吳連成，李慶磊，袁東閣，楊拴寶，孫立麟

（濰柴雷沃智慧農(nóng)業(yè)科技股份有限公司，山東 濰坊 261200）

0 引言

柴油機(jī)工作時(shí)冷卻液的溫度應(yīng)保持在中高溫度（80～90 °C），此溫度下有較高的充氣效率，潤(rùn)滑油溫度較適宜，柴油機(jī)潤(rùn)滑效果較好，柴油機(jī)能夠獲得較高的輸出功率和較低的燃油消耗[1-8]。當(dāng)冷卻液溫度過低時(shí)，潤(rùn)滑油溫度也較低，潤(rùn)滑油黏度增大，零件摩擦機(jī)械損失增加，零件磨損增加[1-4]。冷卻液溫度過高會(huì)使?jié)櫥蜏囟雀?，機(jī)油油膜被破壞導(dǎo)致零件的摩擦和磨損增加[1-4]。另外，冷卻液溫度過高也會(huì)導(dǎo)致零件材料機(jī)械性能降低和產(chǎn)生較高的熱應(yīng)力[1-6]。隨著柴油機(jī)耐磨、耐高溫材料的使用，柴油機(jī)冷卻液的最高許用溫度有逐步提高的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)已有柴油機(jī)生產(chǎn)廠家將柴油機(jī)冷卻液的最高許用溫度提高至105～110 °C。

農(nóng)業(yè)機(jī)械中的拖拉機(jī)、收獲機(jī)械作業(yè)環(huán)境比較惡劣，工作時(shí)周圍環(huán)境中漂浮較多作物碎屑、秸稈及塵土，實(shí)際作業(yè)時(shí)散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩表面容易覆蓋作物碎屑、塵土等雜物，導(dǎo)致通過散熱系統(tǒng)的風(fēng)量減少，繼而降低了散熱系統(tǒng)的冷卻性能。

為了確保散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩部分面積被雜物覆蓋后，依然能滿足柴油機(jī)冷卻液散熱量的要求，農(nóng)業(yè)機(jī)械在匹配散熱系統(tǒng)時(shí)需要留有較大的余量。文中所涉及的拖拉機(jī)均滿足45 °C 環(huán)境溫度下，滿負(fù)荷工作冷卻液溫度低于102 °C 的要求；玉米收獲機(jī)滿足40 °C 環(huán)境溫度下，部分散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩被遮擋時(shí)，滿負(fù)荷工作冷卻液溫度低于102 °C 的要求；小麥?zhǔn)斋@機(jī)和履帶式收獲機(jī)械滿足45 °C 環(huán)境溫度下，部分散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩被遮擋時(shí)，滿負(fù)荷工作冷卻液溫度低于102 °C的要求。

1 研究對(duì)象

3 種型號(hào)拖拉機(jī)匹配的柴油機(jī)及其蠟式冷卻液節(jié)溫器參數(shù)如表1 所示，5 種型號(hào)履帶式收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)及其蠟式冷卻液節(jié)溫器參數(shù)如表2 所示，4 種小麥?zhǔn)斋@機(jī)匹配的柴油機(jī)及其冷卻液節(jié)溫器參數(shù)如表3 所示，6 種型號(hào)玉米收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)及其蠟式冷卻液節(jié)溫器參數(shù)如表4 所示。

表1 拖拉機(jī)匹配的柴油機(jī)及其蠟式冷卻液節(jié)溫器參數(shù)Tab.1 Parameters of diesel engine and thermostat for tested tractors

表2 履帶式收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)及其蠟式冷卻液節(jié)溫器參數(shù)Tab.2 Parameters of diesel engine and thermostat for tested crawler harvesters

表3 小麥?zhǔn)斋@機(jī)匹配的柴油機(jī)及其蠟式冷卻液節(jié)溫器參數(shù)Tab.3 Parameters of diesel engine and thermostat for tested wheat harvesters

表4 玉米收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)及其蠟式冷卻液節(jié)溫器參數(shù)Tab.4 Parameters of diesel engine and thermostat for tested corn harvesters

2 柴油機(jī)冷卻液溫度大數(shù)據(jù)分析及散熱系統(tǒng)評(píng)價(jià)

2.1 柴油機(jī)冷卻液狀態(tài)定義

依據(jù)柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)冷卻液溫度范圍，對(duì)柴油機(jī)冷卻液狀態(tài)進(jìn)行劃分。定義柴油機(jī)暖機(jī)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的冷卻液溫度區(qū)間為（—40，70）°C；柴油機(jī)低溫運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)的冷卻液溫度區(qū)間為[70，80）°C；柴油機(jī)中溫運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)的冷卻液溫度區(qū)間為[80，102）°C；柴油機(jī)過熱狀態(tài)對(duì)應(yīng)的冷卻液溫度區(qū)間為[102，130] °C，柴油機(jī)冷卻液溫度傳感器異常狀態(tài)對(duì)應(yīng)的冷卻液溫度區(qū)間為≤—40 °C 或＞130 °C。為了保證柴油機(jī)安全可靠工作，并且保證功率輸出穩(wěn)定、燃油消耗較低，需要盡量提高柴油機(jī)中高溫運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)間比例。

2.2 拖拉機(jī)匹配的柴油機(jī)冷卻液分布及散熱系統(tǒng)評(píng)價(jià)

國(guó)內(nèi)拖拉機(jī)作業(yè)時(shí)間分布一般為每年3—12 月。在某些揚(yáng)塵較多的作業(yè)工況下，散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩容易被堵塞，對(duì)于沒有自動(dòng)清理進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩功能的拖拉機(jī)，匹配的散熱系統(tǒng)須滿足45 °C 環(huán)境溫度下，滿負(fù)荷工作冷卻液溫度低于102 °C 的要求，以確保在惡劣環(huán)境下仍滿足冷卻液散熱需求。

3 種型號(hào)拖拉機(jī)在1 年的作業(yè)周期內(nèi)柴油機(jī)冷卻液溫度分布情況如圖1 所示。2004 型拖拉機(jī)匹配的6J-200 型柴油機(jī)標(biāo)定功率均為147 kW，1404 型拖拉機(jī)匹配的4A-140 型柴油機(jī)標(biāo)定功率均為107 kW，2204 型拖拉機(jī)匹配的7H-220 型柴油機(jī)標(biāo)定功率均為162 kW。圖1～圖4 中每個(gè)系列的堆積柱形圖由下往上依次為以下冷卻液溫度區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間占比：（—40，70）°C、[70，80）°C、[80，102）°C、[102，130] °C 及≤—40 °C或＞130 °C；對(duì)于某個(gè)冷卻液溫度區(qū)間，如果運(yùn)行時(shí)間占比小于1%，則圖中不顯示其數(shù)據(jù)標(biāo)簽。

圖1 拖拉機(jī)1 年作業(yè)周期內(nèi)柴油機(jī)冷卻液溫度區(qū)間運(yùn)行時(shí)間分布Fig.1 Diesel engine coolant temperature distribution of tested tractors

2004 型和1404 型拖拉機(jī)匹配的柴油機(jī)節(jié)溫器初開溫度均為70 °C，柴油機(jī)暖機(jī)狀態(tài)冷卻液溫度區(qū)間（—40，70）°C 的運(yùn)行時(shí)間占比基本一致，為70.90%和69.67%；柴油機(jī)低溫運(yùn)行狀態(tài)冷卻液溫度區(qū)間[70，80）°C 的運(yùn)行時(shí)間占比也基本一致，為26.8%和28.75%；柴油機(jī)中溫運(yùn)行狀態(tài)冷卻液溫度區(qū)間[80，102）°C 的運(yùn)行時(shí)間占比小，為2.26%和1.55%。以上數(shù)據(jù)表明，2 種拖拉機(jī)匹配的散熱系統(tǒng)有較大余量，在1 年內(nèi)70%以上的作業(yè)時(shí)間內(nèi)將柴油機(jī)冷卻液溫度維持在節(jié)溫器初開的溫度水平上（即70 °C 左右）。但仍不能避免柴油機(jī)冷卻液過熱運(yùn)行，冷卻液溫度區(qū)間[102，130] °C 最高的運(yùn)行時(shí)間占比為0.045 7%。

2204 型拖拉機(jī)匹配的柴油機(jī)節(jié)溫器初開溫度為82 °C，在1 年的作業(yè)周期內(nèi)柴油機(jī)暖機(jī)狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)間占比僅15.3%；柴油機(jī)低溫運(yùn)行狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間占比6.24%；柴油機(jī)中溫運(yùn)行狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)間占比78.45%，比較適宜；柴油機(jī)冷卻液過熱運(yùn)行時(shí)間占比0.015 9%。以上數(shù)據(jù)表明，2204 型拖拉機(jī)柴油機(jī)節(jié)溫器初開溫度、匹配的散熱系統(tǒng)均較為合適。

在散熱系統(tǒng)散熱能力富余量大、進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩未被堵塞的正常工作條件下，節(jié)溫器初開溫度對(duì)于柴油機(jī)冷卻液運(yùn)行狀態(tài)具有決定性的影響。為避免拖拉機(jī)的柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在暖機(jī)狀態(tài)或者低溫狀態(tài)，應(yīng)提高2004 型和1404 型拖拉機(jī)柴油機(jī)冷卻液節(jié)溫器的初開溫度，提高至80 °C 左右比較適宜。

2.3 履帶式收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)冷卻液分布及散熱系統(tǒng)評(píng)價(jià)

國(guó)內(nèi)履帶式收獲機(jī)作業(yè)時(shí)間分布一般為每年4—12 月，其中收獲冬小麥的時(shí)間基本在5—6 月，在此期間環(huán)境溫度較高，而且機(jī)械的散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩容易被堵塞。對(duì)于沒有自動(dòng)清理進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩功能的小麥?zhǔn)斋@機(jī)械，匹配的散熱系統(tǒng)滿足45 °C 環(huán)境溫度下，部分散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩被遮擋時(shí)，滿負(fù)荷工作冷卻液溫度低于102 °C 的要求，以確保在惡劣環(huán)境下仍滿足冷卻液散熱需求。

5 種履帶式收獲機(jī)在1 年作業(yè)周期內(nèi)匹配的柴油機(jī)冷卻液溫度分布情況如圖2 所示。RG50 型履帶式收獲機(jī)匹配的2 種柴油機(jī)標(biāo)定功率均為73.5 kW，RG55 型履帶式收獲機(jī)匹配的2 種柴油機(jī)標(biāo)定功率均為81.0 kW，RG60 型履帶式收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)標(biāo)定功率為92.0 kW。

圖2 履帶式收獲機(jī)械1 年作業(yè)周期內(nèi)匹配的柴油機(jī)冷卻液溫度區(qū)間運(yùn)行時(shí)間分布Fig.2 Diesel engine coolant temperature distribution of tested crawler harvesters

RG50 型履帶式收獲機(jī)匹配的4DK-100 型柴油機(jī)，RG55 型履帶式收獲機(jī)匹配的4DK-110 型柴油機(jī)，RG60型履帶式收獲機(jī)匹配的4DK-125 型柴油機(jī)，冷卻液節(jié)溫器初開溫度均是70 °C，相應(yīng)地柴油機(jī)暖機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間占比分別為97.49%、98.89%和98.33%；RG50 型履帶式收獲機(jī)匹配的4C6-100 型柴油機(jī)，RG55 型履帶式收獲機(jī)匹配的4C6-110 型柴油機(jī)，冷卻液節(jié)溫器初開溫度均是72 °C，相應(yīng)地柴油機(jī)暖機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間占比分別降至97.05%和97.63%。排量相近、相同標(biāo)定功率的柴油機(jī)冷卻液散熱量基本一致，相同型號(hào)的履帶式收獲機(jī)匹配散熱系統(tǒng)相同，由上述履帶式收獲機(jī)匹配柴油機(jī)冷卻液分布數(shù)據(jù)可知，將柴油機(jī)冷卻液節(jié)溫器開啟溫度由70 °C 提升至72 °C，可以將RG50 型履帶式收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)暖機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間所占比例降低0.44%，可以將RG55 型履帶式收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)暖機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間所占比例降低1.26%。

上述5 種履帶式收獲機(jī)械匹配的柴油機(jī)暖機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間所占比例為97.05%～98.89%，柴油機(jī)低溫運(yùn)行狀態(tài)冷卻液溫度區(qū)間[70，80）°C 運(yùn)行時(shí)間所占比例僅為1.08%～2.74%，說明5 種履帶式收獲機(jī)匹配的散熱系統(tǒng)有較大余量，在1 年內(nèi)97%以上的作業(yè)時(shí)間內(nèi)將柴油機(jī)冷卻液溫度維持在節(jié)溫器初開的溫度水平上（即70 °C 左右），但仍不能避免柴油機(jī)冷卻液過熱運(yùn)行，冷卻液溫度區(qū)間（102，130] °C 最高的運(yùn)行時(shí)間占比為0.002 5%。

在散熱系統(tǒng)散熱能力富裕量大、進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩未被堵塞的正常工作條件下，節(jié)溫器初開溫度對(duì)于柴油機(jī)冷卻液運(yùn)行狀態(tài)具有決定性的影響。為避免履帶式收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在暖機(jī)狀態(tài)或者低溫狀態(tài)，在保持現(xiàn)在的散熱系統(tǒng)能力前提下應(yīng)提高柴油機(jī)冷卻液節(jié)溫器的初開溫度，提高至80 °C 比較適宜。

2.4 小麥?zhǔn)斋@機(jī)匹配的柴油機(jī)冷卻液分布及散熱系統(tǒng)評(píng)價(jià)

國(guó)內(nèi)小麥?zhǔn)斋@機(jī)作業(yè)時(shí)間分布一般為每年4—10 月，其中收獲冬小麥的時(shí)間基本在5—6 月，在此期間環(huán)境溫度較高，而且機(jī)械的散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩容易被堵塞[9-10]。對(duì)于沒有自動(dòng)清理進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩功能的小麥?zhǔn)斋@機(jī)，匹配的散熱系統(tǒng)滿足45 °C 環(huán)境溫度下，部分散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩被遮擋時(shí)，滿負(fù)荷工作冷卻液溫度低于102 °C 的要求，以確保在惡劣環(huán)境下仍滿足冷卻液散熱需求。

4 種小麥?zhǔn)斋@機(jī)在1 年作業(yè)周期內(nèi)匹配的柴油機(jī)冷卻液溫度分布情況如圖3 所示。GE-1 型、GE-2 型和GM 型小麥?zhǔn)斋@機(jī)匹配的柴油機(jī)標(biāo)定功率均為129 kW，GM 型小麥?zhǔn)斋@機(jī)匹配的柴油機(jī)標(biāo)定功率為162 kW。

圖3 小麥?zhǔn)斋@機(jī)械1 年作業(yè)周期內(nèi)匹配的柴油機(jī)冷卻液溫度區(qū)間運(yùn)行時(shí)間分布Fig.3 Diesel engine coolant temperature distribution of tested wheat harvesters

4 種型號(hào)小麥?zhǔn)斋@機(jī)匹配的柴油機(jī)冷卻液節(jié)溫器初開溫度均為70 °C。相應(yīng)的柴油機(jī)暖機(jī)狀態(tài)冷卻液溫度區(qū)間（—40，70）°C 的運(yùn)行時(shí)間占比基本一致，為97.5%～98.59%；柴油機(jī)低溫運(yùn)行狀態(tài)冷卻液溫度區(qū)間[70，80）°C 的運(yùn)行時(shí)間所占比例僅為1.26%～2.40%，說明此4 種型號(hào)小麥?zhǔn)斋@機(jī)匹配的散熱系統(tǒng)有較大余量，在1 年內(nèi)97%以上的作業(yè)時(shí)間內(nèi)將柴油機(jī)冷卻液溫度維持在節(jié)溫器初開的溫度水平上（即70 °C 左右），但仍不能避免柴油機(jī)冷卻液過熱運(yùn)行，冷卻液溫度區(qū)間（102，130] °C 最高的運(yùn)行時(shí)間占比為0.07%。

在散熱系統(tǒng)散熱能力富裕量大、進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩未被堵塞的正常工作條件下，節(jié)溫器初開溫度對(duì)于柴油機(jī)冷卻液運(yùn)行狀態(tài)具有決定性的影響。為避免小麥?zhǔn)斋@機(jī)匹配的柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在暖機(jī)狀態(tài)或者低溫狀態(tài)，在保持現(xiàn)在的散熱系統(tǒng)能力前提下應(yīng)提高柴油機(jī)冷卻液節(jié)溫器的開啟溫度，提高至80 °C 比較適宜。

2.5 玉米收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)冷卻液分布及散熱系統(tǒng)評(píng)價(jià)

國(guó)內(nèi)玉米收獲機(jī)作業(yè)時(shí)間分布一般為每年8—10 月。玉米收獲機(jī)的散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩也容易被堵塞。對(duì)于沒有自動(dòng)清理進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩功能的玉米收獲機(jī)，匹配的散熱系統(tǒng)滿足40 °C 環(huán)境溫度下，部分散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩被遮擋時(shí)，滿負(fù)荷工作冷卻液溫度低于102 °C 的要求，以確保在惡劣環(huán)境下仍滿足冷卻液散熱需求。

6 種玉米收獲機(jī)在1 年作業(yè)周期內(nèi)匹配的柴油機(jī)冷卻液溫度分布情況如圖4 所示。CB 型和CC 型玉米收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)標(biāo)定功率均為140 kW，CD 型號(hào)玉米收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)標(biāo)定功率為129 kW。

圖4 玉米收獲機(jī)械1 年作業(yè)周期內(nèi)匹配的柴油機(jī)冷卻液溫度區(qū)間運(yùn)行時(shí)間分布Fig.4 Diesel engine coolant temperature distribution of tested corn harvesters

CB 型玉米收獲機(jī)匹配的6J-190 型柴油機(jī)、CC 型玉米收獲機(jī)匹配的4A-190 型柴油機(jī)及CD 型玉米收獲機(jī)匹配的4A-175 型柴油機(jī)冷卻液節(jié)溫器初開溫度均是70 °C，相應(yīng)地柴油機(jī)暖機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間占比分別為98.39%、98.44%和98.53%。CB 型玉米收獲機(jī)匹配的6D3-190 柴油機(jī)、CC 型玉米收獲機(jī)匹配的4D3-190 型柴油機(jī)及CD 型玉米收獲機(jī)匹配的4D3-175 型柴油機(jī)冷卻液節(jié)溫器初開溫度均是76 °C，相應(yīng)地柴油機(jī)暖機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間占比分別降至96.81%、96.76%和97.16%。排量相近、相同標(biāo)定功率的柴油機(jī)冷卻液散熱量基本一致，相同型號(hào)的玉米收獲機(jī)匹配的散熱系統(tǒng)相同，由上述玉米收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)冷卻液分布數(shù)據(jù)可知，將柴油機(jī)冷卻液節(jié)溫器開啟溫度由70 °C 提升至76 °C，可以將柴油機(jī)暖機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間所占比例平均降低1.54%。

上述6 種玉米收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)暖機(jī)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)間所占比例為96.76%～98.53%，柴油機(jī)低溫運(yùn)行狀態(tài)冷卻液溫度區(qū)間[70，80）°C 運(yùn)行時(shí)間所占比例僅為1.45%～3.18%，說明此6 種玉米收獲機(jī)匹配的散熱系統(tǒng)有較大余量，在1 年內(nèi)96%以上的作業(yè)時(shí)間內(nèi)將柴油機(jī)冷卻液溫度維持在節(jié)溫器初開的溫度水平上（即70 °C 左右），但仍不能避免柴油機(jī)冷卻液過熱運(yùn)行，冷卻液溫度區(qū)間（102，130] °C 最高的運(yùn)行時(shí)間占比為0.001 4%。

在散熱系統(tǒng)散熱能力富裕量大、進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩未被堵塞的正常工作條件下，節(jié)溫器初開溫度對(duì)于柴油機(jī)冷卻液運(yùn)行狀態(tài)具有決定性的影響。為避免玉米收獲機(jī)匹配的柴油機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在暖機(jī)狀態(tài)或者低溫狀態(tài)，在保持現(xiàn)在的散熱系統(tǒng)能力前提下應(yīng)提高柴油機(jī)冷卻液節(jié)溫器的初開溫度，提高至80 °C 比較適宜。

3 散熱系統(tǒng)優(yōu)化措施

農(nóng)業(yè)機(jī)械為滿足高溫、揚(yáng)塵大的工作環(huán)境下柴油機(jī)的散熱需求，避免較多冷卻液高溫情況出現(xiàn)，其匹配的散熱系統(tǒng)余量均較大，應(yīng)設(shè)置適宜的柴油機(jī)節(jié)溫器開啟溫度以使柴油機(jī)的冷卻液溫度在時(shí)間上盡量長(zhǎng)地保持在適宜溫度。車聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)機(jī)械匹配的柴油機(jī)冷卻液溫度分布大數(shù)據(jù)表明，將節(jié)溫器開啟溫度設(shè)置在80 °C 左右，節(jié)溫器全開溫度設(shè)置在95 °C 左右比較合適。

設(shè)計(jì)根據(jù)柴油機(jī)冷卻液溫度控制轉(zhuǎn)速的風(fēng)扇可以降低柴油機(jī)暖機(jī)過程的油耗，有利于保持較適宜的柴油機(jī)冷卻液溫度。

設(shè)計(jì)根據(jù)柴油機(jī)冷卻液溫度的可控反吹風(fēng)扇，有利于保持較適宜的柴油機(jī)冷卻液溫度并且達(dá)到自動(dòng)清理散熱系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)網(wǎng)罩的效果，也利于減少散熱系統(tǒng)富裕量來(lái)降低成本。