工程机械用柴油机冷却系统的设计

１ 概述 研究表明柴油机工作温度对摩擦损失由很 低 而气缸体温度相对较高。 气缸盖温度较低可提 随着柴油机采用更加紧凑 的设计和具有更 大影 响。将冷却液排出温度提高到 １ ０ 使气 高充气效率， ５￣ Ｃ， 增大进气量。温度低且进气量 大可 大 的比功率 ， 柴油机生产 的废热密度也随之明显 缸温度 升高 到 １５Ｃ 油耗则下降 ４ ６ ９ｑ ， ～ ％。将冷 促进完全燃烧 ，降低 Ｃ 、 Ｃ和 Ｎ ｘ ＯＨ Ｏ 的形成 ， 也
。
２ ． ４精确冷却系统 精确冷却 系统主要体现在冷却水套的结构 设计 与冷却液流速 的设计。在精确冷却系统中 ， 热关键 区， 如排气 门周围， 冷却液有较大的流速 ， 热传递效率高 ， 冷却液的温度梯度变化小。这样 的效果来 自缩小这些地方冷却液通道 的横截面 ， 提高流速 ， 减少流量。 精确冷却系统的设计关键在于确定冷却水 套 的尺寸 ， 匹配的冷却水泵 ， 选择 保证系统 的散 热能力 能够 满足低速大负荷时关键 区域工作温 度 的需求。 柴 油机冷却 液流速 的变化范 围相当大 ， 从 怠速时 １ ｓ ｍ 到最大功率时 ５ ｓ 。 ｍ 因此应将冷水 套和冷却 系统 整体考虑 ， 相互补充 ， 发挥最大潜
力。
研究表 明， 采用精确冷却系统 ， 可在 柴油机 整个工作转速范 围， 冷却液流量下降 ４ ％。对气 ０ 缸盖上冷却水套 的精确设计 ， 可使普通冷却 道的 流速从 １ ｍ ｓ ． 提高到 ４ ｓ ， ４ ｍ 一 大大提高气缸盖 传热性 ， 将气缸盖的金属温度降低到 ６ ｑ 。 ｏＣ ２５分流式冷却 系统 ． 分流式冷却系统为另外一种冷却系统 。在 这种冷却系统 中， 气缸盖和气缸体 由各 自的液流 回路冷却 ， 气缸盖和气缸体具有不 同的温度 。分 流式的冷却 系统具备特有的优势， 可使柴 油机各 部分在最优的温度设定点工作。 冷却系统的整体 效率达到最大 。 每个冷却 回路将在不 同冷却温度 设定点或流速下工作， 创造理想的柴油机温度分 布。 理想的柴油机热工作状态是气缸盖温度较
增 大。 一些关键 区域 ， 如排气门周围 ， 的散热问题 需优 先考虑 。 冷却系统即便 出现小的故障也可能 在这样 的区域造成灾难性 的后果。 柴油机冷却系 统 的散热能力一般应满足柴油机满负荷时 的散 热需求 。 已为此时柴油机产生的热量最大。 然而 ， 在部分负荷时 ， 系统会发生功率损失。水泵 冷却 所提供的冷却液流量超过所需的流量 。 我 们希望柴油机冷起动时 间尽可能短。因 为柴油机怠速时排放的污染物较 多，油耗 也大。 而 冷却系统的结构对柴油机 的冷起动时间有 较 大 的影 响 。 现 代的柴油机设 计充分考虑这 些问题 ， 将 柴 油机的热量管理系统纳入到整个柴油机控 制 系统 中， 全面考虑柴油机的暖机 、 冷却效率 、 废气 排放 控制 、 油利用 、 燃 乘客室的取暖和三元催化 剂活化时间等。 目前 的冷却系统属于被动系统 ， 只 能有 限地 调节柴油机和工程机械的热分布状 态。 采用先进的冷却 系统设计和先进的工作方式 可大大改进冷却 系统 ，使冷却系统高效 的运行 ， 间接地提高燃料经济性和降低排放量。 ２现代柴油机冷却系统的特点 ２１ 温度 设 定 点 ． 柴 油机 性 能 受 到 多 种 因 素 影 响 ，不 可 能 改 变一项条件就能提高柴油机的整个性能。 因此先 进 的冷 却 系 统要 全 面 考 虑 各 种 条 件 才 能 改 善 柴 油机 的性能。 冷却液温度保持在设定点是冷却 使 系统最常见的工作方式。 通常人们会认 为冷却液 的温度可用金属温度表示 。 实际上这种关系只在 稳态下和特定运转速度和负荷下才能成立 。 金属 和冷却液温度在 柴油机不同地方 可能相同也可 能不 同。柴 油机整体处于不均匀温度分布状态。 柴油机工作温度的极限值取决于排气门周 围区域最高温度 。 最理想的情况是按金属温度而 不是冷却液温度控制冷却 系， 这样才能更好地保 护柴油机。 由于冷却系统设定 的冷却 温度是 以满 负荷时最大散热率为基础 ， 因此柴油机和冷却系 统在部分负荷时处于不太理想状态 ， 如市区行驶 和低 速行 驶 时 ， 产 生 高 油耗 和 排 放 。 会 通过改变冷却液温度设定点可改善柴油机 和冷却系统在部分负荷时的性能。 根据排气门周 围区域温度极限值 ， 可升高或降低冷却液或金属 温度设定点 。升高或降低温度点都各有特点 ， 这 取决于希望达到 的目的。 ２２提高温度设定点 ＿ 提高工作温度设定点是一种 比较受欢迎的 方法 。提高温度有许多优点 ， 它直接影响柴油机 损耗和冷却 系统 的效果、 以及柴油机排放物的形 成 。提高工作温度将提高柴油机机油温度 ， 降低 柴油机摩擦磨损 ， 降低 柴油机燃油消耗 。 却液温度保持在 ９ ～ｌ５ ０ １ ℃范围内 ， 使柴 油机机 油 的最 高温度为 １ ０ 则油耗在部分负荷 时下 ４￣ Ｃ， 降 １％。 ０ 提 高工 作温度 也 明显 影响 冷却系统 的效 能。 提高冷却液或金属温度会改善柴油机和散热 气热传 递的效果 ， 降低冷却液的流速 ， 减小水泵 的额定功率 。 从而降低柴油机的功率消耗。 此外， 可采用不同的传热方式 ， 进一步减小冷却液 的流 速。 ２３降低温度设定点 ． 降低冷却系统的工作温度可提高柴油机充 气效率 ， 降低进气温度 。 这对燃烧过程、 燃油效率 及排放有利 。 降低温度设定点可 以节省柴油机运 行成本 ， 提高部件使用寿命。 研究表明， 若气缸盖温度降低到 ５ ℃， Ｏ 点火 提前角可提前 ３ 而不发生爆震。充气效率提高 。 将 ２ 柴油机工作特性改善 。有助于优化压缩 ％， 比和参数选择 ， 取得更好的燃油效率 和排放性能
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摘 要： 传统 柴油机 冷却 系统 由于 自身的被动性影响 ， 工作性 能受到 限制。在部分 负荷 时会造成 功率损 失， 其 而工程机械在这种工况下行驶 的 时间最长 。 文介 绍一系统 、 可控 式冷 却 系统 等。 些系统既起到保护柴 油机的作 这 用， 又改善燃 油效 率和降低排放 污染物。 关键词 ： 油机冷却 系统 ； 油效率； 少排放 柴 燃 减
提 高输 出功率 。较高气缸体温度会减小摩擦损 失， 直接改善燃油效率 ， 间接的降低缸 内峰值压 力和温度 。 分流式冷却系统可使缸盖和缸体温度 可相差 １ｏ 气缸温度可高达 １０ 而缸盖温 ｏ ℃。 ５￣ Ｃ， 度可降低 ５ ℃， ０ 减少缸体摩擦损 失 ， 降低 油耗。 较高的缸体温度使油耗降低 ４ ， 在部分负荷 时 ＨＣ降低 ２ ０～３ ％。节气门全开时 ， ５ 缸盖和缸 体温度设定值可调到 ５ ￣和 ９ ￣ ，从整体上改 ０ Ｃ ０ Ｃ 善燃油消耗 、 功率输出和排放。 ３ 结论 前面介绍 的几种先进冷却系统的特性具有 改 善冷却系统性能潜力 ， 能够提高燃油经济性 和 排放性能 。 系统的能控性是改善冷却系统的 冷却 关 键 ，能控性表示对柴油机结构保护 的关键参 数， 如金属温度 ， 冷却液温度和机油温度等能够 控制 ， 确保柴油机在安全限度范 围工作。冷却 系 统能够对不同工况作出快速反应 ， 最大地节省燃 料、 降低排放， 而不影响柴油机整体性 能。 从设计和使甩洼能角度看 ，分流式冷却与 精密冷却 相结合具有很好发展前景 ， 既能提供理 想 的柴油机保护 ，又能提高燃 油经济性和排放 性 。这种结构有利于形成 柴油机理想 的温度分 布 。直接向气缸盖排气门周 围供给冷却液 ， 减少 了气缸盖温度变化 ，使缸盖温度分布更加均匀 ， 也能将机油和缸体温度保持在设计的工作范 围， 具有较低的摩擦损失和污染排放量。 本文介绍分析最新的冷却 系统 的设计和工 作特性 ， 冷却系统改进的 目 标是提高柴油机的保 护能力， 燃油效率 和低排放 陛。分析表 明先进冷 却系统具备的特性具有 明显提高 现代柴 油机性 能 的潜力 ， 分流式冷却、 密精确式冷却 和可控 精 式元件相结合 ， 能使气缸盖 温度较低 ， 缸体 温度 较高 ， 满足柴油机对未来 冷却系统的要求 。 参 考 文 献 【】 义春 ， 英俊 ， 中丽 ． 动 力 车 辆 冷 却 系 １王 杨 谷 混合 统优化设计ｆ． Ｊ北京理工大学学￣ ２ ｏ ，． １ ｏ ４１ Ｉｌ ２高镜惠 ， 花松． 工程机械柴油机冷却 系统的模 糊控制ｍ． 内燃机与摩托 车２ ０ ，． 小型 ０ ４１ ［】 ３赖赣 明 ， 叶忠伟． 后置柴油机城 市公 交车冷却 系统的定性分析 『． Ｊ城市车辆２０ ３ ． １ ０ ， ６ ［】 ４ 肖成永 ， 李健 ， 张建武． 柴油机冷却 系统的建模 与仿真叫计 算机仿真， ０ ， （ ） ２ ３ ｏ９ ． ０ ２ 【ｌ ５朱建 军， 郑国璋． ５ ４ Ｑ汽 油机冷却 系统的改进 ６