēng)扇，其控制邏輯是“或”的關(guān)系。每個(gè)散熱器芯體對應(yīng)一個(gè)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速值，最終取其最大值做為風(fēng)扇的實(shí)際工作轉(zhuǎn)速。因此并不是每個(gè)散熱器都工作在最佳溫度下。

近年來，電子風(fēng)扇開始在挖掘機(jī)冷卻系統(tǒng)中得到應(yīng)用，可設(shè)計(jì)每個(gè)散熱器芯體對應(yīng)一個(gè)或多個(gè)電子風(fēng)扇，這樣通過控制每一個(gè)散熱器芯體風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，使冷卻系統(tǒng)中每個(gè)散熱器芯體的工作溫度運(yùn)行在最佳狀態(tài)成為了可能。因?yàn)橥诰驒C(jī)是屬于生產(chǎn)工具，因此最佳溫度的選擇必須要從整機(jī)效率最大，油耗最低這一點(diǎn)上考慮。而本文主要就是分別討論每個(gè)散熱器芯體的最佳工作溫度，使整機(jī)燃油消耗達(dá)到最優(yōu)。

2 ?熱交換介質(zhì)溫度與油耗關(guān)系

2.1 冷卻液溫度

在柴油燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能量中，除了用于對外做功，高溫尾氣排出，機(jī)體熱輻射之外，有相當(dāng)一部分被冷卻液帶走了。占比大約在20-25%左右，具體根據(jù)柴油機(jī)的設(shè)計(jì)，燃燒性能，及使用工況有關(guān)。因此減小冷卻液帶走的能量，使更多的能量用在做功上，可以提高柴油機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性。

柴油機(jī)工作時(shí)，氣缸內(nèi)的熱量是通過缸壁傳遞到冷卻液的。對于具體的柴油機(jī)來說，其散熱面積是固定的，而在具體的工況中，其傳熱系數(shù)可以認(rèn)為是固定的，因此冷卻液吸收的熱量與燃?xì)馀c冷卻液溫度差成正比。在燃?xì)鉁囟炔蛔兊那闆r下，可通過提高冷卻液溫度來減小溫差。被冷卻液吸收的熱量減小，則有更多的能量用于做功，提高化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率。但冷卻液溫度持續(xù)再升高時(shí)，從冷卻液帶走的熱量減少，缸內(nèi)的溫度持續(xù)增加，造成空氣密度降低而使空燃比惡化，燃油消耗率開始上升。

隨著冷卻液的溫度提升，柴油機(jī)機(jī)油的溫度也會升高。而機(jī)油粘度與溫度是強(qiáng)相關(guān)的，機(jī)油粘度降低，減少了機(jī)油內(nèi)部的摩擦損失。但如溫度過高，粘度過低，其承載能力不足，無法形成油膜，摩擦損失反而會升高。

根據(jù)相關(guān)研究，柴油機(jī)在不同轉(zhuǎn)速，不同冷卻液溫度下，不同負(fù)載的燃油消耗率的變化曲線有很大差異。隨著冷卻液溫度的升高，燃油消耗率不斷下降。當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到一定的值時(shí)，燃油消耗率達(dá)到最小值。冷卻液溫度持續(xù)增加時(shí)，燃油消耗率反而會增加。燃油消耗率最小值對應(yīng)的冷卻液溫度，是與柴油機(jī)工作轉(zhuǎn)速及負(fù)載率相關(guān)的。從相關(guān)數(shù)據(jù)可看出，工作轉(zhuǎn)速越高，負(fù)載率越大，則對應(yīng)的冷卻液溫度就越低，基本在85-95℃之間變化。在柴油機(jī)正常允許的冷卻液工作的70-100℃范圍內(nèi)，其燃油消耗耗率差異在1.5%-4.7%左右。從燃油消耗率角度來考慮，推薦發(fā)動機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速時(shí)，冷卻液的工作溫度控制在90-95℃，負(fù)載越高，溫度越低。發(fā)動機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速時(shí)，冷卻液的工作溫度控制在85℃左右。

2.2 柴油機(jī)進(jìn)氣溫度

為了提高柴油機(jī)的升功率，現(xiàn)在中大型柴油機(jī)基本都是帶有渦輪增壓器，利用增壓器的壓縮功能，可以把進(jìn)入柴油機(jī)的空氣密度加大。但在經(jīng)過增壓器壓縮后的壓縮空氣，氣溫也隨著升高。進(jìn)氣柴油機(jī)的空氣溫度升高到一定程度后，柴油機(jī)的燃油消耗率、輸出功率及尾氣排放都會隨之惡化。

有相關(guān)試驗(yàn)對六缸柴油機(jī)進(jìn)行過研究，對六缸柴油機(jī)的2200r/min與1500r/min兩個(gè)轉(zhuǎn)速下不同負(fù)載率下進(jìn)行了進(jìn)氣溫度對燃油消耗率的影響試驗(yàn)。結(jié)果顯示：不管在哪個(gè)轉(zhuǎn)速下與多大的負(fù)責(zé)率下，燃油消耗率都會隨著進(jìn)氣溫度的升高而升高，換而言之就是進(jìn)氣溫度要越低越好。增壓后的氣溫一般有100-200℃，而中冷器的冷卻能力有限，尺寸要求非常大或增加風(fēng)扇的功率才能把溫度降得很低。而進(jìn)氣溫度對燃油消耗率的影響隨著根據(jù)轉(zhuǎn)速不同，負(fù)載不同，變化在0.5%到3%左右。所以最終發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度需結(jié)合燃油經(jīng)濟(jì)性與中冷器尺寸、成本及風(fēng)扇的消耗功率綜合考慮，在可接受的范圍內(nèi)，使用發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度低些。

2.3 液壓油溫度

液壓挖掘機(jī)的壓力油由液壓主泵提供，而目前的挖掘機(jī)主泵基本都是軸向柱塞泵，屬于容積泵一類。機(jī)械效率與容積效率是容積泵的兩個(gè)重要性能參數(shù)，但機(jī)械效率與容積效率轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等諸多因數(shù)有關(guān)，本文所討論的是整機(jī)工作的經(jīng)濟(jì)性與散熱系統(tǒng)溫度的關(guān)系，不管是任何設(shè)備其效率越高能量損失的比率就越小，也就是經(jīng)濟(jì)性越好。所以，本文只就溫度對機(jī)械效率與容積效率的影響進(jìn)行探討分析。

當(dāng)液壓油的溫度升高時(shí)，其粘度也會隨之降低，液壓泵的內(nèi)泄漏也會增加，因此液壓泵容積效率也會降低。但液壓油粘度降低，液壓油內(nèi)部的摩擦阻力變小，液壓泵的機(jī)械效率是隨之增加的。

機(jī)械效率會隨著溫度的升高而升高，可是容積效率卻是相反，容積效率是隨著溫度的升高而降低。所以最佳的液壓油溫度位于機(jī)械效率與容積效率曲線的交匯處，65℃左右。在這個(gè)溫度下，泵的效率為最高值，柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性也就是最佳。

3 ?實(shí)施方案

基于以上分析，在一臺現(xiàn)有13T的挖掘機(jī)進(jìn)行了改裝，使用電子風(fēng)扇代替原來的發(fā)動機(jī)直驅(qū)風(fēng)扇。中冷器及冷卻液散熱器對應(yīng)一組電子風(fēng)扇，液壓油散熱器單獨(dú)對應(yīng)一組電子風(fēng)扇，為了防止兩組風(fēng)扇間氣流的相互干擾，在導(dǎo)風(fēng)罩內(nèi)增加了一個(gè)隔板。

分別對原機(jī)狀態(tài)及改進(jìn)狀態(tài)的油耗進(jìn)行的測試，數(shù)據(jù)見表1?？煽闯?，改進(jìn)后的整機(jī)油耗有明顯的改善。

4 ?結(jié)論

通過本文的探討，為了提高挖掘機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，對于挖掘機(jī)散熱系統(tǒng)的各散熱器的工作溫度得出了明確的數(shù)值。

其一：發(fā)動機(jī)工作在低轉(zhuǎn)速時(shí)，冷卻液的工作溫度控制在90-95℃，負(fù)載越高，溫度越低。發(fā)動機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速時(shí)，冷卻液的工作溫度控制在85℃左右。

其二：液壓油溫應(yīng)該控制在65℃左右。

其三：發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度要結(jié)合中冷器尺寸，在可接受范圍內(nèi)，盡可能的低。

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