董文亮

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

發(fā)動機是一種能夠?qū)⑵渌芰哭D(zhuǎn)換為動能和機械能的裝置，發(fā)動機分為往復(fù)活塞式發(fā)動機、斯特林發(fā)動機、電動機以及噴氣式發(fā)動機四種[1]。

由于發(fā)動機功率較高，在運行過程中機體會發(fā)出較高的熱量，溫度過高會影響到發(fā)動機的性能，所以發(fā)動機需要利用一套冷卻系統(tǒng)給機身降溫[2]。發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)是一組液冷式密閉循環(huán)體系，利用循環(huán)冷水降低溫度，主要由氣缸、水箱、夾套三部分組成[3]。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)水箱通常是由鐵、鋁、銅、鋼等金屬復(fù)合材料制成，這種金屬復(fù)合材料不具備保溫的功能，當(dāng)天氣寒冷時發(fā)動機冷卻系統(tǒng)水箱里的水會結(jié)冰，進而影響到發(fā)動機的正常運行[4]。所以金屬復(fù)合材料發(fā)動機需要采取一些防凍措施，利用防凍結(jié)構(gòu)為金屬復(fù)合材料發(fā)動機提供良好的溫度運行條件，防治金屬復(fù)合材料發(fā)動機水箱結(jié)冰，進而保證發(fā)動機正常運行[5]。但是目前現(xiàn)有的金屬復(fù)合材料發(fā)動機防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠合理，當(dāng)周圍溫度達到或者超過零下20℃時，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法發(fā)揮出較好的防凍效果，金屬復(fù)合材料發(fā)動機水箱仍舊有結(jié)冰的現(xiàn)象，且結(jié)冰量較大[6]。傳統(tǒng)已經(jīng)無法滿足金屬復(fù)合材料發(fā)動機防凍需求，為此提出金屬復(fù)合材料發(fā)動機防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計分析。

1 金屬復(fù)合材料發(fā)動機防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計

此次結(jié)合傳統(tǒng)防凍結(jié)構(gòu)的不足之處，以及金屬復(fù)合材料發(fā)動機防凍需求，設(shè)計一套新的發(fā)動機防凍結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由溫度檢測裝置、電渦流加熱裝置和溫度控制裝置三部分組成，利用三個裝置實現(xiàn)發(fā)動機水箱溫度檢測、水箱加熱以及溫度控制，保證發(fā)動機水箱溫度適中保持在合理的溫度下，起到防凍效果，以下將對該防凍結(jié)構(gòu)進行詳細說明。

1.1 發(fā)動機溫度檢測裝置設(shè)計

發(fā)動機溫度檢測裝置主要是用于檢測金屬復(fù)合材料發(fā)動機水箱溫度，該裝置由溫度傳感器和溫度測量器組成，將溫度測量器安裝在發(fā)動機水箱內(nèi)，溫度測量器選用JGFJ-26 型號，將溫度測量器的測量周期設(shè)定為60s，測量頻率設(shè)定為6.54Hz，測量精度設(shè)定為0.01。利用溫度測量器對金屬復(fù)合材料發(fā)動機水箱溫度進行定期測量。通過NS 接口將溫度測量器與溫度傳感器連接，溫度傳感器選用BKIO-45型號，將溫度傳感器頻率設(shè)定為3.45 Hz，運行功率設(shè)定為35w，并且在溫度傳感器中設(shè)定一個溫度閾值，通常情況下為0。利用溫度傳感器讀取溫度測量數(shù)據(jù)，當(dāng)讀取到的溫度數(shù)據(jù)低于設(shè)定的溫度閾值，溫度傳感器會自動發(fā)出警示，表示需要對金屬復(fù)合材料發(fā)動機水箱采取加熱措施；如果讀取到的溫度數(shù)據(jù)沒有低于設(shè)定的溫度閾值，則表示發(fā)動機水箱溫度正常，無需采取加熱措施。

1.2 電渦流加熱裝置設(shè)計

依據(jù)溫度傳感器讀取到的數(shù)據(jù)，以及發(fā)出的防凍警示，利用電渦流加熱裝置對金屬復(fù)合材料發(fā)動機進行加熱。電渦流加熱裝置的核心設(shè)備為電渦流加熱器，此次選用上海HKG 加熱器企業(yè)生產(chǎn)的BJLL-2603 型號電渦流加熱器，將其安裝在發(fā)動機水箱水管口處，加熱功率設(shè)置為30KW，電壓設(shè)定為120V。其內(nèi)腔含有大量不銹鋼材質(zhì)電熱管，當(dāng)傳感器發(fā)出警示信號后，對電熱管通電，管子升溫發(fā)熱，與由風(fēng)機送來氣流換熱，把熱量傳給氣流，并在爐膛內(nèi)設(shè)有多個折流板（導(dǎo)流板），引導(dǎo)氣體流向，延長氣體在內(nèi)腔的滯留時間，從而使氣體充分加熱，使氣體加熱均勻，將電熱管中氣體的熱量傳遞給發(fā)動機水箱，以此實現(xiàn)對發(fā)動機水箱電渦流加熱。

1.3 發(fā)動機溫度控制裝置設(shè)計

電渦流加熱裝置有個弊端，就是電渦流加熱溫度無法實現(xiàn)自控，如果電渦流加熱溫度過高，會對金屬復(fù)合材料發(fā)動機起到反作用，因此在金屬復(fù)合材料發(fā)動機防凍結(jié)構(gòu)中設(shè)計了一個發(fā)動機溫度控制裝置，利用該裝置對電渦流加熱裝置的加熱溫度進行控制。發(fā)動機溫度控制裝置的核心技術(shù)為PLC。PLC 是一種控制系統(tǒng)，將PLC 通過NS 網(wǎng)絡(luò)接口與電渦流加熱裝置連接，在PLC 控制單元中設(shè)定溫度控制閾值，通常情況下在9-15 之間，當(dāng)電渦流加熱溫度超出控制閾值時，PLC 會立即控制電渦流發(fā)熱裝置停止加熱，避免發(fā)動機水箱加熱溫度過高，而影響到金屬復(fù)合材料發(fā)動機運行。以上通過對發(fā)動機溫度檢測裝置、電渦流加熱裝置以及發(fā)動機溫度控制裝置的設(shè)計，實現(xiàn)了對金屬復(fù)合材料發(fā)動機的防凍，使發(fā)動機盡管在較低的溫度環(huán)境中運行，水箱都不會出現(xiàn)大量結(jié)冰現(xiàn)象，以此完成了金屬復(fù)合材料發(fā)動機防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 實驗

2.1 實驗過程

實驗以某金屬復(fù)合材料發(fā)動機為實驗對象，該發(fā)動機的水箱容量為20L，高度為900mm，尺寸為600mm，厚度為200mm，金屬復(fù)合材料中鋁材料為主。實驗將此次設(shè)計結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝到該金屬復(fù)合材料發(fā)動機上，為發(fā)動機起到防凍作用，通過對比實驗，檢驗此次設(shè)計金屬復(fù)合材料發(fā)動機防凍結(jié)構(gòu)的適用性與有效性。實驗首先將帶有防凍結(jié)構(gòu)的發(fā)動機分別放入到零下20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃環(huán)境中，將金屬復(fù)合材料發(fā)動機水箱充滿20L 水量，開啟發(fā)動機防凍結(jié)構(gòu)中的各個裝置；然后將發(fā)動機開啟運行，運行時間為240min，發(fā)動機在運行過程中的功率設(shè)定為120KW/min，進氣方式設(shè)定為渦輪增壓，啟動方式設(shè)定為電啟動；在240min 后停止發(fā)動機運行，此時計量金屬復(fù)合材料發(fā)動機水箱中水的結(jié)冰量，《金屬復(fù)合材料發(fā)動機防凍技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，當(dāng)發(fā)動機水箱中水的結(jié)冰量超過二十分之一，則會影響到發(fā)動機性能和功能的正常發(fā)揮，同時還會損壞金屬復(fù)合材料發(fā)動機使用壽命，因此此次實驗將金屬復(fù)合材料發(fā)動機水箱結(jié)冰量作為實驗結(jié)果，對兩種防凍結(jié)構(gòu)進行對比分析。

2.2 實驗結(jié)果分析

根據(jù)實驗中記錄的實驗數(shù)據(jù)，分析在環(huán)境溫度為零下20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃時，發(fā)動機水箱結(jié)冰量，分析發(fā)動機防凍結(jié)構(gòu)的防凍效果，實驗結(jié)果如下圖所示。

表1 不同環(huán)境溫度下發(fā)動機水箱結(jié)冰量/L

根據(jù)表1 可以得出以下結(jié)論：當(dāng)發(fā)動機運行環(huán)境溫度低于零下20℃時，應(yīng)用此次設(shè)計的金屬復(fù)合材料發(fā)動機防凍結(jié)構(gòu)，金屬復(fù)合材料發(fā)動機水箱結(jié)冰量雖然會隨著溫度的降低而略微增加，但是結(jié)冰量低于水箱總量的二十分之一，且平均結(jié)冰量為0.0761L；而應(yīng)用傳統(tǒng)防凍結(jié)構(gòu)，金屬復(fù)合材料發(fā)動機水箱結(jié)冰量會隨著溫度的降低而急劇增加，且平均結(jié)冰量為1.7625L，遠遠超過此次設(shè)計防凍結(jié)構(gòu)和《金屬復(fù)合材料發(fā)動機防凍技術(shù)規(guī)范》要求。因此實驗證明了此次設(shè)計的金屬復(fù)合材料發(fā)動機防凍結(jié)構(gòu)更能滿足發(fā)動機防凍需求，具有良好的適用性和有效性。

3 結(jié)語

本文對金屬復(fù)合材料發(fā)動機防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計進行了分析，結(jié)合金屬復(fù)合材料發(fā)動機水箱防凍需求以及傳統(tǒng)防凍結(jié)構(gòu)的不足，設(shè)計了一套新的發(fā)動機防凍結(jié)構(gòu)，該防凍結(jié)構(gòu)由電渦流加熱裝置、溫度檢測裝置以及溫度控制裝置組合而成，通過加熱、溫度檢測與控制防治發(fā)動機水箱結(jié)冰，保證金屬復(fù)合材料發(fā)動機正常運行，利用對比實驗驗證了該裝置能夠起到良好的發(fā)動機防凍效果，為金屬復(fù)合材料發(fā)動機正常運行提供了保障，對金屬復(fù)合材料發(fā)動機防凍、穩(wěn)定運行具有良好的現(xiàn)實意義。