铺路机械冷却系统现状及发展趋势 - 文章

铺路机械冷却系统现状及发展趋势

作者：山东农业大学刘永进郭新民付旭光

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内燃机工作时，缸内燃油燃烧所产生的热量只有一部分转化为有效功，其余大部分则损失掉，其中需要靠冷却带走的热量占燃油总热量的1/3左右。燃油雾化混合物在汽缸内燃烧过程中温度高达 1000-2000度，直接与高温气体接触的机件(如气门、汽缸壁、活塞及汽缸盖等)，由于吸收了大量的热，温度迅速升高。这么大的一部分热量，单靠自然散热远远不能满足散热要求，特别是像铺路机械，经常处于低转速高负荷工况下工作，冷却系统设计的合理与否会很大程度上影响其工作及寿命。

如果铺路机械冷却不足会造成:(一)机械的发动机经常在过高温度下工作，活塞刚度和强度会下降，容易发生变形或是折断;(二)由于温度的过高而造成的润滑油烧蚀，最终会导致润滑系统工作不良，使元件之间发生干摩擦，降低了发动机的寿命;(三)造成了燃油的不正常燃烧，产生发动机的爆燃或早燃;(四)过高的温度还会造成发动机充气系数的降低，从而降低输出功率;(五)由于铺路机械是由液压传动，如果温度过高更会使液压油过稀进而造成不合理传动，严重甚至会液压油泄漏，污染环境。

而冷却过度同样也是不利的，过度的冷却会造成:(一)过多的热量被冷却液带走，那么做功的热量减小从而使内燃机功率输出减小，动力输出不足;(二)冷却过度会使燃油雾化不良，还会使已雾化了的燃油结成颗粒状液体，并顺气缸壁流入曲轴箱。这样不仅会增加燃料消耗、尾气排放，而且进入曲轴箱的燃料还会使润滑油稀释，润滑性能下降，同时还会加大冷态摩擦产生的噪声;(三)柴油机的水温太低的结果使发动机零件的磨损增加。

因此铺路机械的设计中冷却系统的设计是一个非常重要的环节。

国内的铺路机械一直采用发动机直接驱动的冷却系统进行散热，这种冷却系统的冷却能力根据发动机的最大热负荷工况设计，其缺点是风扇耗能特别大，据文献[4]介绍，冷却风扇消耗的功率与其转速的三次方正成比，一般冷却风扇的功率消耗占发动机有效功率的5%~12%，在发动机的附件损失中占第一位。另外，过低的冷却水温，将使发动机的油耗增加。据文献[5]介绍，当发动机冷却水温从90 ℃降到50℃时，燃油消耗率将增加10%左右，而且冷却能力不能随发动机的散热需要而自动调节，在发动机低速大负荷工作时冷却能力不足，经常出现过热现象，而在高速、中小负荷工作时，则冷却能力严重过剩，使发动机预热缓慢，传热损失太多，造成燃油的大量浪费。而且散热器的安装位置受风扇驱动方式的限制，传统散热器的安装方式如图1所示。

这种并置式的设计可以利用一个冷却系统来同时完成发动机和液压油的冷却，尽而可以达到简化设计的目的。但是，这种设计存在着不足之处，从图中的散热装置可以看出，外界冷空气是经过液压油的散热器后再流经发动机散热器，这就使得冷却空气的流动阻力增加，降低了冷却空气与散热器中的冷却液的热交换速度，不仅增加了发动机的功率消耗，还不能满足铺路机械的散热要求，因此机械经过长时间的工作后，容易造成冷却水的沸腾而不得不暂停工作。而一旦铺路机械不能工作，势必会迫使整个工序上的后延，降低了工作效率而且还会造成劳动力的极大浪费。

国内的载重车辆曾采用离合器式风扇，具有一定的节能效果，但是风扇的驱动方式没有改变，散热器安装位置仍然受限，所以上面提及的风扇低效高耗能、散热能力差的问题仍无法解决。

总之，传统的冷却方式使以下两个问题不能解决:(一)风扇与散热器风罩的径向间隙太大(不能小于20mm)，使风扇的容积效率降低，这是造成风扇低效高耗的主要原因。(二)其他系统的散热器必须与发动机的散热器安装在一起，使冷却空气流动阻力增大，散热效果明显变差。

在1981年3月的美国专利文件中(专利号US4257554)，首次提出了用电动冷却风扇取代皮带驱动的冷却风扇，根据发动机温度和负荷情况的不同，实现风扇运转速度的变化，避免了发动机驱动冷却风扇的功率损失，缩短了发动机的预热时间，减少传热损失。然而，该项专利技术由于没有采用护风罩，降低了风机的容积效率，同时引起风机总效率的降低，最终只能应用在热负荷比较小的轿车散热器上。

1985年，德国大众汽车公司在中国申请了发明专利(专利号CN851095/A)。该项专利在汽车散热器前方设置了空气吸入口和辅助通口，加快了散热器的冷却速度，减少了电动风扇的电能消耗。但辅助通风口从下向上吸入冷却空气，很容易将道路上的尘土、杂物吸入，造成散热器脏污和堵塞，使散热器的散热效率降低。

1994年，台湾裕隆公司也就冷却系统的更新申请了专利(专利号94119819)，该公司提出了在冷却系统中装置可调转速电动水泵的设计。以反馈控制水泵冷却液流量，其主要是根据水温、节气门位置、车速等的传感器所传给ECU(微处理器)的信号，以反馈控制的方式，调整电动水泵的转速，使得发动机水套中流动的冷却液流量能随着不同的驾驶状况而作调整，保持发动机的正常温度，以减少HC污染的排放。

同时，在90年代日、美等发达国家推出了采用电液比例控制液力驱动冷却风扇，丰田凌志 (Lexus)ES300轿车和亚洲龙(Avalon)轿车所采用的IMz—FE型发动机，以及丰田佳美(Camry)轿车采用的3Vz—FE发动机，都应用了电液比例技术控制发动机冷却风扇系统，能根据冷却水温度、环境温度及通风量自动连续调节风扇的转速，它同传统经风扇离合器驱动的冷却风扇和电机驱动的冷却风扇相比，其转速不受发动机转速变化的影响，在任何车速下都可以提供足够大的冷却风量，使发动机冷却水温度的平均值始终处在80℃-90℃最佳的温度范围，并具有节能、噪音低、结构尺寸小、空间布置灵活等优点。丰田的“塞尔西奥”轿车的冷却系统已经开始利用油压和微型计算机实现无级控制风扇转速的冷却风扇装置。(电液比例控制液力驱动冷却风扇简图如图2)

图2 比例阀连续控制系统的工作原理
1.冷却液温度传感器;2.电控单元;3.比例阀;4.油泵;
5.油箱; 6.冷油器; 7.油马达; 8.粗滤器; 9.精滤器

这种冷却系统是以ECU来控制电磁阀的开闭进而达到对风扇转速的控制。文献[10]阐述了液驱风扇系统的多种型式及其原理。总的来说，发动机冷却风扇改由液压马达驱动，通过液压系统调节马达的转速可实现发动机的合理冷却，液压泵的动力则来自发动机。文献[11]研究了液压系统本身的性能，证明系统反应快、动态特性好。文献[12]介绍了液驱风扇系统装车试验的情况，整车噪声和燃油消耗都有明显改善。这种冷却风扇的安装位置灵活方便，可根据冷却液温度自动调节冷却风扇的转速，始终使发动机和传动系统的工作液保持最佳工作温度，同时具有节能降噪的优点，这是发达国家在大功率车用发动机上使用的最新冷却系统。

在铺路机械中采用电液比例控制液力驱动冷却系统，可以使上面提及的铺路机械冷却系统耗能多、散热器布置困难、因冷却能力不足造成发动机过热而影响铺路机械工作进度的问题都得到一定的解决。该系统可使发动机预热迅速，并保持最佳工作温度，因此提高了发动机的热效率，延长了发动机的使用寿命，降低了发动机的燃油消耗，同时还可以使传动系统的工作液保持最佳工作温度，所以传动系统变矩器和其它液力装置的工作效率都可得到大幅度的提高。上述各种因素的综合影响，可使铺路机械节油6-8%，输出功率平均提高6-8%。

总之铺路机械发动机的冷却系统正向着提高冷却能力、节能、轻型化和智能化的方向发展，而液力驱动风扇冷却系统正在成为一种新的设计方法与方案。

参考文献
1 郭新民等.载重汽车自控电动冷却系统的研究.农业工程学报.1997(2)
2 曹寅昌等.汽车构造.湖北技术出版社.1989.3
3 郭新民.自控电动冷却风扇在汽车发动机上的应用.内燃机工程,1993(1)
4 葛贤康.汽车节能原理与实践.上海:上海交通大学出版社，1994.
5 Roger clemente.ELECTRIC FAN ASSEMBLY FOR OVER-THE-ROAD TRUCKS[P].美国专利:US4875521,1989-10-24.
6 Wolfgang P.Weinhold.ENGINE VENTILATION AN AUTOMOTIVE VEHICLE[P].美国专利:US5269264,1993-12-14
7 乌韦·埃施;赖因哈德·埃明格尔德国 PCT.EP96/03556 96.8.12
8 大村清治等.一种电控液驱风扇冷却系统的开发[J]自动车技术会论文集， 1992,23(1):15-23
9 张铁柱.内燃机冷却风扇驱动系统.青岛大学学报.2002.2
10 李芝主.液压传动.机械工业出版社.2002.1
11 张铁柱内燃机冷却风扇温度控制液压驱动系统技术研究内燃机学报2002.3(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (7/31/2005)


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