基于大功率防爆電噴柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化方法研究

黃鉆

【摘? 要】針對(duì)大功率防爆電噴柴油機(jī)頻繁高溫問題，對(duì)大功率防爆電噴柴油機(jī)本體冷卻與排氣系統(tǒng)冷卻進(jìn)行優(yōu)化，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的防爆柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)，將其內(nèi)、外循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成半獨(dú)立的雙循環(huán)系統(tǒng)，且外循環(huán)中串、并聯(lián)混合使用。

【關(guān)鍵詞】柴油機(jī);冷卻系統(tǒng);優(yōu)化;雙循環(huán)

對(duì)于防爆柴油機(jī)而言，在普通柴油機(jī)大、小2個(gè)循環(huán)水路的基礎(chǔ)上，多了一路排氣系統(tǒng)冷卻，通常做法是仍與原冷卻系統(tǒng)共用1個(gè)冷卻水泵（即單循環(huán)應(yīng)用），采用串聯(lián)式冷卻，即從缸蓋的出水管中將冷卻水引流，依次流經(jīng)雙層排氣歧管、水冷增壓器、水冷雙層排氣管中來冷卻尾氣;從排氣冷卻的冷卻水從水泵上直接引取，根據(jù)機(jī)體散熱量和排氣冷卻散熱量分配冷卻水流量;從排氣冷卻系統(tǒng)出口出來的冷卻水再回到節(jié)溫器端（或直接返回散熱器，參與到大循環(huán)中），之后經(jīng)節(jié)溫器回散熱器。

1防爆柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

（1）散熱能力能滿足防爆柴油機(jī)在各復(fù)雜運(yùn)行工況時(shí)的需要。當(dāng)車輛運(yùn)行工況和環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，需能保證防爆柴油機(jī)工作可靠、穩(wěn)定和維持較佳的冷卻水溫度（冷卻液出口的溫度≤98℃）;

（2）散熱系統(tǒng)有足夠的抗壓能力和膨脹空間;冷卻效率高，可靠性好，風(fēng)扇（阻燃抗靜電型）運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，噪聲低;耗功?。捶辣裼蜋C(jī)在啟動(dòng)后能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較佳的工作溫度）;

（3）冷卻系統(tǒng)能保證防爆柴油機(jī)在運(yùn)行時(shí)滿足MT990-2006《礦用防爆柴油機(jī)通用技術(shù)條件》中防爆柴油機(jī)表面溫度不高于150℃、尾氣排放最終溫度不高于70℃的使用要求。中、重型支架搬運(yùn)車配套用大功率防爆電噴柴油機(jī)運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，其大功率防爆柴油機(jī)因高溫出現(xiàn)了多次停工，嚴(yán)重影響了煤礦生產(chǎn)企業(yè)的正常生產(chǎn)作業(yè)。為徹底解決此問題，針對(duì)大功率防爆柴油機(jī)冷卻原理，對(duì)其進(jìn)行分析并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從根本上解決此問題。

傳統(tǒng)地面用柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)，有大小循環(huán)水路2個(gè)。以康明斯L型機(jī)為例，在柴油機(jī)運(yùn)行過程中水溫低于81℃時(shí)，節(jié)溫器關(guān)閉，冷卻液不經(jīng)散熱器，直接進(jìn)行內(nèi)部小循環(huán)冷卻;但當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫升至81℃時(shí)，節(jié)溫器開始部分開啟，水溫升至93℃時(shí)節(jié)溫器全部開啟;冷卻液流經(jīng)散熱器參與大循環(huán)冷卻后被吸入到水泵中進(jìn)行循環(huán)應(yīng)用。

冷卻系統(tǒng)管路連接方案在當(dāng)前應(yīng)用的中小功率段（柴油機(jī)防爆后低于85kW時(shí)）防爆柴油機(jī)上使用時(shí)效果較佳，基本能夠滿足熱平衡需要;但在大功率（防爆后功率在200kW以上）防爆柴油機(jī)上使用時(shí)，效果欠佳，防爆柴油機(jī)在長(zhǎng)距離大坡度運(yùn)行時(shí)，易出現(xiàn)水溫偏高，甚至開鍋現(xiàn)象，因此，大功率防爆柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)需進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2大功率防爆柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

大功率防爆柴油機(jī)采用單循環(huán)并聯(lián)式冷卻系統(tǒng)時(shí)，在臺(tái)架試驗(yàn)或裝車測(cè)試檢查發(fā)現(xiàn)排氣冷卻系統(tǒng)的進(jìn)、回水口溫差較大，超出了發(fā)動(dòng)機(jī)正常溫差范圍;并且由于防凍液（或冷卻水）在冷卻高溫排氣段時(shí)，冷卻液的流經(jīng)通道明顯延長(zhǎng)，導(dǎo)致了沿程阻力和局部阻力都顯著增大，因此，原機(jī)用的單水泵流量已不能完全滿足需求，需進(jìn)行適當(dāng)增大。

為滿足需求，在空間允許的情況下，增大散熱正面積可以解決相關(guān)問題;但空間受限時(shí)，即總布置不允許加大散熱器尺寸的情況下，則要依靠提高散熱系數(shù)和液氣平均溫差的方法提高散熱能力。提高散熱系數(shù)可通過重新選擇散熱器芯部高度和寬度，同時(shí)結(jié)合實(shí)際，合理安排冷卻水管截面和冷卻水管的排列來解決;或者通過增大冷卻風(fēng)扇的扇葉數(shù)量、直徑、偏轉(zhuǎn)角度以及提高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等來實(shí)現(xiàn);但是如果相關(guān)方案采用后，經(jīng)綜合評(píng)定（兼顧經(jīng)濟(jì)性和性價(jià)比）仍然不能滿足需求，提高液氣平均溫差還可采用另外一種設(shè)計(jì)方案，即增大水泵流量，常用方式是增加1個(gè)水泵，來提高冷卻效率，即設(shè)計(jì)雙循環(huán)水泵的方式解決。

改進(jìn)設(shè)計(jì)后的雙循環(huán)冷卻系統(tǒng)分成內(nèi)、外2個(gè)獨(dú)立（或半獨(dú)立）的強(qiáng)制循環(huán)式水冷系統(tǒng)。獨(dú)立雙循環(huán)冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用前提是2個(gè)水泵都能完全滿足各自的散熱流量需求。內(nèi)循環(huán)通常為防爆柴油機(jī)本體的冷卻，主要是冷卻防爆柴油機(jī)的缸體、缸蓋等，保證其正常工作;而所謂的外循環(huán)是相對(duì)而言的，為冷卻柴油機(jī)本體以外的防爆部件，如冷卻增壓器等排氣防爆部件的冷卻水路。需保證防爆柴油機(jī)正常工作時(shí)水冷增壓器、水冷排氣歧管和水冷排氣彎管等高溫部件表面溫度滿足防爆要求。

內(nèi)循環(huán)的工作原理：冷卻液經(jīng)主水泵（通常為發(fā)動(dòng)機(jī)本體自帶的離心式水泵）吸入后，加壓輸送進(jìn)入防爆柴油機(jī)的缸體水套，然后向上流入到氣缸蓋水套中，冷卻缸體和缸蓋后回到節(jié)溫器處;當(dāng)溫度較低時(shí)（低于81℃），冷卻液進(jìn)行小循環(huán)冷卻，不回主散熱器;當(dāng)溫度升至81℃時(shí)，節(jié)溫器開始開啟，部分或全部冷卻液流經(jīng)主散熱器中，經(jīng)冷卻后，再次被主水泵吸入，參與大循環(huán)冷卻。

3防爆柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化前后試驗(yàn)對(duì)比

東康6116柴油機(jī)本體的冷卻水泵（主水泵）在標(biāo)定工況下流量為248L/min，而外聯(lián)的第2水泵（副水泵，從空壓機(jī)后端取力）流量為80L/min（標(biāo)定工況）;主水泵的吸水口管徑為準(zhǔn)57mm，而副水泵的進(jìn)、出水口管徑為準(zhǔn)25mm;兩者差別較大;依據(jù)《6116型防爆柴油機(jī)試驗(yàn)大綱》在臺(tái)架上進(jìn)行了多種方案的組合試驗(yàn)。

3.1 提出方法

將主、副（獨(dú)立）水散的散熱正面積設(shè)計(jì)為6.5∶3.5，同時(shí)，經(jīng)估算，副水散獨(dú)立冷卻排氣系統(tǒng)部件仍然存在困難，故在水路連接時(shí)，將熱負(fù)荷最大的部位（水冷排氣歧管和水冷增壓器）采用第2水泵配套副水散進(jìn)行冷卻;而水冷增壓器后的排氣防爆部件（排氣波紋管和排氣彎管段）的冷卻由機(jī)體冷卻（內(nèi)循環(huán)）系統(tǒng)參與進(jìn)行冷卻;結(jié)果發(fā)現(xiàn)：主水路水溫正常（能夠穩(wěn)定，穩(wěn)定后溫度約在90℃左右，能達(dá)到熱平衡需求）;副水散水路串聯(lián)或并聯(lián)連接后，冷卻水溫仍然不能穩(wěn)定，水溫持續(xù)上升，因此，排氣系統(tǒng)的熱負(fù)荷過高，水冷排氣歧管有熱裂風(fēng)險(xiǎn)。因此，此方案仍需改進(jìn);

3.2 改進(jìn)方法

水冷排氣歧管設(shè)置2路進(jìn)水口，由于水冷排氣歧管和水冷增壓器之間通過法蘭面過水聯(lián)接，因此在水冷增壓器上設(shè)置有2個(gè)回水口，水路連接方式：主泵從主散熱器吸入冷卻水后，一路冷卻缸體和缸蓋，之后回主水散;但在機(jī)體第6缸部位處分流一部分冷卻水繼續(xù)冷卻水冷排氣波紋管和排氣彎管，之后回主水路三通;另一路從主水泵出水口處直接分流一路水參與到水冷排氣歧管和水冷增壓器的冷卻，最后經(jīng)主水路三通回主水散;副水泵從副水散吸入冷卻水后，直接注入水冷排氣歧管的第2個(gè)進(jìn)水口，之后冷卻排氣歧管，增壓器后返回副水散，如此雙循環(huán)系統(tǒng)，串、并聯(lián)混合使用。

試驗(yàn)結(jié)果：外特性工況下，大功率防爆柴油機(jī)輸出功率為252.4kW（2000r/min），輸出扭矩為1414.8Nm（1600r/min），達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)熱平衡性試驗(yàn)時(shí)，在標(biāo)定點(diǎn)轉(zhuǎn)速和扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速下滿負(fù)荷工況時(shí)分別運(yùn)行2h，室溫一直保持至40℃以上（模擬環(huán)境溫度40℃）時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和排氣冷卻系統(tǒng)水溫均能達(dá)到熱平衡需求，且達(dá)到平衡時(shí)，本體冷卻水溫最高為92℃;外循環(huán)水路水溫最高為94℃。各高溫部位的表面溫度測(cè)試時(shí)，增壓器聯(lián)接法蘭處溫度最高，最高溫度為142℃，低于150℃的防爆要求，且經(jīng)水洗、冷卻后的最終排氣溫度為64℃，遠(yuǎn)低于70℃的防爆要求。因此，改進(jìn)方法滿足使用需求，此方案可行。

4結(jié)論

采用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的防爆柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)，將其內(nèi)、外循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成半獨(dú)立的雙循環(huán)系統(tǒng)，且外循環(huán)中串、并聯(lián)混合使用，獲得了較為理想的試驗(yàn)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]石章能，王洪榮.小型柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2015，5（05）：348-352.

[2]吳伋.船用柴油機(jī)燃燒室組件的流固耦合傳熱研究與活塞強(qiáng)度分析[D].大連海事大學(xué)，2014.

（作者單位：中石化西南石油工程有限公司臨盤鉆井分公司）