多功能拖拉機發(fā)動機溫度控制研究

王小輝 張香莎

摘要：多功能拖拉機由于工作時行駛車速較低或是車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，不利于發(fā)動機散熱。為了改善發(fā)動機工作環(huán)境，提升冷卻效果，文章從提升冷卻液冷卻效果的方法入手，在保證拖拉機實際用途的前提下，參照中高級轎車的形式對影響拖拉機冷卻系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進行重新設(shè)計，增加冷卻風(fēng)扇保護模塊、電子節(jié)溫器，當(dāng)水溫異常升高時，風(fēng)扇和發(fā)動機的大循環(huán)能夠提前打開。

Abstract： The multi-functional tractor is not conducive to the heat dissipation of the engine due to the low driving speed or the stationary state of the vehicle. In order to improve the working environment of the engine and improve the cooling effect， this paper starts with the method of improving the cooling effect of the coolant. On the premise of ensuring the actual use of the tractor， referring to the form of medium and high-class cars， the control system affecting the tractor cooling system is redesigned， and the cooling fan protection module and electronic thermostat are added. When the water temperature rises abnormally， The large cycle of fan and engine can be turned on in advance.

關(guān)鍵詞：冷卻液;缸套;缸孔;冷卻風(fēng)扇;電子節(jié)溫器

Key words： coolant;cylinder liner;cylinder bore;cooling fan;electronic thermostat

中圖分類號：S219 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0039-03

0 ?引言

拖拉機使用柴油作為其燃料，通過高壓縮比的方式壓燃生成巨大動力。汽缸內(nèi)燃燒的氣體溫度可高達1700℃左右，一般在上止點后20-35度曲軸轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)。由于拖拉機行駛速度較低，發(fā)動機風(fēng)冷效果不明顯，所以在實際工作時，容易出現(xiàn)水溫異常升高的現(xiàn)象。

柴油機溫度控制時需要注意對高、低溫分別控制。當(dāng)柴油機溫度過高時，容易使與高溫氣體接觸的汽缸蓋、氣門、活塞等零部件出現(xiàn)燒熔現(xiàn)象，需要提升冷卻效果，降低柴油機工作溫度;當(dāng)柴油機溫度過低時，燃料會出現(xiàn)不充分燃燒，生成積炭，潤滑效果變差等結(jié)果，導(dǎo)致拖拉機動力下降，油耗上升。文章主要探討多功能拖拉機發(fā)動機的高溫控制。

1 ?提升拖拉機冷卻液冷卻效果的方法

1.1 進行合適的拖拉機冷卻液選擇

高溫冷卻技術(shù)，提出發(fā)動機工作的最高溫度最好不要超過105℃。由于海拔的影響以及冷卻系統(tǒng)內(nèi)壓力的影響，冷卻液的沸點需要控制在110℃左右。

1.1.1 冷卻介質(zhì)為水

表1為不同條件下水的沸點。海拔升高，沸點下降，在保護發(fā)動機零部件和降低冷卻液沸騰概率之間選擇3500m海拔以下，發(fā)動機正常工作溫度110℃以下不會出現(xiàn)冷卻液沸騰時的水箱蓋壓力，所以選擇90kPa的水箱蓋壓力。由于水箱蓋承受壓力的同時，整個散熱器也承受相同壓力，所以當(dāng)水箱蓋壓力數(shù)值越大時，整個散熱系統(tǒng)承壓能力也需要同步增強。

1.1.2 冷卻介質(zhì)為乙二醇冷卻液

乙二醇冷卻液的冰點，會隨著乙二醇濃度的增加而降低，當(dāng)濃度達到60%時，冰點最低，為-48.3℃。當(dāng)濃度超過60%時，冰點開始回升，當(dāng)濃度達到99.9%時，冰點變成

-13.2℃。乙二醇的沸點為197.4℃，它的揮發(fā)性比水差，表面張力比水小，所以正常揮發(fā)損耗不容易發(fā)生，但當(dāng)有管道出現(xiàn)泄漏時，乙二醇更容易滲漏，從而導(dǎo)致乙二醇濃度降低。對于開放式冷卻系統(tǒng)，冷卻液只能加注至冷卻系總?cè)萘康?0%左右，否則溫度升高時容易膨脹溢出;對于封閉式冷卻系統(tǒng)，冷卻液加至70-80%，這樣當(dāng)發(fā)動機正常工作時不會出現(xiàn)冷卻液溢出的現(xiàn)象。

1.2 選擇合適的潤滑油

選擇合適的潤滑油有利于減少發(fā)動機內(nèi)部能量損失，促進動力輸出更加集中。當(dāng)動力輸出相同時，由于選擇合適的潤滑油，冷卻系統(tǒng)的散熱壓力也一并減輕。合適的潤滑油可以減少零件磨損，為發(fā)動機穩(wěn)定的動力輸出提供潤滑保障，提升潤滑油的表現(xiàn)，相當(dāng)于從源頭控制發(fā)動機多余燃燒熱量的產(chǎn)生。目前拖拉機的發(fā)動機潤滑油主要采用水冷的方式，有內(nèi)置的缸體的冷卻器或是與機油濾清器集成的機油冷卻器兩種類型。潤滑油的溫度與缸體的溫度以及冷卻液的溫度密切相關(guān)，當(dāng)水溫過高時，潤滑油油溫也升高，潤滑油粘度變差，流動性增強，所以需要潤滑油擁有良好的耐磨性。

當(dāng)柴油機各部件配合間隙較小時，對潤滑油的要求也越高，只有正確使用潤滑油并遵守用油規(guī)定，才能延長柴油機的使用壽命，避免出現(xiàn)拉缸和抱瓦的現(xiàn)象。潤滑油除了潤滑之外，也會起到冷卻的作用，飛濺的潤滑油可以帶走潤滑部件上的熱量，因此潤滑油在不同溫度下的流動性和粘度會影響柴油機機體溫度。在具體選擇時可按照如表2所示的美國SAE分類法選擇合適牌號的潤滑油。

W前的數(shù)字越小，代表低溫啟動性越好。以10W/30為例，前面的10W表示低溫粘性指數(shù)。該指數(shù)表示轉(zhuǎn)動曲軸和啟動柴油機的難易及潤滑油流向柴油機各處的潤滑性能。數(shù)值小則低溫黏性好，低溫啟動時表現(xiàn)更佳。后面30表示高溫黏性指數(shù)。但是后面的數(shù)字并不是越大越好，比如10W/30和10W/40都能適用于-18℃以上的溫度，對于W前的數(shù)字一樣，但是在-10～-5℃，明顯可以感受到10W/40要稠一些。

對于小型發(fā)動機而言，當(dāng)排量小于1.6L時，與中、大型發(fā)動機相比，在選潤滑油時也要適當(dāng)稠一些。

1.3 缸套材質(zhì)對冷卻效果的影響

文章挑選高硼珠光體、高Sn鑄鐵兩種材質(zhì)的三個缸套進行測量比對。使用脈沖激光導(dǎo)熱儀，按照閃光法測量熱擴散系數(shù)或?qū)嵯禂?shù)（GB/T22588-2008）進行導(dǎo)熱系數(shù)檢測，檢測結(jié)果如圖1、圖2所示。

對于高硼珠光體材質(zhì)的缸套來說，伴隨著溫度上升，傳熱系數(shù)明顯提升，300℃左右傳熱系數(shù)達到峰值37w/（m·k）。當(dāng)溫度高于300℃時傳熱系數(shù)呈下降趨勢。該材質(zhì)傳熱系數(shù)主要集中在25-30w/（m·k）之間。

對于高Sn鑄鐵材質(zhì)的缸套來說，隨著溫度上升，傳熱系數(shù)隨溫度上升而增大，但是在300℃和450℃左右，傳熱系數(shù)會出現(xiàn)異常變小，從而導(dǎo)致這兩個溫度附近，高Sn鑄鐵的導(dǎo)熱性能下降。該材質(zhì)傳熱系數(shù)主要集中在28-38w/（m·k）之間，兩類材質(zhì)缸套對比之后，發(fā)現(xiàn)高Sn鑄鐵導(dǎo)熱性能明顯優(yōu)于耐磨材料高硼珠光體。

1.4 冷卻水套缸孔對冷卻效果的影響

冷卻水套內(nèi)冷卻液的流動情況和傳熱效果對發(fā)動機的使用壽命及可靠性影響較為明顯。準(zhǔn)確描述和預(yù)測冷卻水套內(nèi)流動及傳熱情況有利于提升冷卻液冷卻效果。由于火花塞附近及排氣側(cè)屬于燃燒時的高溫區(qū)域，要想滿足發(fā)動機散熱需求，需要對冷卻水套進行散熱性能評估，對相應(yīng)結(jié)構(gòu)做進一步改進。

在進行冷卻水套散熱性能評估時，需要考慮發(fā)動機水套上缸孔大小及缸孔數(shù)量對流速、流量的影響。可以通過運用CFD模擬仿真，確定實際冷卻效果，對于熱負荷高的部分需要注意增加冷卻液流量或冷卻液流速。在缸體材料允許的流體應(yīng)力范圍之內(nèi)，確保重新分配的流量和流經(jīng)路徑符合發(fā)動機散熱需求，燃燒室周圍熱量比較集中的部位可以取得良好的散熱效果。

1.5 水泵工作特性對冷卻效果的影響

水泵依靠水封進行密封，水封主要包含靜環(huán)和動環(huán)兩部分，水封需要依靠動環(huán)與靜環(huán)斷面接觸且保持一定的壓力才能起到密封的作用（即動態(tài)密封）。當(dāng)水封密封性變差時，就會出現(xiàn)冷卻液泄漏的問題，同時冷卻系統(tǒng)的冷卻效果也因此受到影響。

保證水泵工作特性可以從減少水封磨損入手，通過增大動環(huán)面積（動環(huán)面積大于靜環(huán)的面積）來降低雜質(zhì)進入水泵水封的概率。在水泵殼體上也可通過增加擾流筋來提升水封附近水的流動性，防止水泵周圍產(chǎn)生的沉淀影響水泵工作特性。

2 ?冷卻系統(tǒng)改良設(shè)計

對散熱風(fēng)扇上的控制機進行改良，增設(shè)高低保護功能，增加Fault狀態(tài)，保證車主及時了解風(fēng)扇工作異常的實際原因。通過水溫信號實時采集，風(fēng)扇風(fēng)速可以根據(jù)水溫信號更加靈活地調(diào)整，可以及時開啟風(fēng)扇或是提前打開電子節(jié)溫器，通過改良，調(diào)整策略的可靠性得到進一步提升。

2.1 總體方案

配置風(fēng)扇時需要考慮以下四點：一是能夠讓風(fēng)扇常時間穩(wěn)定工作，低檔和高檔轉(zhuǎn)速能夠滿足發(fā)動機冷卻需求;二是風(fēng)扇起動電流較大，選配時需要考慮降低電磁干擾，讓風(fēng)扇可以快速起動、停止;三是工作電壓保護，電壓過低時風(fēng)扇不工作，過高時切斷風(fēng)扇工作電路;四是根據(jù)冷卻需求，選擇合適風(fēng)扇大小，控制工作噪聲。

無刷直流電機根據(jù)PID算法，通過控制步進電機輸出的占空比，使其控制轉(zhuǎn)速接近需求轉(zhuǎn)速。

2.2 控制策略

2.2.1 風(fēng)扇風(fēng)速調(diào)整

對電機的控制主要是電流環(huán)和速度環(huán)的控制。根據(jù)MCU內(nèi)中斷服務(wù)函數(shù)，設(shè)置下一次轉(zhuǎn)動中斷時需要調(diào)整占空比的時間。然后根據(jù)磁傳感器傳遞過來的電機角度位置信號，計算風(fēng)扇實際運轉(zhuǎn)速度。將實際轉(zhuǎn)速，與發(fā)動機實際散熱需求相比，確定需求值與實際值差異，調(diào)整PWM的占空比，方便電動風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速能夠快速滿足實際需求。風(fēng)扇風(fēng)速調(diào)整策略如圖3所示。

2.2.2 風(fēng)扇功能保護

風(fēng)扇狀態(tài)用控制機來進行控制，控制機工作原理如圖4軟件設(shè)計邏輯圖所示。一共分四種運行狀態(tài)，Init，Stop，Run和Fault。Init狀態(tài)下，所有MOS關(guān)閉，狀態(tài)機切換到停止?fàn)顟B(tài)。Stop狀態(tài)下，直流母線電流偏移校準(zhǔn)持續(xù)進行，電機準(zhǔn)備啟動，當(dāng)電機需要運行時，控制機可順利切換到Run狀態(tài)。當(dāng)檢測電壓小于9V或大于16V，或是電機失速時，控制機將進入Fault模式。在此故障模式下，除非人工清除故障碼，否則風(fēng)扇無法正常工作。

2.2.3 電子節(jié)溫器

在傳統(tǒng)蠟式節(jié)溫器上添加加熱電阻，保證節(jié)溫器能夠在水溫過高時提前開啟大循環(huán)。電子節(jié)溫器，需要發(fā)動機ECU能夠像判斷火花塞一樣，及時判斷電子節(jié)溫器加熱電阻的好壞。當(dāng)加熱電阻返回ECU的信號異常時，將在ECU中儲存對應(yīng)故障碼，并對電動風(fēng)扇進行常供電。多功能拖拉機原地運行時，會產(chǎn)生其它較大的額外負額，此時如果能根據(jù)實際水溫，及時調(diào)整節(jié)溫器開啟大循環(huán)的時間，將有利于提升發(fā)動機機體的實際散熱效果。

2.3 控制器控制原理

對于多功能拖拉機，原地工作時，更容易遇到水溫異常的現(xiàn)象。此時可通過提前手動打開風(fēng)扇，加強發(fā)動機機體周圍通風(fēng)，從而降低發(fā)動機機體快速升溫的發(fā)生幾率。控制器控制原理如圖5所示。

3 ?結(jié)論

國家污染物排放控制對柴油機提出越來越高的技術(shù)要求，冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機正確發(fā)揮動力的基礎(chǔ)，可以有效降低各零件燒蝕概率，有效延長柴油機正常工作時間。好的發(fā)動機溫度控制表現(xiàn)也有利于實現(xiàn)拖拉機功能的多樣化。

文章從冷卻液的選擇、潤滑油的選擇、缸體缸套材質(zhì)的選擇、缸孔數(shù)量和對應(yīng)位置的布置、維持水泵工作特性、風(fēng)扇控制設(shè)計、電子節(jié)溫器布置這七個方面對拖拉機發(fā)動機的高溫控制情況進行改良。

在冷卻液選擇中，通過合適的乙二醇溶液配比，使冷卻液冰點滿足周圍環(huán)境需求。在潤滑油選擇中，選擇耐磨性良好的潤滑油，讓拖拉機發(fā)動機的動力輸出更加集中。在缸套材質(zhì)選擇上，高Sn鑄鐵材質(zhì)的缸套導(dǎo)熱性能優(yōu)于高硼珠光體材質(zhì)的缸套。在缸孔數(shù)量和對應(yīng)位置布置上，可通過CFD仿真軟件，模擬缸體水套中冷卻液流速和流量，對冷卻液冷卻效果做進一步優(yōu)化。在維持水泵工作特性方面，通過重新布置水封、增加擾流筋降低雜質(zhì)進入水泵和水封的概率。經(jīng)過散熱風(fēng)扇的重新布置以及電子節(jié)溫器的引入，多功能拖拉機發(fā)動機的高溫控制更加精確。

經(jīng)過以上具體改良，對于原地工作的多功能拖拉機，發(fā)動機冷卻效果跟改良前相比均有明顯提升。

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