基于大功率防爆电喷柴油机冷却系统的优化方法研究

黄钻

【摘  要】针对大功率防爆电喷柴油机频繁高温问题，对大功率防爆电喷柴油机本体冷却与排气系统冷却进行优化，采用优化设计后的防爆柴油机冷却系统，将其内、外循环系统设计成半独立的双循环系统，且外循环中串、并联混合使用。

【关键词】柴油机;冷却系统;优化;双循环

对于防爆柴油机而言，在普通柴油机大、小2个循环水路的基础上，多了一路排气系统冷却，通常做法是仍与原冷却系统共用1个冷却水泵（即单循环应用），采用串联式冷却，即从缸盖的出水管中将冷却水引流，依次流经双层排气歧管、水冷增压器、水冷双层排气管中来冷却尾气;从排气冷却的冷却水从水泵上直接引取，根据机体散热量和排气冷却散热量分配冷却水流量;从排气冷却系统出口出来的冷却水再回到节温器端（或直接返回散热器，参与到大循环中），之后经节温器回散热器。

1防爆柴油机冷却系统设计要求

（1）散热能力能满足防爆柴油机在各复杂运行工况时的需要。当车辆运行工况和环境条件发生改变时，需能保证防爆柴油机工作可靠、稳定和维持较佳的冷却水温度（冷却液出口的温度≤98℃）;

（2）散热系统有足够的抗压能力和膨胀空间;冷却效率高，可靠性好，风扇（阻燃抗静电型）运转可靠，噪声低;耗功小（即防爆柴油机在启动后能在短时间内达到较佳的工作温度）;

（3）冷却系统能保证防爆柴油机在运行时满足MT990-2006《矿用防爆柴油机通用技术条件》中防爆柴油机表面温度不高于150℃、尾气排放最终温度不高于70℃的使用要求。中、重型支架搬运车配套用大功率防爆电喷柴油机运行故障统计数据来看，其大功率防爆柴油机因高温出现了多次停工，严重影响了煤矿生产企业的正常生产作业。为彻底解决此问题，针对大功率防爆柴油机冷却原理，对其进行分析并进行优化设计，从根本上解决此问题。

传统地面用柴油机的冷却系统，有大小循环水路2个。以康明斯L型机为例，在柴油机运行过程中水温低于81℃时，节温器关闭，冷却液不经散热器，直接进行内部小循环冷却;但当发动机水温升至81℃时，节温器开始部分开启，水温升至93℃时节温器全部开启;冷却液流经散热器参与大循环冷却后被吸入到水泵中进行循环应用。

冷却系统管路连接方案在当前应用的中小功率段（柴油机防爆后低于85kW时）防爆柴油机上使用时效果较佳，基本能够满足热平衡需要;但在大功率（防爆后功率在200kW以上）防爆柴油机上使用时，效果欠佳，防爆柴油机在长距离大坡度运行时，易出现水温偏高，甚至开锅现象，因此，大功率防爆柴油机的冷却系统需进行优化设计。

2大功率防爆柴油机冷却系统的优化设计

大功率防爆柴油机采用单循环并联式冷却系统时，在台架试验或装车测试检查发现排气冷却系统的进、回水口温差较大，超出了发动机正常温差范围;并且由于防冻液（或冷却水）在冷却高温排气段时，冷却液的流经通道明显延长，导致了沿程阻力和局部阻力都显著增大，因此，原机用的单水泵流量已不能完全满足需求，需进行适当增大。

为满足需求，在空间允许的情况下，增大散热正面积可以解决相关问题;但空间受限时，即总布置不允许加大散热器尺寸的情况下，则要依靠提高散热系数和液气平均温差的方法提高散热能力。提高散热系数可通过重新选择散热器芯部高度和宽度，同时结合实际，合理安排冷却水管截面和冷却水管的排列来解决;或者通过增大冷却风扇的扇叶数量、直径、偏转角度以及提高发动机转速等来实现;但是如果相关方案采用后，经综合评定（兼顾经济性和性价比）仍然不能满足需求，提高液气平均温差还可采用另外一种设计方案，即增大水泵流量，常用方式是增加1个水泵，来提高冷却效率，即设计双循环水泵的方式解决。

改进设计后的双循环冷却系统分成内、外2个独立（或半独立）的强制循环式水冷系统。独立双循环冷却系统的应用前提是2个水泵都能完全满足各自的散热流量需求。内循环通常为防爆柴油机本体的冷却，主要是冷却防爆柴油机的缸体、缸盖等，保证其正常工作;而所谓的外循环是相对而言的，为冷却柴油机本体以外的防爆部件，如冷却增压器等排气防爆部件的冷却水路。需保证防爆柴油机正常工作时水冷增压器、水冷排气歧管和水冷排气弯管等高温部件表面温度满足防爆要求。

内循环的工作原理：冷却液经主水泵（通常为发动机本体自带的离心式水泵）吸入后，加压输送进入防爆柴油机的缸体水套，然后向上流入到气缸盖水套中，冷却缸体和缸盖后回到节温器处;当温度较低时（低于81℃），冷却液进行小循环冷却，不回主散热器;当温度升至81℃时，节温器开始开启，部分或全部冷却液流经主散热器中，经冷却后，再次被主水泵吸入，参与大循环冷却。

3防爆柴油机冷却系统优化前后试验对比

东康6116柴油机本体的冷却水泵（主水泵）在标定工况下流量为248L/min，而外联的第2水泵（副水泵，从空压机后端取力）流量为80L/min（标定工况）;主水泵的吸水口管径为准57mm，而副水泵的进、出水口管径为准25mm;两者差别较大;依据《6116型防爆柴油机试验大纲》在台架上进行了多种方案的组合试验。

3.1 提出方法

将主、副（独立）水散的散热正面积设计为6.5∶3.5，同时，经估算，副水散独立冷却排气系统部件仍然存在困难，故在水路连接时，将热负荷最大的部位（水冷排气歧管和水冷增压器）采用第2水泵配套副水散进行冷却;而水冷增压器后的排气防爆部件（排气波纹管和排气弯管段）的冷却由机体冷却（内循环）系统参与进行冷却;结果发现：主水路水温正常（能够稳定，稳定后温度约在90℃左右，能达到热平衡需求）;副水散水路串联或并联连接后，冷却水温仍然不能稳定，水温持续上升，因此，排气系统的热负荷过高，水冷排气歧管有热裂风险。因此，此方案仍需改进;

3.2 改进方法

水冷排气歧管设置2路进水口，由于水冷排气歧管和水冷增压器之间通过法兰面过水联接，因此在水冷增压器上设置有2个回水口，水路连接方式：主泵从主散热器吸入冷却水后，一路冷却缸体和缸盖，之后回主水散;但在机体第6缸部位处分流一部分冷却水继续冷却水冷排气波纹管和排气弯管，之后回主水路三通;另一路从主水泵出水口处直接分流一路水参与到水冷排气歧管和水冷增压器的冷却，最后经主水路三通回主水散;副水泵从副水散吸入冷却水后，直接注入水冷排气歧管的第2个进水口，之后冷却排气歧管，增压器后返回副水散，如此双循环系统，串、并联混合使用。

试验结果：外特性工况下，大功率防爆柴油机输出功率为252.4kW（2000r/min），输出扭矩为1414.8Nm（1600r/min），达到设计要求。同时热平衡性试验时，在标定点转速和扭矩点转速下满负荷工况时分别运行2h，室温一直保持至40℃以上（模拟环境温度40℃）时，发动机水温和排气冷却系统水温均能达到热平衡需求，且达到平衡时，本体冷却水温最高为92℃;外循环水路水温最高为94℃。各高温部位的表面温度测试时，增压器联接法兰处温度最高，最高温度为142℃，低于150℃的防爆要求，且经水洗、冷却后的最终排气温度为64℃，远低于70℃的防爆要求。因此，改进方法满足使用需求，此方案可行。

4结论

采用优化设计后的防爆柴油机冷却系统，将其内、外循环系统设计成半独立的双循环系统，且外循环中串、并联混合使用，获得了较为理想的试验效果。

参考文献：

[1]石章能，王洪荣.小型柴油机冷却系统优化设计[J].汽车工程学报，2015，5（05）：348-352.

[2]吴伋.船用柴油机燃烧室组件的流固耦合传热研究與活塞强度分析[D].大连海事大学，2014.

（作者单位：中石化西南石油工程有限公司临盘钻井分公司）