鄭 龍 ，崔 勇 ，陳 強

（江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學院，江蘇 泰州 225300）

眾所周知，農(nóng)業(yè)作業(yè)場地道路狀況復(fù)雜，農(nóng)用車輛需要適應(yīng)各種路況和工作場景。發(fā)動機作為農(nóng)用車輛的核心部件，其總成的布置安裝和設(shè)計需要考慮到農(nóng)用車輛的使用環(huán)境和工作條件[1]。

1 農(nóng)用車輛發(fā)動機總成的設(shè)計原則

設(shè)計農(nóng)用車輛發(fā)動機總成應(yīng)考慮以下幾個關(guān)鍵原則：1）安全性。發(fā)動機總成必須提供足夠的防護，以確保車輛操作人員和周圍環(huán)境安全，這包括防火、防爆和防塵等設(shè)計要求。2）可靠性。確保發(fā)動機總成足夠堅固，能夠經(jīng)受農(nóng)業(yè)環(huán)境的惡劣條件，如塵土、濕氣和振動。3）通風和散熱。發(fā)動機總成應(yīng)具備良好的通風系統(tǒng)，以保持發(fā)動機在適宜的溫度范圍內(nèi)運行；合理的散熱設(shè)計可以延長發(fā)動機壽命。4）維護便捷性。發(fā)動機總成設(shè)計應(yīng)便于維護和維修，以減少停機時間和維護成本。5）噪聲控制。農(nóng)機發(fā)動機通常產(chǎn)生噪聲，因此發(fā)動機總成設(shè)計應(yīng)考慮噪聲控制措施，以減少噪聲對操作員和環(huán)境的影響。

2 發(fā)動機總成布置與設(shè)計

2.1 發(fā)動機艙的隔音裝置設(shè)計

發(fā)動機在運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生噪聲和振動，如果不加以控制，會降低駕駛員和乘客的舒適度，造成駕駛員疲勞。因此，發(fā)動機艙設(shè)計要考慮到發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中的隔音問題。

主流的布置方法是采用發(fā)動機艙隔音隔熱板，隔音隔熱板采用多層結(jié)構(gòu)，中間為厚玻璃棉，玻璃棉兩端為樹脂板[2-3]。隔音隔熱板的駕駛區(qū)側(cè)采用薄鋼板，發(fā)動機側(cè)采用多孔板，孔的面積總和應(yīng)不小于總面積的25%。隔音隔熱板具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)動機艙隔音隔熱板剖面圖

車輛發(fā)動機艙布置還要兼顧安全性。發(fā)動機是汽車的動力源，其運轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生高溫和高壓，如果發(fā)動機艙不具備足夠的安全措施，可能會引發(fā)火災(zāi)或其他意外事故。因此，發(fā)動機艙應(yīng)該采用耐高溫材料，并且配備火災(zāi)報警和滅火系統(tǒng)，以確保車輛在發(fā)動機故障或事故發(fā)生時能夠及時采取相應(yīng)的安全措施。

2.2 冷卻系統(tǒng)的布置設(shè)計

正確設(shè)計發(fā)動機冷卻系統(tǒng)是確保發(fā)動機正常運行的關(guān)鍵因素之一。良好的冷卻系統(tǒng)可以有效地控制發(fā)動機的溫度，防止過熱和損壞。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)包含發(fā)動機本體的水道、水泵、節(jié)溫器等部件和發(fā)動機外部的散熱器、膨脹水箱、管道等部件，因農(nóng)用車輛的發(fā)動機總成通常是外購成熟的機型，本文只探討發(fā)動機外部的冷卻系統(tǒng)部件布置設(shè)計[4-6]。

在冷卻系統(tǒng)布置設(shè)計過程中，需要考慮多個因素，包括發(fā)動機的類型、尺寸，發(fā)動機艙的空間結(jié)構(gòu)以及車輛的使用環(huán)境和工作條件等。

2.2.1膨脹水箱的布置設(shè)計

膨脹水箱又稱副水箱，是農(nóng)用車輛發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中的一個重要部件，它主要承擔著調(diào)節(jié)發(fā)動機冷卻液體積變化的作用，維持冷卻系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定。

1）膨脹水箱的高度確定。膨脹水箱的位置可以根據(jù)車身的情況進行變動，膨脹水箱與散熱器和發(fā)動機水道通過冷卻水管連接，冷卻水管一般為軟管。

需要確保膨脹水箱底面高度高于散熱器上水室的上平面和發(fā)動機的出水口平面，如圖2 所示。其中，A 為散熱器上水室的上平面，B 為發(fā)動機的出水口平面。因此，在膨脹水箱的位置確定上，要充分考慮發(fā)動機和散熱器的高度，結(jié)合發(fā)動機艙的空間和后期維修保養(yǎng)人員添加冷卻液的便利性，進行綜合考慮和合理布置。

圖2 膨脹水箱布置

2）膨脹水箱的尺寸設(shè)計。膨脹水箱的尺寸確定主要考慮兩點：一是膨脹水箱的整體尺寸，體現(xiàn)為膨脹水箱的容量；二是膨脹空間，因發(fā)動機冷卻液受熱會膨脹，體積增大，需要設(shè)置一個空間來容納這部分膨脹的冷卻液體。膨脹水箱的整體尺寸需根據(jù)發(fā)動機艙空間和位置來設(shè)計，膨脹水箱的膨脹空間則需根據(jù)冷卻液的整體容量來考慮，具體如下：膨脹水箱容量為全部冷卻液容量的15%以上，膨脹空間容量為全部冷卻液容量的5%以上。

其中，全部冷卻液容量為發(fā)動機中、水箱中和管路中冷卻液的總和。

2.2.2 散熱器通風道的設(shè)計

散熱器通風道用于引導(dǎo)空氣流動，通過空氣對流來給發(fā)動機散熱器降溫，以達到散熱效果。當汽車行駛時，氣流從車頭流入，經(jīng)過散熱器格柵帶走熱量，然后從車尾排出。散熱器通風道的進風窗口在車身前圍，其有效總面積應(yīng)大于水箱芯的正投影面積。進風窗口應(yīng)覆以鐵絲網(wǎng)格或格柵，以防止雜物被吸進。對于格柵式窗口，其格柵葉片可以向后，如圖3所示。出風窗口在車身的后圍，其有效面積應(yīng)與進風窗口相似。

圖3 格柵式進風窗示意圖

通風道側(cè)板和底板使進風得以導(dǎo)流，保證氣流平穩(wěn)地進入。通風道由內(nèi)側(cè)板、頂部隔板、底部隔板構(gòu)成，冷卻系統(tǒng)通風道及隔板如圖4 所示。內(nèi)側(cè)板應(yīng)設(shè)計成可卸式結(jié)構(gòu)，當維修發(fā)動機時可將它移開。同時，為方便觀察發(fā)動機，隔板上還需有一個觀察孔。通風道下方的隔板應(yīng)防止發(fā)動機附近的熱氣竄入通風道。

圖4 冷卻系統(tǒng)通風道及隔板

在排氣消聲器與水箱位于同一側(cè)的情況下，消聲器上方應(yīng)設(shè)置隔熱板以阻止其熱量進入發(fā)動機艙。為防止發(fā)動機和水箱后的熱氣回流到進風道，應(yīng)在水箱周圍裝上泡沫或橡膠密封圈。

2.3 進氣系統(tǒng)設(shè)計

車輛進氣系統(tǒng)對于車輛的性能和燃油燃燒效率有著直接的影響。良好的進氣系統(tǒng)可以提供更多的空氣流量，從而增加發(fā)動機的功率和扭矩輸出。此外，它還可以提升燃油的燃燒效率，從而提高燃油經(jīng)濟性。發(fā)動機進氣系統(tǒng)的外部部件包括進氣導(dǎo)管、進氣管、過渡進氣室、空氣濾清器、固定夾箍等。

為使發(fā)動機能吸入清潔的空氣，車輛進氣口應(yīng)設(shè)計在車身的頂部或上部，離地高度在1 600 mm以上，進氣系統(tǒng)管路安裝如圖5所示。

圖5 進氣系統(tǒng)管路安裝圖

為避免進氣口的水直接進入空氣濾清器，應(yīng)設(shè)計一個過渡的進氣室，位于上部進氣導(dǎo)管和空氣濾清器之間，位置如圖5 所示?？諝鉃V清器應(yīng)安裝在車架上方，以免汽車涉水時，水從排泄閥進入空氣濾清器。

進氣管直徑不小于130 mm，以降低進氣噪聲，避免共振。進氣管不要有急轉(zhuǎn)彎，同時用吸聲材料包裹。進氣導(dǎo)管與各連接件連接處用夾箍夾緊，使灰塵和水不能進入。夾箍要用平板式夾箍，不要使用鋼絲夾箍，夾箍在固定時位置要正，不能夾在硬管的卷邊上。為確保軟管與硬管連接可靠，硬管應(yīng)使用帶卷邊的管，同時軟管的插入量要在50 mm 以上。所有導(dǎo)管及過渡進氣室必須牢固地固定在車身上。

農(nóng)機發(fā)動機目前多為渦輪增壓發(fā)動機，中冷器是常規(guī)部件，當中冷器與水箱安裝在一起時，應(yīng)用密封橡膠堵塞中冷器與水箱之間的縫隙，以防止熱空氣從發(fā)動機艙進入，防止吸入灰塵使中冷器和水箱的散熱葉片變臟[7-8]。

2.4 排氣系統(tǒng)設(shè)計

農(nóng)用車輛排氣系統(tǒng)包含排氣管、消聲器、排氣波紋管等部件。因發(fā)動機的排氣溫度較高，橡膠材質(zhì)的軟管無法抵抗高溫，與進氣系統(tǒng)不同，排氣系統(tǒng)中的管路均采用金屬材質(zhì)。在車輛運行過程中，發(fā)動機的振動、擺動、前后竄動會使排氣管受到相當大的力，金屬材質(zhì)的管路彈性變形小，排氣管和消聲器容易損壞[9]。因此，發(fā)動機排氣口與排氣管的連接，均設(shè)置金屬撓性管，即排氣波紋管。排氣系統(tǒng)布置設(shè)計需遵守以下要求：1）排氣管和消聲器周圍溫度很高，距離排氣管和消聲器邊緣0～300 mm 位置，其溫度梯度可達100 ℃～220 ℃。因此，排氣管和消聲器的周圍200 mm 內(nèi)盡可能少裝總成件，尤其是溫度對其性能影響較大的總成，如橡膠件、電器、液壓、氣壓等方面的總成。2）在裝配緊固排氣系統(tǒng)前，先預(yù)裝整個排氣系統(tǒng)，然后再擰緊全部螺栓。排氣管支架有軟墊與車架連接，軟墊壓縮2 mm～3 mm 后再用開口銷固定，排氣管道安裝要求如圖6 所示。3）因排氣管和消聲器皆采用金屬材質(zhì)，幾乎無變形量?？紤]后期的維護維修，排氣管和消聲器的固定位置應(yīng)留有足夠的拆卸、安裝空間。4）對于排氣系統(tǒng)與水箱位于同一側(cè)的底盤，則應(yīng)在排氣管和消聲器上方裝隔熱板。

圖6 排氣管道安裝要求

3 農(nóng)用車輛發(fā)動機總成未來的設(shè)計方向

農(nóng)用車輛發(fā)動機總成未來的設(shè)計方向?qū)⑹艿郊夹g(shù)創(chuàng)新、環(huán)保法規(guī)和農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢的影響。具體內(nèi)容如下：1）智能化和自動化。未來智能化和自動化技術(shù)將更多地融入農(nóng)機發(fā)動機布置設(shè)計中。這包括自動化控制系統(tǒng)、遠程監(jiān)控和自主駕駛功能，以提高農(nóng)機的效率和生產(chǎn)力[10]。2）綠色和可維護性。未來的設(shè)計將注重綠色制造和可維護性，以降低廢物產(chǎn)生量，并延長發(fā)動機壽命。更嚴格的排放法規(guī)將推動農(nóng)機發(fā)動機布置設(shè)計朝著更清潔的方向發(fā)展，包括更高效的排氣處理技術(shù)和燃燒控制策略。3）輕量化設(shè)計。輕量化材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計將在未來的農(nóng)機發(fā)動機總成中發(fā)揮更大作用，以降低重量、提高燃油經(jīng)濟性和減少環(huán)境影響。4）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和精準農(nóng)業(yè)。發(fā)動機布置設(shè)計將更多地支持BDS 和精準農(nóng)業(yè)技術(shù)，以幫助農(nóng)民更有效地管理土地和作物。5）電動化和混合動力。隨著電動汽車技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)機領(lǐng)域也將趨向于動力系統(tǒng)電動化或混合化。電動發(fā)動機可以提供高扭矩和低排放，有望減少農(nóng)機對環(huán)境的影響。未來的農(nóng)機發(fā)動機總成設(shè)計將需要綜合考慮這些因素，以滿足不斷變化的技術(shù)、環(huán)保和市場需求。創(chuàng)新、合作和可持續(xù)性將成為未來農(nóng)機發(fā)動機設(shè)計的關(guān)鍵方向。

4 結(jié)語

農(nóng)用車輛發(fā)動機總成設(shè)計安裝復(fù)雜而關(guān)鍵。通過遵循設(shè)計原則、采用優(yōu)化方法和了解其對性能的影響，深入探討新技術(shù)在發(fā)動機總成設(shè)計與布置中的應(yīng)用，才能夠確保農(nóng)用車輛發(fā)動機總成的性能、可靠性和使用壽命。加強對農(nóng)用車輛發(fā)動機總成設(shè)計的研究和實踐，才能滿足農(nóng)業(yè)對農(nóng)業(yè)機械的需求，提升農(nóng)機裝備水平，推動農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展。