冷却系统对农用柴油机经济性能的影响及改进措施
时间：2022-09-10 03:46:43
摘要：四冲程柴油机广泛应用于农业机械工作，但冷却系统设计的缺陷、工作条件的恶劣等因素会影响柴油发动机的经济性能。对柴油发动机的冷却系统进行技术改进，采用电控蜡式调温器代替普通蜡式调温器、采用电控硅油离合器的轴流式风机代替直接驱动风机、采用冷却腔分流式冷却设计、采用纳米流体等措施，能够有效地提高柴油机的经济性能。
关键词：柴油机；冷却系统；经济性能；改进措施
中图分类号：U464.172 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）08-1943-04
中国是一个农业大国，四冲程柴油机因其动力大、适用范围广、可靠性好、使用方便等优点被广泛用于农业机械领域，如拖拉机、柴油发电机组等。农业机械的持续工作时间长是其工作特点之一，如农用灌溉柴油发动机经常会持续工作300～400 h，因此必须保证其工作可靠性，提高发动机的动力性、经济性[1]。冷却系统作为柴油发动机的重要组成部分，其作用效果不仅影响柴油机工作的可靠性，更直接影响其经济性能。
四冲程柴油机通过空气与燃料在气缸内部的混合、燃烧，把燃料的化学能转变为热能，推动曲柄连杆机构运动，向外输出扭矩，并把废气排入大气中。在此过程中，有相当一部分热量通过气缸壁传给冷却系统，由冷却水循环向周围的环境散热。常见的柴油机冷却系统由冷却水泵、发动机冷却腔、调温器、散热水箱、冷却风扇等组成。当冷却效果良好，柴油机能够运行在最佳工作温度时，发动机气缸内吸进的新鲜空气量充足，喷入气缸的燃油能与涡动的空气充分混合并完全燃烧，输出最高动力；各部件受热均匀，变形小；各相对运动部件间的间隙符合设计要求，油的性能得到充分的发挥，油不易变质，相对运动部件的磨损降低；排出的废气中对大气环境污染的成分减少。
衡量现代柴油发动机运行的经济性能，除了指示耗油率、有效耗油率、指示效率、有效效率等经济性能指标，还必须考虑在运行过程中各相对运行部件的过度磨损导致的零件损坏的损失，工作恶劣导致油提前变质而缩短使用周期的损失，发动机在工作过程中因不完全燃烧生成的HC、NOx、SO2、C等污染物造成对机件的腐蚀破坏，排放废气造成对环境的污染等。无论是经济性能指标，还是发动机在运行过程中引发的各种损失，都直接与发动机的冷却效果有关。发动机的冷却系统水温过低，容易增加废气排放，加剧零部件磨损，减小功率输出，缩短发动机的使用寿命及增加使用费用；水温过高同样会引起发动机新的磨损[2]。张铁柱等[3]对水冷式柴油机最佳冷却水工作温度的试验研究表明，WD615.67柴油机全工况最佳冷却水工作温度为86.3 ℃。有研究表明，当冷却水温度从80 ℃降到30 ℃时，零件的磨损速度会增加1～2倍[4]。
1 发动机冷却系统对经济性能的影响
在正常运行状态下，冷却水温度维持在80～90 ℃，发动机的经济指标比较高。由于农用柴油机的工作受环境影响比较大，工作条件比较恶劣，对冷却水的循环路径及冷却强度的调节一般使用机械的调节方法，无法及时地根据发动机的热负荷调整发动机冷却效果，造成发动机的运行功率不能充分发挥、额外损失大；另外，使用者的操作不当，导致冷却系统无法真正发挥其功能，进一步恶化发动机工作条件，增加柴油机的额外损失，甚至影响到发动机工作的可靠性。冷却系统对发动机的影响主要表现在以下几个方面。
采用传统的石蜡型节温器改变发动机的冷却水流动途径，对柴油发动机冷却效果有一定的调节作用，可以实现发动机在冷却水水温86 ℃时，进行大循环运行。但是这种调节方式不能及时反映柴油机负荷的变化对冷却的要求，容易导致冷却需求偏离设计的标准，如在低温条件下，滞后反应使柴油发动机的散热过多，效果变差，磨损加剧；影响油气混合物的形成，燃烧过程产生的不完全燃烧产物又加剧磨损，污染环境。
采用直接驱动轴流式风机也无法使冷却效果达到最佳。由柴油机曲轴前端的皮带轮带动轴流式风机运转，风机的转速随着发动机转速的变化而变化，发动机转速高，轴流式风机的转速高，增加散热器的冷却效果。但在环境温度低的条件下，散热器本身具有足够的散热能力，轴流式风机的高速运转进一步加强了散热器的冷却效果，使冷却水温度更低，带走了更多的热量。一方面因曲轴皮带轮通过皮带直接驱动风机运转，消耗部分发动机的输出扭矩；另一方面因发动机的热损失加大，影响发动机的有效功率；另外，因燃烧产生的酸性氧化物在低温下与进入气缸的空气中水分结合生成无机酸，会对气缸造成腐蚀。
柴油机采用的湿式缸套悬挂在气缸体上，受发动机运转时活塞往复运动产生的侧向力影响，悬挂的气缸产生高频的振动；发动机的冷却腔设计、制造不当，容易使冷却腔内水流动的过程产生涡流现象；两者共同作用的结果易在冷却腔中形成低压区和高压区。因此在冷却腔的低压区容易产生气泡，高压区的气泡被压破产生极高的流速冲刷气缸套。张升明[5]研究有关柴油机缸套穴蚀后认为：在某种情况下，压力可达678 MPa，以超音速的速度冲向气缸套外侧。长期受极大冲击力的作用，气缸套的局部表面因疲劳剥落，容易形成穴蚀现象，严重时会引起气缸套的穿孔而失效。
1.2 工作条件恶劣，影响柴油发动机的经济性能
农用柴油机大多工作在田间、乡村道路等，空气中的灰尘多，尤其是拖动插秧机、收割机的柴油机，冷却水箱外侧、轴流式风机的风叶上容易附着泥土。风叶上的泥土不仅会造成受重不平衡增加额外负荷，还会影响散热效果；散热器上的泥土会降低热交换的效果，使发动机的气缸等机件因积聚过多的热量，导致温度过高。而温度过高会导致机件的热变形，破坏原有相对运动机件配合的间隙；油受温度高的影响容易变质，缩短使用寿命；油黏度变低，效果变差，导致摩擦力增大，磨损加剧；吸进气缸内的空气受温度的影响，密度减小，进气量少，进一步恶化燃烧过程，产生的残碳会增加磨损，产生超标的HC、CO、NOx、SO2等废气从而污染环境。
1.3 管理使用不当，影响柴油发动机的经济性能
农用机械的使用对象大部分是农民，由于受文化水平的限制，对柴油机的运行特性缺乏认识，往往只满足于发动机能运行即可，而对于发动机的工作性能、经济性能、排污影响等要求没有引起足够的重视。曾有柴油机的管理者因冷却水温度低而将发动机的节温器拆下来，最终导致发动机拉缸、活塞烧熔，因管理者使用不当引起的事故时有发生（图1）[6]。而将农田里的泥水直接添加到发动机的冷却系统中更是普遍现象，由于泥水中含有大量的Ca2+、Mg2+等杂质，这些杂质不仅在高温下能形成坚硬的水垢附着在冷却水流通管路内壁，减少流通面积，而且水垢的传热系数只有金属的1/30～1/15，严重阻碍了内部冷却水与外部空气间的热交换，使热量无法及时散发到大气中而导致温度上升，影响活塞与气缸内壁油膜的形成，破坏了原来活塞与气缸间的密封性，增加磨损。另外，由于泥水中含有O2、Cl-等，容易与气缸套中的Fe产生极化反应和电化学腐蚀，形成穴蚀，导致气缸套的失效。
提高柴油发动机的经济性能，不仅要提高发动机的有效功率，减少发动机的有效耗油率，还要减少发动机在各种负荷情况下的额外损失，减少对环境的污染。通过采用新型的冷却技术，对冷却系统进行改进，改善冷却系统的冷却性能，有利于提高能源的利用率，减少污染物的排出，获得良好的经济效益。
2.1 冷却系统调温器的改进
2.1.1 采用电控调温器的模糊控制技术代替原有的调温器 对发动机冷却水温度等实施实时监测，将水温等信号转变为电信号经发动机ECU处理后，控制电子调温器电磁线圈的供电情况，及时、准确地获得与发动机冷却水温度要求相匹配的阀门开度，控制冷却系统的水流循环途径；适时启动、关闭电动风机及改变风机转速，改善冷却强度，使发动机获得良好的燃烧性能，提高能源的利用率。周天翼等[7]模糊控制系统的实机试验结果表明，设定控制温度为90 ℃、环境温度为15 ℃时，冷却水温度为（90±4） ℃，可获得良好的控制精度。高镜惠等[8]、邓飞等[9]对发动机冷却系统的模糊控制研究认为：冷却系统智能控制装置实现了散热能力控制的智能化，可以精确自动地调节冷却水的温度，把发动机的工作温度限制在最佳阶段，延长了使用寿命，提高了工作效率，减少了故障率。该控制系统可根据车辆的行驶速度、发动机的冷却水温度来综合控制冷却系统，从而达到减少电耗、减少油耗的效果。具有性能稳定、工作可靠、节能潜力大等优点。
2.1.2 采用电控蜡式调温器代替普通蜡式调温器 改变普通蜡式调温器的温度-升程曲线固定不变的状况，以获得能根据发动机负荷、转速等因素灵活控制的温度-升程曲线。通过在普通蜡式调温器的感应体中嵌入电控加温元件，采用发动机ECU对冷却水温度等参数检测、处理后，按原先设置在发动机ECU内的温控MAP图，输出信号控制电控加温器的端电压，使石蜡融化的过程不再是以发动机的冷却水温度为主导，大大提高调温阀门的动作灵敏度。如德国贝洱公司研发的电控蜡式调温器，可以根据发动机负荷、转速、水温高低要求，由发动机ECU自动实现对加温器两端电压的控制，使其在0、4、9、12 V的范围内变化，电控蜡式调温器的反应时间由普通蜡式调温器的4.38 s缩短到1.16 s，从而提前达到最佳工况，减少损失[10]。
2.2 采用电控硅油离合器的轴流式风机代替直接驱动风机
电控硅油离合器是在双金属硅油离合器的基础上增加电磁感应线圈、转速传感器等。用电磁阀代替双金属阀，电磁阀的开闭程度受电控感应线圈控制，感应线圈由发动机的ECU根据发动机的水温、气温、转速、负荷等信息综合后发出控制指令；用于传递扭矩的介质是硅油，一旦受控的电磁阀打开，储油腔的硅油通过电磁阀进入工作腔，工作腔中的硅油由于受离心力的作用，靠近外边缘硅油的压力高，从回油孔流回储油腔，形成储油腔—电磁阀—工作腔—回油孔—储油腔流动的油路循环。ECU根据柴油机的冷却水温度等具体要求控制电磁阀的开度，即可控制进入工作腔的硅油量，使风机的转速发生相应的变化；只要电磁阀关闭，离合器的工作腔没有硅油，离合器即处于分离状态，风机停止工作。采用电控硅油离合器风机可以实现无级调速的目标；且由于不需要连续工作，与直接驱动的风机相比能够使柴油机负荷与冷却效果获得最佳的匹配，可节油约4.2%。3种驱动散热风机的性能如表1所示。
2.3 采用电控电动水泵代替直接驱动水泵
采用电控阀门和电控水泵取代传统的节温器和直驱水泵。改变水泵直接受发动机驱动的限制，冷却系统效能不仅受发动机转速控制，还受到发动机的散热损失等影响。通过发动机电控单元对发动机温度进行实时监测，对冷却水流量及在不同回路中的流量分配进行精确控制，满足不同工况下发动机的冷却要求，使发动机冷启动时间缩短，不同工况下发动机工作温度波动小、工作效率高。张钊等[11]对发动机电控冷却系统研究认为：与传统冷却系统冷却方式相比，解除水泵与主轴间的耦合关系，通过精确控制水泵转速及电控阀门开度，在满足发动机冷却需要的同时，使冷却水循环流量降到最小，使水泵平均功耗由1.50 kW降低至0.56 kW；发动机水温在效率最高点小幅波动，从而有助于降低燃油消耗率和有害气体的排放。
2.4 采用发动机冷却腔分流式冷却设计
柴油发动机理想的工作状态是气缸盖温度低于气缸套温度，较低的缸盖温度有利于气缸吸气和改善排放；较高的气缸套温度有利于油膜的形成，降低磨损。通过对发动机冷却腔结构进行改进，采用分流式冷却设计，可以分别使气缸盖和气缸套获得合理的冷却水流量、压力和流场分布。
气缸盖底部喷油器孔与进、排气阀座孔间是热负荷最大的部位，必须优先得到有效的冷却保证，可以在气缸盖的冷却腔中设置一块带孔的隔板，这样在气缸盖的冷却腔下部采用“横流水”设计以利于对高热负荷部位的冷却；在冷却腔的上部采用“纵流水”设计以利于减少流动阻力。对于进入气缸套冷却腔的水流进口设计为切向倾斜，有利于形成环绕圆周方向的流动，使气缸套周围的水流速度增大，提高换热系数。成晓北等[12]认为采用分流式冷却方案，能够获得较高的气缸体温度，使油耗降低4%～6%，在部分负荷时HC排放降低20%～35%。
2.5 冷却系统中冷却介质传热性能的改善
随着发动机的动力性能不断提高，传统的纯水、水与乙二醇混合液等冷却介质的传热性能已不能满足新的技术要求，寻找新型冷却介质备受各国关注。纳米流体是以一定方式和比例在液体中添加纳米粒子而形成的一种均匀、稳定、高热导率的新型传热介质，如氧化铝+水+乙二醇、铜+水等纳米流体。由于传热效果好，可以把发动机散热系统设计得更加紧凑；能在低压下运行及在较高温度下能保持单相流动，减少热损失，提高热效率。王玮[13]通过对纳米流体（氧化铝+水+乙二醇）研究发现，对流换热系数能提升20%～25%；搭建的车用散热系统使用60 nm的纳米流体，在冷却条件最恶劣的情况下，可将水箱的平均温度降低5 ℃，空气出口温度下降7.9 ℃，能防止水箱的“开锅”发生，又能有效地改善发动机舱的换热。高玉国等[14]等研究发现，采用纳米流体的发动机冷却系统可使重型汽车的冷却系统的尺寸和重量减少10%，这将增加大于5%的燃烧效率；而减少的空气流动阻力、减少冷却介质的流动损失及驱动风扇的损失，可节省约10%的油耗。
3 加强培训宣传，提高对柴油机经济性能的认识
柴油机的动力性能能否得到合理的发挥、经济性能的好坏、废气污染物排放量的高低，很大部分还取决于柴油机的使用。通过专业技能的培训和相关政策、法规的宣传，让广大农民对四冲程柴油机的构造、工作原理、工作性能的影响因素、使用方法、日常维护保养的重要性等有比较清楚的认识。就冷却系统而言，散热器肋片的检查、散热器盖的密封性对冷却系统的影响、水垢的形成与影响、风扇叶片的检查、冷却水温度对发动机工作的影响等都是专业技能培训的内容，使广大使用者认识到冷却系统对维持发动机正常工作、提高发动机经济性能、减少污染排放的重要性，在使用发动机过程中，自觉主动地按规范要求操作，提高柴油机的经济性能。
4 小结
随着我国农业机械化程度不断提高，农业机械柴油机的需求量和保有量日益增多，提高农用柴油机的经济性能迫在眉睫。冷却系统对柴油发动机的使用性能、经济性能、废气排放有着直接的影响，通过采用电控蜡式调温器代替普通蜡式调温器、采用电控硅油离合器的轴流式风机代替直接驱动风机、采用冷却腔分流式冷却设计、采用纳米流体等技术改进，使冷却效果与柴油机的工作性能更好地匹配，在工作过程中充分发挥柴油机的动力、减少废气排放，能够有效地提高柴油机的经济性能。另外，必须注重加强培训宣传，提高广大使用者的专业技能以及对柴油机经济性能的认识。
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