内燃叉车空空中冷发动机冷却系统的设计

来源:用户上传      作者: 侯光耀

　　摘要：介绍了空空中冷发动机冷却系统的结构组成和工作原理，以及进行空空中冷系统设计的主要环节和注意事项。
　　关键词：内燃叉车、空空中冷发动机、冷却系统、板翅式
　　
　　内燃叉车空空中冷发动机的冷却系统由空空中冷器、发动机散热器、液力变矩油冷器、风扇和各种管路等组成，以空气作为热交换介质，通过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，都能始终在良好的温度条件下正常工作。当工况和环境条件发生变化时，冷却系统也能保证发动机可靠地工作，并维持最佳的冷却温度。
　　
　　
　　系统设计特点
　　
　　空空中冷发动机冷却系统的散热性能与散热器的结构和散热面积、风扇的类型和直径、风扇转速、风扇与护风圈的位置、护风圈的结构、叉车车架和重块的结构以及散热器的进排气通道等因素密切相关。
　　
　　1、环境温度
　　设计内燃叉车空空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℃。根据杭叉公司叉车实际使用状况，设计时考虑环境温度为45℃～50℃。
　　
　　2、散热器的最高允许温度
　　柴油发动机要求的工作水温≤99℃，水冷发动机的适宜工作温度为85℃～95℃，因此推荐散热器的最高温度≤100℃。试验热平衡温度的换算公式：热平衡温度=实测发动机水温一实测环境温度+40℃。
　　
　　
　　3、风扇的选型及莫安装
　　内燃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音要明显好于高速、小直径的风扇。因此，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、相同流量和相同扇叶角度时，环形风扇(图1)的噪音要小于普通的塑料风扇和铁风扇。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％。由于风扇尖与导风罩的间隙越小经过水箱芯子的空气流量和排风压力越大，冷却效果越好，因此，在条件允许的情况下，应尽可能减小扇尖间隙。排风扇的1／3叶片应在导风罩内(图2)，吸风扇的2／3叶片在导风罩内(图3)。由于要考虑实际操作的可能性，杭叉公司设计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，风扇选择时优先选用环形风扇。
　　
　　4、散热器的结构型式
　　内燃叉车空空中冷发动机的散热器应选择除气式散热器。由于除气系统能够保证冷却系统中没有空气，能够提高冷却液的热交换能力，从而提高冷却系统的散热能力，并且有效减少缸套的穴蚀，提高发动机的寿命。
　　空空中冷发动机的散热器有管片式、管带式和板翅式三种型式。相对于管片式、管带式散热器，板翅式散热器具有传热效率高、结构紧凑、轻巧、适应性广等特点，设计时应优先选用板翅式。板翅式散热器(图4)由隔板、封条、翅片等组成，隔板主要起隔离介质、支撑、联接元件的作用，是一次换热面，也是钎料的主要来源：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；翅片是最主要换热元件，它扩大了传热面积，提高传热效率，提高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以保证风扇扫气面积最大。同时，散热器正面面积大可以匹配直径大、转速低的风扇，从而降低风扇消耗功率和噪音。此外，散热器芯子越厚阻力越大，越容易被灰尘、碎片、毛絮、昆虫堵塞。
　　由于板翅式散热器具有传热效率高、结构紧凑、轻巧、适应性广等优点，杭叉公司匹配空空中冷发动机的叉车除个别小吨位叉车选用管带串联式散热器，其余全部匹配板翅并联式散热器。
　　
　　5、散热器的布置型式
　　空空中冷发动机的散热器有串联(图5)和并联(图6)两种布置型式。
　　散热器串联连接时，空空中冷器应位于风扇与水箱和油散的中间，流经水箱和油散的空气是被中冷器加热过的空气，散热器进风温度较高，中冷器和水箱散热片的峰高和峰距不同，使散热器的风阻大大增加。同时，中冷器与水散热器容易被一些碎片堵住，不拆掉水箱很难清洗，造成散热器散热效率降低，以及水箱和油散的温度过高，影响发动机液力变矩器的正常工作。设计时要对中冷器和水箱间的间隙进行密封，使中冷器和水箱的散热片密度接近。
　　散热器并联连接就是空空中冷器、水散热器和油冷器并联在同一平面上，由于进入散热器的是未被加热的冷气，气流的阻力小，容易保养和维修，并且具有散热效率高等优点。在空间允许时，并联布置效果最好，应优先采用。
　　
　　散热器应通过橡胶减振块与车架柔性连接，以避免散热器在使用中变形时芯子受力过大，防止散热器芯子受到剧烈振动，导致散热器过早损坏。
　　
　　6、导风罩的型式
　　导风罩通常用来改善风扇的效率，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。现在使用的导风罩主要有三种形式：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。箱式和环式易于加工，且有较好的冷却效果，使用较为广泛。
　　
　　7、冷却系统的管路
　　发动机与散热器间的进、出水管应尽可能减少拐弯，尤其要特别避免小半径的弯曲。所有管路应有足够的柔性，以允许它们之间的相对运动。对于较长的管路，应考虑采用胶管与硬管相结合的结构。长的硬管应单独支撑。胶管应具有至少517kPa的爆裂压力。与空空中冷器连接的管路要尽量减少弯头，在所有弯曲的地方要使用硬管，不能使用软管。由于空空中冷系统的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，成型软弯管容易被损坏。
　　
　　8、防止暖风的回流
　　散热器排出的暖风的回流提高了散热器的进风温度，从而降低散热器的冷却效率。因此，冷却系统设计时必须密封散热器的四周，防止风扇排出的热空气被再次引入冷却用空气回路。同时，也要优化车架和配重块的设计，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。发动机的冷却液应使用50％的乙烯乙二醇与50％的纯净水的混合液。需注意的是，乙烯乙二醇的浓度不能超过68％，否则其性能会恶化。
　　
　　系统应用价值
　　
　　根据上述内燃叉车空空中冷发动机冷却系统的设计程序，杭叉公司开发设计了5-25t等系列内燃叉车空空中冷发动机冷却系统，经试验表明，冷却效果好，性能可靠。表1是在同一辆7t叉车上配串联式管带式散热器和并联式板翅式散热器热平衡水温和油温的对比，试验结果表明，使用并联的板翅式散热器发动机的热平衡水温降低了13℃，液力变矩器油温降低了23.4℃，解决了困扰多年的空空中冷发动机水温和液力变矩器油温过高的难题。

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