工程机械冷却系统探究

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0引言

发动机在工作中产生大量的热，影响其性能，因此，运行中的发动机必须适当冷却，以确保其保持良好的性能。如果冷却不充分，气缸会因为充气量不足无法正常燃烧，进而导致各零部件因润滑不充分而严重磨损，最终降低发动机功率。如果过度冷却，发动机热能会大量损耗，只有一部分热量转换成有用功，原本已汽化的燃油会再度凝结然后流到曲轴箱内，不仅造成燃油损耗增加，还可能导致润滑油被稀释而降低润滑度，导致各零部件严重磨损，最终就会降低发动机功率。鉴于此，发动机的冷却既不能过高也不能过低，最适宜的程度是使其能够冷却到最佳工作温度350～360K，但是这主要取决于冷却介质的温度，总之只要冷却后不超过正常工作温度范围，都能保证其有良好的工作性能。一般来说，发动机冷却介质主要包括水冷却系统和风冷却系统两大类。水冷却系统是用水为发动机高温零件降温，使其热量散入大气的一系列装置。而风冷却系统则是直接将发动机高温零件的热量散入大气，由此达到降温的目的。从装配和维修上看，风冷系统比水冷系统装配更简单，维修更快捷，但是对空气温差不敏感，冷却效果差，而且工作噪声大，功率消耗较高。所以风冷系统目前多用于小排量发动机，除此以外的大多数类型的汽车发动机都采用水冷系统。

1当前工程机械冷却系统存在的问题

工程机械冷却问题尤为严重，工程机械所处环境恶劣，设备在运行时都会发热，如果无法快速散热，可能因为发动机过热导致设备出现各种故障，最后不得不停机检修，既影响正常工作进度，又要花费一笔维修费用。如果发动机长时间保持小负荷高速运转，冷却能力严重过剩，热量大量散失，就会出现预热缓慢的问题，从而导致燃油浪费、零部件磨损加剧等。当前，我国发动机制造领域中冷却风扇驱动仍以传统驱动方式为主。按照传统的驱动方式，发动机曲轴连接V型皮带，以定传动比的形式带动水泵和冷却风扇一起运转，冷却水的热量随着冷却空气通过散热器散入大气（如目前这种冷却系统在我国工程机械领域应用十分普遍。发动机的最大热负荷工况决定了该系统的冷却能力。严格来讲，这种冷却系统风扇功耗较特别大，一般占发动机总功率的5~12%，属于比较大的附件损失。其次，如果冷却水温太低，会在一定程度上提高发动机油耗量。假设发动机冷却水温为90℃，燃油消耗率比在50℃时就会提高10个百分点。而且冷却能力只能根据发动机转速进行适当调节，发动机本身不能根据热量大小来自动调节冷却能力，因此当发动机低负荷运转时，冷却能力往往达不到散热需要，常常出现机身过热的状况；当在高速运转或在中小负荷条件下运转时，发动机往往能快速冷却，甚至出现冷却过剩的状况，进而导致发动机在启动过程中，因传热系统热损失较大而造成机身预热缓慢，结果白白浪费一部分燃油。再者，传统冷却系统中最大热负荷工况设计决定了发动机的冷却能力，因此系统还存在启动转矩较大、预热缓慢、能耗量高等设计缺陷。除此之外，传统冷却系统不仅负担着为发动机降温的任务，还要为工程机械传动系统和液力举升以及转向系统液压油散热降温，在高强度散热工况之下，传统冷却方式风扇的装配位置难以确定，并且会妨碍散热器的安装。

2液压驱动风扇控制系统设计方案

液压驱动风扇控制系统原理。①发动机冷却系统采用先导式电液比例溢流阀，通过比例调压回路按比例调节冷却压力，系统在此起到可控节流阀的作用，当比例溢流阀12的输入电信号为零时，可以使系统卸荷。②回油路中增加了一个背压阀6，通过调节该背压阀可以在液压马达进油腔内形成附加压力，以确保在负值负载条件下，液压马达进油腔内始终有一定的压力，从而防止腔内出现真空。另外，背压阀6会产生一种具有限速功能的阻尼力，它能抑制运动部件振动，以确保机身稳定运行。③液压驱动油路中的安全阀13具有限压功能。通常情况下它是闭锁的。当系统压力大于其额定压力时，它会自动打开使油液回流到油箱内，通过平衡系统压力避免液压系统超负荷运行。④发动机连续运转时，根据实际工况确定原散热系统发动机的散热量、液压系统的散热量，据此确定散热风扇的运行参数（如转速、通风量等），再在新的冷却系统中对风扇的转速扭矩进行修正，基于调整后的运行参数挑选合适的风扇马达、齿轮泵和电磁比例溢流阀。⑤设计微控单元ECU。冷却液温度传感器向微控单元ECU传输温度信号，该微控单元随即按照电磁比例溢流阀可识别的格式进行信号转换后再传给溢流阀。冷却液在80~95℃之间的温度条件下达到最佳工况。如果高于这个温度区间，比例溢流阀会在微控单元ECU的控制下减少溢流量，从而使液压马达的液压油流量开始增加，继而开启液压风扇马达。随着温度的继续升高，进一步控制溢流量，液压马达的液压油流量持续增大，驱动风扇马达不断加快运转，从而增大散热量，达到快速冷却的目的。当冷却液的温度降低到80℃以下，微控单元ECU会控制溢流阀全开，使液压油倒流进入油箱，没有流向液压马达的流量，所以风扇马达和水泵停止转动，从而降低冷却强度。⑥装机试车。首先将发动机冷却系统和液压冷却系统安装就位，检验该系统的冷却控制性能，处理好筑路作业中的各种状况，并分析其运行参数，对个别环节进行优化调整，以确保冷却系统的散热量达到机械运行要求。

3结论

使用原冷却系统冷却液温度在10min达到66℃，此后水温便不再升高，要达到80~95℃的最佳工作温度需要很长的时间。根据运行要求对冷却系统做了调整之后，冷却液升温预热时间比原来缩短了一半，水温很快就能升高到80~95℃，冷却系统在最佳工作温度下运行，不仅耗油少，重点是能防止发动机过热，从而使之始终保持着最佳工况，达到了经济、高效的运行要求。

作者：张连永 单位：济宁技师学院