天然氣礦用自卸車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱問(wèn)題研究

張廣會(huì) 尤曉明

摘 要：匹配自動(dòng)變速器的天然氣礦用自卸車(chē)在某礦區(qū)出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱問(wèn)題，導(dǎo)致運(yùn)輸效率下降。本文針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)研究，找到了產(chǎn)生過(guò)熱問(wèn)題的主要原因。通過(guò)對(duì)整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的改進(jìn)使問(wèn)題得到了解決。

關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)動(dòng)機(jī);過(guò)熱;自動(dòng)變速器;變扭器效率;冷卻系統(tǒng)

1 導(dǎo)言

多臺(tái)匹配自動(dòng)變速器的天然氣礦用自卸車(chē)在某煤礦進(jìn)行物料運(yùn)輸時(shí)，重載上坡出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)高的，動(dòng)力性下降問(wèn)題，嚴(yán)重影響了礦區(qū)的正常生產(chǎn)，用戶(hù)對(duì)此抱怨極大。本文針對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱問(wèn)題進(jìn)行了研究。

2 匹配自動(dòng)變速器的天然礦用自卸車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)原理

匹配自動(dòng)變速器的天然氣礦用自卸車(chē)整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)有其特殊性，與傳統(tǒng)匹配機(jī)械變速器的車(chē)型相比，需要對(duì)自動(dòng)變速器潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻。冷卻自動(dòng)變速器油的裝置是油冷器，而油冷器吸收的熱量需要傳遞到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，然后由發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱器將熱量散掉，達(dá)到冷卻自動(dòng)變速器油的目的。匹配自動(dòng)變速器的天然氣礦用自卸車(chē)整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系和自動(dòng)變速器冷卻系統(tǒng)組成，其中發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)由水泵、散熱器、風(fēng)扇、節(jié)溫器、發(fā)動(dòng)機(jī)出水管、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水管組成。自動(dòng)變速器冷卻系統(tǒng)由油冷器、變速器出油管、變速器進(jìn)油管、油冷器進(jìn)水管、油冷器出水管組成。整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的熱源有兩個(gè)，一個(gè)是發(fā)動(dòng)機(jī)，一個(gè)是變速器。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度低于節(jié)溫器開(kāi)啟溫度時(shí)，屬于“小循環(huán)”冷卻模式，冷卻液循環(huán)路徑是：冷卻液在水泵的驅(qū)動(dòng)下，經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水管，流經(jīng)油冷器，在油冷器內(nèi)進(jìn)行熱交換，吸收變速器油的熱量后冷卻液再流回發(fā)動(dòng)機(jī)，如此往復(fù)循環(huán)。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度高于節(jié)溫器的開(kāi)啟溫度時(shí)，節(jié)溫器打開(kāi)，形成“大循環(huán)”冷卻模式，冷卻液循環(huán)路徑是：高溫的冷卻液經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)出水管，進(jìn)入散熱器，在散熱器進(jìn)行熱交換，將熱量散發(fā)到大氣中，從散熱器出來(lái)的低溫冷卻液再流經(jīng)油冷器，吸收變速器油的熱量后，再流回發(fā)動(dòng)機(jī)，如此往復(fù)循環(huán)。整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)原理圖，見(jiàn)圖1。

3 冷卻系統(tǒng)匹配計(jì)算

3.1 冷卻系統(tǒng)匹配計(jì)算

天然氣在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒放出的能量流向分布見(jiàn)圖2。

根據(jù)圖2的天然氣燃燒后的能量分布進(jìn)行冷卻系統(tǒng)功率匹配計(jì)算，在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速1900r/min時(shí)，天然氣燃燒放出的熱量Q——772.82kW，Q被分成四部分消耗，包括：

其中指示功率Pi又包含了有效功率和機(jī)械損失。由自動(dòng)變速器工作原理介紹可知，自動(dòng)變速器需要油冷器進(jìn)行冷卻，而油冷器吸收的熱量QT就屬于傳動(dòng)系機(jī)械損失產(chǎn)生熱量。也就是說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒輸出的指示功率Pi有部分經(jīng)油冷器以熱能的形式又傳遞給了發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)。油冷器傳遞的熱量的多少，與變扭器的工作變扭效率密切相關(guān)。

根據(jù)此型號(hào)自動(dòng)變速器與發(fā)動(dòng)機(jī)的匹配關(guān)系，在70%效率點(diǎn)時(shí)，熱負(fù)荷為81.1kW，在80%效率點(diǎn)時(shí)，熱負(fù)荷為57.3kW。

可見(jiàn)，如果自動(dòng)變速器的變扭器處于變扭狀態(tài)時(shí)，熱負(fù)荷所占發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的比例非常高，必然會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)。

3.2 故障再現(xiàn)

針對(duì)用戶(hù)反映的天然氣礦用自卸車(chē)過(guò)熱問(wèn)題，使用一臺(tái)與用戶(hù)車(chē)輛配置完全相同的車(chē)輛，在場(chǎng)地進(jìn)行了道路熱平衡試驗(yàn)。分別進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)、額定功率點(diǎn)和自動(dòng)變速器70%變扭效率點(diǎn)的摸底試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)、額定功率點(diǎn)按液氣溫差計(jì)算的許用環(huán)境溫度均滿(mǎn)足使用要求和標(biāo)準(zhǔn)要求，而自動(dòng)變速器70%變扭效率點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度超過(guò)100℃，仍然無(wú)法達(dá)到平衡狀態(tài)，存在過(guò)熱現(xiàn)象。

3.3 原因分析

對(duì)用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)采集的車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，由于車(chē)輛是重載上坡，車(chē)速8km/h左右，自動(dòng)變速器擋位多數(shù)時(shí)間都處于1擋和2擋。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低時(shí)，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，變扭器的渦輪轉(zhuǎn)速逐漸接近于泵輪轉(zhuǎn)速，閉鎖離合器接合，發(fā)動(dòng)機(jī)與變速器間處于機(jī)械傳動(dòng)狀態(tài)。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的增加，需要的輸出的扭矩增加，此時(shí)自動(dòng)變速器的閉鎖離合器會(huì)分離，當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速低于泵輪轉(zhuǎn)速，變扭器處于變扭狀態(tài)。此時(shí)，由于渦輪和泵輪間存在轉(zhuǎn)速差，傳遞效率下降，發(fā)熱量增加，轉(zhuǎn)速差越大，發(fā)熱量也就越高。熱量經(jīng)油冷器進(jìn)行熱交換，傳遞給發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系，這樣必然增加了發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱。此情況正與匹配計(jì)算結(jié)果相符，同時(shí)也與場(chǎng)地試驗(yàn)中的變扭器70%效率點(diǎn)工況相符。所以，過(guò)熱的原因就是變扭器長(zhǎng)時(shí)間變扭導(dǎo)致。

4 解決措施

解決過(guò)熱問(wèn)題，利用傳熱學(xué)理論，宏觀上可以從以下幾個(gè)方面采取措施，

（一）控制熱源。（二）控制冷源。（三）控制熱傳遞路線(xiàn)。

控制熱源，即降低變扭器的發(fā)熱量。根據(jù)自動(dòng)變速器工作原理可知，為了降低變扭器的發(fā)熱量，只有使其處于閉鎖狀態(tài)時(shí)，發(fā)熱量才最低。當(dāng)車(chē)輛低擋（如1擋、2擋）上坡時(shí)，隨著負(fù)荷增加，變扭器渦輪與泵輪間的轉(zhuǎn)速差變大，變扭器處于變扭狀態(tài)，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷增大。如果想使其閉鎖，可以選擇提高發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩，或者降低車(chē)輛行駛阻力。此款車(chē)型匹配的420馬力發(fā)動(dòng)機(jī)，功率已經(jīng)沒(méi)有提升空間，車(chē)輛的裝載量及運(yùn)行路線(xiàn)坡度阻力也無(wú)法改變，所以無(wú)法通過(guò)改變動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的配置使變扭器達(dá)到閉鎖狀態(tài)，所以控制熱源的方案不可行。

控制冷源。由于冷源就是車(chē)輛運(yùn)行的自然環(huán)境，包括環(huán)境溫度、風(fēng)速、濕度等等，不可控，所以排除此方案。

控制熱傳遞路線(xiàn)，即提高散熱效率。為了提高散熱效率，可以采取增加散熱器正通風(fēng)面積、增加散熱器散熱面積、加大進(jìn)風(fēng)流量、改善機(jī)艙空氣流通性能、加大冷卻液流速等措施。為此采取的改進(jìn)措施，包括拆前臉、拆前保險(xiǎn)杠、拆第一前橫梁、拆機(jī)艙雙側(cè)艙簾、換多葉片無(wú)輪轂風(fēng)扇、并聯(lián)附水箱和電控液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇+大尺寸散熱器等措施，對(duì)每個(gè)方案進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 場(chǎng)地道路熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證

（1）拆前臉、拆前保險(xiǎn)杠、拆第一前橫梁、拆機(jī)艙雙側(cè)艙簾、換多葉片無(wú)輪轂風(fēng)扇驗(yàn)證結(jié)果

通過(guò)對(duì)散熱器正前方的遮擋物進(jìn)行逐級(jí)拆除，使散熱器正通風(fēng)面積增加，分別進(jìn)行場(chǎng)地道路熱平衡試驗(yàn)。

場(chǎng)地?zé)崞胶庠囼?yàn)結(jié)果原車(chē)狀態(tài)下，變扭器70%變扭效率點(diǎn)工況按液氣溫差計(jì)算許用環(huán)境溫度32.7℃，增加散熱器正通風(fēng)面積后，許用環(huán)境溫度無(wú)明顯提高，說(shuō)明增加散熱器正通風(fēng)面積、加大進(jìn)風(fēng)流量、改善機(jī)艙空氣流通性能的措施效果不夠理想。

（2）并聯(lián)副水箱方案的場(chǎng)地試驗(yàn)驗(yàn)證

為了增加散熱器散熱功率，采用與原車(chē)散熱器并聯(lián)一個(gè)額定功率53kW的小型散熱器（副水箱），小型散熱器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，然后再次進(jìn)行場(chǎng)地道路熱平衡試驗(yàn)。結(jié)果，變扭器70%變扭效率點(diǎn)工況，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度在98.7℃達(dá)到平衡狀態(tài)，按液氣溫差計(jì)算許用環(huán)境溫度由原車(chē)狀態(tài)的32.7℃提高到38.3℃，提高了5.6℃，改進(jìn)效果顯著。

（3）并聯(lián)副水箱方案的用戶(hù)實(shí)際使用試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)用戶(hù)車(chē)進(jìn)行臨時(shí)并聯(lián)副水箱的改進(jìn)后試驗(yàn)場(chǎng)驗(yàn)證后，在用戶(hù)煤礦作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，又進(jìn)行了實(shí)車(chē)使用驗(yàn)證，結(jié)果在上坡階段，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度最高98℃，距離水溫上限還有7℃的余量，可以滿(mǎn)足用戶(hù)的使用要求。

（4）電控液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇+大尺寸散熱器方案的用戶(hù)實(shí)際使用試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述各臨時(shí)方案的成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)天然氣礦用自卸車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，將原車(chē)由曲軸驅(qū)動(dòng)、硅油離合器控制的冷卻風(fēng)扇改為液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的電控風(fēng)扇，同時(shí)加大散熱器的尺寸，將正通風(fēng)面積由0.68m2增加到0.876m2，散熱器的額定散熱功率提高81kW。

電控液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇+大尺寸散熱器方案在用戶(hù)實(shí)際使用驗(yàn)證，上坡發(fā)動(dòng)機(jī)最高出水溫度95.6℃。此時(shí)電控風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1462r/min，尚未達(dá)到最高轉(zhuǎn)速2100r/min，冷卻能力仍有較大余量，完全滿(mǎn)足用戶(hù)使用要求。效果比并聯(lián)副水箱方案更顯著，但此方案的缺點(diǎn)是成本較高，產(chǎn)品效益遠(yuǎn)低于并聯(lián)副水箱方案。

6 結(jié)論

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱問(wèn)題幾個(gè)解決方案試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，在滿(mǎn)足客戶(hù)使用要求的前提下，綜合考慮產(chǎn)品成本和收益，改進(jìn)方案效果最佳的是“并聯(lián)副水箱”方案。

7 關(guān)于礦用自卸車(chē)匹配AT變速器設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)建議

1.對(duì)于礦用自卸車(chē)這種工作條件比較惡劣的特種車(chē)型，冷卻系統(tǒng)的布置可以將散熱器外置布置，這樣可以不受空間布置限制，既可以增加散熱器尺寸和散熱器的通風(fēng)面積，從而提高散熱能力，又能加大離地間隙，提高車(chē)輛通過(guò)性。

2.進(jìn)行整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)匹配時(shí)，使其常用工況盡量避開(kāi)變速器發(fā)熱量大的變扭區(qū)域，降低整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的工作負(fù)荷的。

3.匹配自動(dòng)變速器的礦用自卸車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)因其獨(dú)特的油冷器冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)車(chē)型有很大區(qū)別，應(yīng)對(duì)自動(dòng)變速器的最大發(fā)熱量作出合理評(píng)估，做好冗余設(shè)計(jì)。