叉車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

1、 叉車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 劉俊紅Summary：發(fā)動(dòng)機(jī)是叉車的核心部件之一，對(duì)叉車工作效率、穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中需要保持在合理的溫度范圍內(nèi)，過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)工作不正常，冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用有效確保了叉車發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度，現(xiàn)有的叉車發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器采用串聯(lián)式組合結(jié)構(gòu)，實(shí)際散熱效果不理想，為此，采用并聯(lián)方式，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作。Key：叉車;發(fā)動(dòng)機(jī);冷卻系統(tǒng)0 引言叉車發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中，內(nèi)部工作環(huán)境不僅復(fù)雜，而且較為惡劣，需要承受較高的溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的主要作用是確保發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工作環(huán)境下都能夠處于規(guī)定的溫度區(qū)間內(nèi)，換言之，冷卻系統(tǒng)不僅

2、要防止發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高，同時(shí)也要避免發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境下溫度過(guò)低。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間后，會(huì)造成充氣效率降低，內(nèi)部燃燒不充分，并影響到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)的配合間隙，容易引發(fā)機(jī)油變質(zhì)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部非正常磨損，甚至還可能導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)拉缸;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度低于正常工作溫度時(shí)，會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率降低，耗油量提升，內(nèi)部機(jī)油潤(rùn)滑性降低，提高發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部運(yùn)行阻力等，因此，當(dāng)叉車在冷啟動(dòng)后，冷卻系統(tǒng)還需要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的快速升溫，盡快達(dá)到正常工作溫度。正常來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)分為了水冷以及風(fēng)冷兩種，叉車發(fā)動(dòng)機(jī)主要以水冷為主，正常工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫一般處于85至95區(qū)間內(nèi)。當(dāng)水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫過(guò)高時(shí)，會(huì)影響到發(fā)動(dòng)機(jī)性能發(fā)揮，為

3、此提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)效能，保證發(fā)動(dòng)機(jī)溫度處于正常區(qū)間非常重要。本文對(duì)叉車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，讓發(fā)動(dòng)機(jī)能夠穩(wěn)定處于正常溫度區(qū)間內(nèi)。1 具體問(wèn)題分析為了在單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入更多的空氣，叉車發(fā)動(dòng)機(jī)往往裝配有渦輪增壓裝置，在進(jìn)行該類發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)中，還應(yīng)當(dāng)要設(shè)置附加部件中冷器，保障發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度處于規(guī)定范圍內(nèi)，當(dāng)叉車發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有設(shè)置中冷器，會(huì)導(dǎo)致外界的高溫空氣會(huì)直接進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)中，造成發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部溫度過(guò)高，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大的損傷1。叉車?yán)鋮s系統(tǒng)也能夠和其它部件連接到一起，比如說(shuō)變速箱油冷器等。通常情況下，為了盡可能的降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)占據(jù)的空間大小，將水冷散熱器、中冷器以及變速

4、箱油冷器結(jié)合起來(lái)，也就是復(fù)合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2。當(dāng)下，我國(guó)叉車企業(yè)眾多，選取某叉車企業(yè)生產(chǎn)的FD300A型叉車，該叉車安裝了帶有渦輪增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)，冷卻系統(tǒng)散熱器采用的就是復(fù)合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖1所示。圖1中顯示的復(fù)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為串聯(lián)形式，即將水冷散熱器以及中冷器放置在上方，并按照前后順序進(jìn)行排列，變速箱油冷器設(shè)計(jì)在冷卻系統(tǒng)的最下部。盡管這樣的設(shè)計(jì)具有一定的科學(xué)性，并且能夠滿足正常的冷卻系統(tǒng)使用需求，然而一些叉車操作人員則表示這樣規(guī)劃的冷卻系統(tǒng)散熱效果不理想，很容易出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度超差的問(wèn)題，影響到叉車的實(shí)際使用體驗(yàn)。為了解決這樣的問(wèn)題，對(duì)裝配有這種冷卻系統(tǒng)的叉車進(jìn)行實(shí)踐檢測(cè)，在叉車發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)之后，冷卻風(fēng)扇

5、開(kāi)展進(jìn)行工作，但是并未在水箱中發(fā)現(xiàn)水蒸氣或者冷卻液，節(jié)溫器也處于正常工作狀態(tài)，冷卻液在不停的流動(dòng)，保持循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在通過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析之后，得出串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在風(fēng)阻過(guò)大的問(wèn)題，很容易產(chǎn)生阻塞，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)溫度超高標(biāo)準(zhǔn)上限值，與此同時(shí)這種冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是吹風(fēng)樣式，風(fēng)扇在工作過(guò)程中透風(fēng)性不佳，也會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高3。2 叉車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)針對(duì)上文中叉車發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器工作中存在的問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中需要特別重視下面幾個(gè)方面4：第一，在符合實(shí)際安裝空間的前提下，盡可能的提高散熱器的有效散熱面積，從而改善散熱器的散熱效果;第二，選用新的水泵或者增加水泵的工作轉(zhuǎn)

6、速，使得冷卻水的循環(huán)周期更短，獲得更快的冷卻水運(yùn)行速度，然而這樣也會(huì)導(dǎo)致過(guò)多冷卻水消耗能量的問(wèn)題產(chǎn)生;第三，增加風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速度或者提升風(fēng)扇扇葉的有效面積，提高風(fēng)扇的實(shí)際吹風(fēng)量;第四，對(duì)散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，改善散熱器芯部位置的通風(fēng)性能。上述四種情形中，增加單位時(shí)間內(nèi)冷卻水的供應(yīng)量以及散熱器的散熱量，現(xiàn)階段只是從理論層面得到證實(shí)，并且要確保供應(yīng)的冷卻水流量具有一個(gè)科學(xué)合理的數(shù)值，當(dāng)水流量過(guò)大時(shí)顯然也是不合理的。此外，增加散熱風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速度也不太切合實(shí)際，這是由于叉車發(fā)動(dòng)機(jī)是安裝在尾部，與普通汽車發(fā)動(dòng)機(jī)相反，是后置式，當(dāng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速提高時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的噪聲污染，為此，需要采用一種不增加散熱器

7、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，并能夠提高風(fēng)扇散熱效果的方法。為了合理控制成本支出，對(duì)叉車現(xiàn)在使用的水泵以及風(fēng)扇參數(shù)不作改變，可以考慮的優(yōu)化方案有以下幾點(diǎn)5：第一，提高散熱器有效散熱面積;第二，使用速比數(shù)值低的風(fēng)扇;第三，盡可能的使用散熱器的正面積;第四，優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)布局，將三個(gè)冷卻裝置由串聯(lián)方式變化為并聯(lián)方式，一方面能夠降低芯子厚度，避免出現(xiàn)阻塞問(wèn)題，另一方面也可以改善風(fēng)阻，增加風(fēng)扇的工作效率。在進(jìn)行叉車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)要額外增加一個(gè)膨脹水箱，其主要功能是去除掉發(fā)動(dòng)機(jī)以及冷卻水箱中摻雜的空氣，改善冷卻液的熱交換效果，進(jìn)而強(qiáng)化冷卻系統(tǒng)的散熱水平。膨脹水箱要布置在水冷散熱器上方，距離大概為4-6厘

8、米。膨脹水箱的有效膨脹空間應(yīng)當(dāng)不小于冷卻系統(tǒng)總?cè)萘康?%，可以承載的水冷也不能夠低于系統(tǒng)總水量的12%，當(dāng)有暖風(fēng)時(shí)則要達(dá)到19%;膨脹水箱最低儲(chǔ)水量不能夠少于55mm，避免空氣灌輸?shù)阶⑺苤?。膨脹水箱上要設(shè)計(jì)一個(gè)液位鏡，便于觀察其中的水量6。重新優(yōu)化設(shè)計(jì)的叉車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)的散熱器，水冷散熱器、中冷器以及變速箱油冷器是按照從上往下方式規(guī)劃的，如圖2所示為散熱器并聯(lián)結(jié)構(gòu)示意圖。3 叉車發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)計(jì)算分析3.1 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)冷卻系統(tǒng)散熱量用Q表示，通常情況下，Q值大小需要通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得，然而在特殊情況下，也可以借鑒同種規(guī)格的發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡實(shí)驗(yàn)數(shù)值。在進(jìn)行Q值計(jì)算過(guò)程

9、中，主要受到冷卻液流量m、比熱容cp、首尾溫差dt的影響，其計(jì)算公式如下7：3.2 散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)依照發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)散熱器的散熱量、外部尺寸等數(shù)據(jù)，可以得到散熱面積A、正面積以及散熱器關(guān)鍵尺寸。散熱器散熱面積A計(jì)算公式如下8：緊接著依照整體設(shè)計(jì)要求，利用計(jì)算公式得到散熱器各個(gè)部位的關(guān)鍵尺寸，首先獲得散熱器芯部的長(zhǎng)度L與寬度w尺寸，計(jì)算公式為：w=AR/L;緊接著計(jì)算芯部厚度R，計(jì)算公式為：R=A/（AR），其中表示為芯部的容積緊湊性系數(shù)，通常取值區(qū)間為480-950m2/m310。4 結(jié)語(yǔ)綜上所述，叉車是現(xiàn)代搬運(yùn)機(jī)械中十分重要的一部分，在推動(dòng)我國(guó)行業(yè)發(fā)展上發(fā)揮了關(guān)鍵性的作用。發(fā)動(dòng)機(jī)是叉

10、車正常運(yùn)行的核心部件，能夠?yàn)椴孳囂峁┕ぷ鞯膭?dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境惡劣、運(yùn)轉(zhuǎn)要求較為苛刻，必須要確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作中始終處于合理的溫度區(qū)間內(nèi)，防止發(fā)動(dòng)機(jī)因?yàn)闇囟冗^(guò)高或者高低出現(xiàn)問(wèn)題，以往的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)采用串聯(lián)方式連接，實(shí)際散熱效果不佳，極易引發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度超差的問(wèn)題。為了避免這種故障的出現(xiàn)，對(duì)叉車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將水冷散熱器、中冷器以及變速箱油冷器是按照從上往下方式并聯(lián)起來(lái)，能夠有效提升冷卻系統(tǒng)散熱效果，保證發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行。Reference：1許翔，劉瑞林，劉剛，任曉江，周平.大氣壓力對(duì)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)熱平衡影響的研究J.汽車工程，2012，34（07）：592-595.2盛德號(hào)，崔

11、海梁，李洪，傅春宇.發(fā)動(dòng)機(jī)電控水泵冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究J.流體機(jī)械，2012，40（04）：5-9.3張秉坤，趙津，馬秀勤，鄭明強(qiáng).基于AMESim發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的參數(shù)匹配仿真分析J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（12）：190-193.4賀毅.內(nèi)燃平衡重式叉車?yán)鋮s系統(tǒng)過(guò)熱故障分析與排除J.工程機(jī)械，2004（10）：49-51，2.5余建福，溫躍清，陳曾.靜液壓驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)及其在叉車上的應(yīng)用J.叉車技術(shù)，2015（01）：17-20.6閆兆民.內(nèi)燃叉車?yán)鋮s系統(tǒng)過(guò)熱的原因分析及優(yōu)化措施J.叉車技術(shù)，2013（02）：13-15，23.7白獻(xiàn)敏.4.5T內(nèi)燃叉車?yán)鋮s系統(tǒng)過(guò)熱的原因分析及改進(jìn)措施J.才智，