金屬復合材料發動機防凍結構設計分析

董文亮

（甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅 武威 733006）

發動機是一種能夠將其他能量轉換為動能和機械能的裝置，發動機分為往復活塞式發動機、斯特林發動機、電動機以及噴氣式發動機四種[1]。

由于發動機功率較高，在運行過程中機體會發出較高的熱量，溫度過高會影響到發動機的性能，所以發動機需要利用一套冷卻系統給機身降溫[2]。發動機的冷卻系統是一組液冷式密閉循環體系，利用循環冷水降低溫度，主要由氣缸、水箱、夾套三部分組成[3]。發動機冷卻系統水箱通常是由鐵、鋁、銅、鋼等金屬復合材料制成，這種金屬復合材料不具備保溫的功能，當天氣寒冷時發動機冷卻系統水箱里的水會結冰，進而影響到發動機的正常運行[4]。所以金屬復合材料發動機需要采取一些防凍措施，利用防凍結構為金屬復合材料發動機提供良好的溫度運行條件，防治金屬復合材料發動機水箱結冰，進而保證發動機正常運行[5]。但是目前現有的金屬復合材料發動機防凍結構設計不夠合理，當周圍溫度達到或者超過零下20℃時，傳統結構無法發揮出較好的防凍效果，金屬復合材料發動機水箱仍舊有結冰的現象，且結冰量較大[6]。傳統已經無法滿足金屬復合材料發動機防凍需求，為此提出金屬復合材料發動機防凍結構設計分析。

1 金屬復合材料發動機防凍結構設計

此次結合傳統防凍結構的不足之處，以及金屬復合材料發動機防凍需求，設計一套新的發動機防凍結構，該結構由溫度檢測裝置、電渦流加熱裝置和溫度控制裝置三部分組成，利用三個裝置實現發動機水箱溫度檢測、水箱加熱以及溫度控制，保證發動機水箱溫度適中保持在合理的溫度下，起到防凍效果，以下將對該防凍結構進行詳細說明。

1.1 發動機溫度檢測裝置設計

發動機溫度檢測裝置主要是用于檢測金屬復合材料發動機水箱溫度，該裝置由溫度傳感器和溫度測量器組成，將溫度測量器安裝在發動機水箱內，溫度測量器選用JGFJ-26 型號，將溫度測量器的測量周期設定為60s，測量頻率設定為6.54Hz，測量精度設定為0.01。利用溫度測量器對金屬復合材料發動機水箱溫度進行定期測量。通過NS 接口將溫度測量器與溫度傳感器連接，溫度傳感器選用BKIO-45型號，將溫度傳感器頻率設定為3.45 Hz，運行功率設定為35w，并且在溫度傳感器中設定一個溫度閾值，通常情況下為0。利用溫度傳感器讀取溫度測量數據，當讀取到的溫度數據低于設定的溫度閾值，溫度傳感器會自動發出警示，表示需要對金屬復合材料發動機水箱采取加熱措施；如果讀取到的溫度數據沒有低于設定的溫度閾值，則表示發動機水箱溫度正常，無需采取加熱措施。

1.2 電渦流加熱裝置設計

依據溫度傳感器讀取到的數據，以及發出的防凍警示，利用電渦流加熱裝置對金屬復合材料發動機進行加熱。電渦流加熱裝置的核心設備為電渦流加熱器，此次選用上海HKG 加熱器企業生產的BJLL-2603 型號電渦流加熱器，將其安裝在發動機水箱水管口處，加熱功率設置為30KW，電壓設定為120V。其內腔含有大量不銹鋼材質電熱管，當傳感器發出警示信號后，對電熱管通電，管子升溫發熱，與由風機送來氣流換熱，把熱量傳給氣流，并在爐膛內設有多個折流板（導流板），引導氣體流向，延長氣體在內腔的滯留時間，從而使氣體充分加熱，使氣體加熱均勻，將電熱管中氣體的熱量傳遞給發動機水箱，以此實現對發動機水箱電渦流加熱。

1.3 發動機溫度控制裝置設計

電渦流加熱裝置有個弊端，就是電渦流加熱溫度無法實現自控，如果電渦流加熱溫度過高，會對金屬復合材料發動機起到反作用，因此在金屬復合材料發動機防凍結構中設計了一個發動機溫度控制裝置，利用該裝置對電渦流加熱裝置的加熱溫度進行控制。發動機溫度控制裝置的核心技術為PLC。PLC 是一種控制系統，將PLC 通過NS 網絡接口與電渦流加熱裝置連接，在PLC 控制單元中設定溫度控制閾值，通常情況下在9-15 之間，當電渦流加熱溫度超出控制閾值時，PLC 會立即控制電渦流發熱裝置停止加熱，避免發動機水箱加熱溫度過高，而影響到金屬復合材料發動機運行。以上通過對發動機溫度檢測裝置、電渦流加熱裝置以及發動機溫度控制裝置的設計，實現了對金屬復合材料發動機的防凍，使發動機盡管在較低的溫度環境中運行，水箱都不會出現大量結冰現象，以此完成了金屬復合材料發動機防凍結構設計。

2 實驗

2.1 實驗過程

實驗以某金屬復合材料發動機為實驗對象，該發動機的水箱容量為20L，高度為900mm，尺寸為600mm，厚度為200mm，金屬復合材料中鋁材料為主。實驗將此次設計結構與傳統結構安裝到該金屬復合材料發動機上，為發動機起到防凍作用，通過對比實驗，檢驗此次設計金屬復合材料發動機防凍結構的適用性與有效性。實驗首先將帶有防凍結構的發動機分別放入到零下20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃環境中，將金屬復合材料發動機水箱充滿20L 水量，開啟發動機防凍結構中的各個裝置；然后將發動機開啟運行，運行時間為240min，發動機在運行過程中的功率設定為120KW/min，進氣方式設定為渦輪增壓，啟動方式設定為電啟動；在240min 后停止發動機運行，此時計量金屬復合材料發動機水箱中水的結冰量，《金屬復合材料發動機防凍技術規范》中規定，當發動機水箱中水的結冰量超過二十分之一，則會影響到發動機性能和功能的正常發揮，同時還會損壞金屬復合材料發動機使用壽命，因此此次實驗將金屬復合材料發動機水箱結冰量作為實驗結果，對兩種防凍結構進行對比分析。

2.2 實驗結果分析

根據實驗中記錄的實驗數據，分析在環境溫度為零下20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃時，發動機水箱結冰量，分析發動機防凍結構的防凍效果，實驗結果如下圖所示。

表1 不同環境溫度下發動機水箱結冰量/L

根據表1 可以得出以下結論：當發動機運行環境溫度低于零下20℃時，應用此次設計的金屬復合材料發動機防凍結構，金屬復合材料發動機水箱結冰量雖然會隨著溫度的降低而略微增加，但是結冰量低于水箱總量的二十分之一，且平均結冰量為0.0761L；而應用傳統防凍結構，金屬復合材料發動機水箱結冰量會隨著溫度的降低而急劇增加，且平均結冰量為1.7625L，遠遠超過此次設計防凍結構和《金屬復合材料發動機防凍技術規范》要求。因此實驗證明了此次設計的金屬復合材料發動機防凍結構更能滿足發動機防凍需求，具有良好的適用性和有效性。

3 結語

本文對金屬復合材料發動機防凍結構設計進行了分析，結合金屬復合材料發動機水箱防凍需求以及傳統防凍結構的不足，設計了一套新的發動機防凍結構，該防凍結構由電渦流加熱裝置、溫度檢測裝置以及溫度控制裝置組合而成，通過加熱、溫度檢測與控制防治發動機水箱結冰，保證金屬復合材料發動機正常運行，利用對比實驗驗證了該裝置能夠起到良好的發動機防凍效果，為金屬復合材料發動機正常運行提供了保障，對金屬復合材料發動機防凍、穩定運行具有良好的現實意義。