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叉车中冷发动机冷却系统的设计
发布时间:2012-09-13     来源:
  1.冷却系统结构和工作原理
  叉车中冷发动机的冷却系统由空—空中冷器、水散热器、液力变矩油冷器、风扇和各种管路等组成,分别以空气、冷却液和变矩器油作热交换介质,通过应用较强散热能力的散热器,保证发动机和液力变矩器在各种苛刻使用工况下,都能始终在良好温度条件下正常运转。当工况和环境条件变化时,冷却系统也能保持最佳的冷却温度,保证发动机可靠地工作。
  2.冷却系统设计要点
  中冷发动机冷却系统的散热性能与散热器的结构、散热面积、风扇类型和转速、风扇与护风圈的位置、护风圈的结构、叉车车架和配重块的结构以及散热器的进、排通道等因素息息相关。
  (1)环境温度
  设计内燃叉车中冷发动机的冷却系统,首先要考虑发动机正常工作时能够承受的最高环境温度。它是衡量冷却系统性能的一个重要指标,一般温带地区不能低于40℃,热带和沙漠地区约为50℃。我公司叉车的环境温度定为45~50℃。
  (2)散热器的最高允许温度
  由于水冷发动机的适宜工作温度为85~95℃,推荐水散热器的最高温度≤100℃,试验热平衡温度的换算公式:热平衡温度=实测发动机水温-实测环境温度+ 40℃。
  (3)风扇的选型及安装
  叉车的发动机安装在后端,一般选择排风扇。在消耗功率相同的情况下,低速、大直径风扇的冷却效果和噪声要明显好于高速、小直径风扇。选择风扇时,要注意风扇的叶尖线速度不要超过4200~5000m/min,在相同直径、流量和扇叶角度的情况下,环形风扇的噪声要低于普通塑料风扇和铁风扇。
  排风扇至散热器芯子的距离应大于80mm,风扇叶尖和导风罩之间的间隙一般为风扇直径的1.5%~2.5%。风扇叶尖与导风罩的间隙越小,经过散热器芯子的空气流量和排风压力越大,冷却效果就越好,所以在条件允许下应尽可能减小扇尖间隙。排风扇的1/3叶片应在导风罩内(见图1),吸风扇的2/3叶片应在导风罩内(见图2)。考虑到实际操作的可能性,我公司优先选用环形风扇,风扇与导风罩之间的间隙为15mm,风扇端面距散热器端面的距离在80~120mm之间。
  (4)散热器的结构形式
  中冷发动机应选择除气式散热器。该种散热器的除气系统能够保证水冷却系统中没有空气,提高冷却液的热交换能力,从而提高冷却系统的散热能力,有效提高发动机的使用寿命。
  中冷发动机的散热器有管片式、管带式和板翅式3种型式,板翅式散热器相对于管片式、管带式散热器具有传热效率高、结构紧凑、轻巧和适应性广等特点。我公司匹配中冷发动机的叉车,除个别小吨位的选用管带串联式散热器外,其余全部匹配板翅并联式散热器。
  板翅式散热器(见图3)由隔板、封条、翅片等组成,隔板主要起隔离介质、支撑和连接元件的作用,是一次换热面。封条是组成封闭通道的侧封,是有压通道的主要承压件和板束的框架支撑。翅片是最主要的换热元件,它扩大了传热面积,提高了传热效率、散热器的强度和承压能力。
  在空间允许的情况下,应优先选择正面面积大、厚度薄、正方形的散热器芯子。正方形的散热器芯子可保证风扇扫气面积最大,同时正面面积大的散热器可匹配直径大、转速低的风扇,从而使风扇消耗功率和噪声降低。散热器芯子越薄,阻力越小,更不容易被灰尘、碎片、毛絮和昆虫等异物堵塞。
  (5)散热器的布置形式
  中冷发动机的散热器有串联(见图4)和并联(见图5)2种。散热器并联连接就是中冷器、水散热器和油冷器并联在同一平面上。采用此方式,进入散热器的冷气未被加热,气流的阻力小,容易保养和维修。
  并联式散热器具有风阻小、散热效率高等优点,布置时应优先采用并联式结构。
  散热器串联连接时,中冷器位于风扇与水散热器和油冷器之间,由于流经水散热器和油冷器的空气被中冷器加热过,因此散热器进风温度较高。散热器串联连接时,若中冷器和水散热器散热片的峰高和峰距不同,将使整个散热器的风阻大大增加。此外,中冷器与水散热器间的间隙还容易被一些碎片堵住,不拆掉水散热器很难清洗,从而造成散热器散热效率降低,影响发动机和液力变矩器的正常工作。串联管带式与并联板翅式散热器进口水温与变矩器出口油温如附表所示。因此要对中冷器和水散热器间的间隙进行密封,使中冷器和水散热器的散热片密度接近。
  散热器通常通过橡胶减振块与车架柔性连接,以避免散热器变形时芯子受力过大,产生剧烈振动,导致散热器过早损坏。经过不断探索和试验,我们给5~25t叉车的中冷发动机配置了并联板翅式散热器,取得了很好的冷却效果。
  (6)导风罩的形式
  导风罩通常用来提高风扇的效率,使空气在芯子上获得更均匀的分布,并且阻止发动机机舱内的空气回流。现在使用的主要有3种形式:文杜里式、环式和箱式。文杜里式导风罩提供了最高的风扇效率,但比较难加工,未被广泛使用。箱式和环式由于容易加工且有较好的冷却效果,被广泛使用,我公司生产的导风罩全部采用箱式。
  (7)冷却系统的管路
  发动机与散热器间的进、出管路应尽可能减少拐弯(避免小半径弯曲),并有足够的柔性。对于较长的管路,应采用胶管与硬管相结合的结构,胶管应至少具有517kPa的抗爆裂能力。与中冷器连接的管路在所有弯曲的地方都要使用硬管,并尽量减少弯头。这是由于中冷系统管路中都有较高的温度和压力,加上各个系统间的相对运动,使用成型软弯管容易损坏。
  (8)防止暖风回流
  散热器排出的暖风回流会使散热器的进风温度提高,散热器的冷却效率降低。为防止风扇排出的热空气被再次引入冷却用空气回路,设计时必须考虑密封散热器的四周,同时要优化设计车架和配重块,保证进、出散热器的气流顺畅。
  (9)冷却液
  冷却液具有防冻和防沸的双重作用,同时还具有防腐蚀等功能。发动机应使用50%乙烯乙二醇与50%纯净水的混合液作为冷却液。
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