叉车发动机冷却系统优化设计研究

刘俊红

摘要：发动机是叉车的核心部件之一，对叉车工作效率、稳定性产生重大影响，发动机在工作过程中需要保持在合理的温度范围内，过高或者过低都会造成发动机工作不正常，冷却系统的应用有效确保了叉车发动机的工作温度，现有的叉车发动机散热器采用串联式组合结构，实际散热效果不理想，为此，采用并联方式，对发动机冷却系统进行优化设计，保证发动机正常工作。

关键词：叉车;发动机;冷却系统

0  引言

叉车发动机在工作过程中，内部工作环境不仅复杂，而且较为恶劣，需要承受较高的温度，发动机冷却系统的主要作用是确保发动机在任何工作环境下都能够处于规定的温度区间内，换言之，冷却系统不仅要防止发动机温度过高，同时也要避免发动机在低温环境下温度过低。当发动机温度超过标准区间后，会造成充气效率降低，内部燃烧不充分，并影响到发动机内部机构的配合间隙，容易引发机油变质，造成发动机内部非正常磨损，甚至还可能导致发动机拉缸;当发动机工作温度低于正常工作温度时，会造成发动机功率降低，耗油量提升，内部机油润滑性降低，提高发动机内部运行阻力等，因此，当叉车在冷启动后，冷却系统还需要实现发动机的快速升温，尽快达到正常工作温度。正常来说，发动机冷却系统分为了水冷以及风冷两种，叉车发动机主要以水冷为主，正常工作时发动机水温一般处于85℃至95℃区间内。当水冷发动机的水温过高时，会影响到发动机性能发挥，为此提高发动机冷却系统效能，保证发动机温度处于正常区间非常重要。本文对叉车发动机冷却系统进行改进，对散热器结构进行优化设计，让发动机能够稳定处于正常温度区间内。

1  具体问题分析

为了在单位时间内进入更多的空气，叉车发动机往往装配有涡轮增压装置，在进行该类发动机冷却系统设中，还应当要设置附加部件中冷器，保障发动机进气温度处于规定范围内，当叉车发动机没有设置中冷器，会导致外界的高温空气会直接进入到发动机中，造成发动机内部温度过高，对发动机产生较大的损伤[1]。叉车冷却系统也能够和其它部件连接到一起，比如说变速箱油冷器等。通常情况下，为了尽可能的降低发动机冷却系统占据的空间大小，将水冷散热器、中冷器以及变速箱油冷器结合起来，也就是复合式结构设计[2]。当下，我国叉车企业众多，选取某叉车企业生产的FD300A型叉车，该叉车安装了带有涡轮增压的发动机，冷却系统散热器采用的就是复合式结构设计，如图1所示。

图1中显示的复式结构设计为串联形式，即将水冷散热器以及中冷器放置在上方，并按照前后顺序进行排列，变速箱油冷器设计在冷却系统的最下部。尽管这样的设计具有一定的科学性，并且能够满足正常的冷却系统使用需求，然而一些叉车操作人员则表示这样规划的冷却系统散热效果不理想，很容易出现发动机温度超差的问题，影响到叉车的实际使用体验。为了解决这样的问题，对装配有这种冷却系统的叉车进行实践检测，在叉车发动机启动之后，冷却风扇开展进行工作，但是并未在水箱中发现水蒸气或者冷却液，节温器也处于正常工作状态，冷却液在不停的流动，保持循环往复运动。在通过多次的实验验证与分析之后，得出串联式冷却系统结构设计存在风阻过大的问题，很容易产生阻塞，导致发动机温度超高标准上限值，与此同时这种冷却系统结构是吹风样式，风扇在工作过程中透风性不佳，也会导致发动机温度过高[3]。

2  叉车发动机冷却系统优化设计

针对上文中叉车发动机散热器工作中存在的问题，对其进行优化和改进，在实际设计过程中需要特别重视下面几个方面[4]：第一，在符合实际安装空间的前提下，尽可能的提高散热器的有效散热面积，从而改善散热器的散热效果;第二，选用新的水泵或者增加水泵的工作转速，使得冷却水的循环周期更短，获得更快的冷却水运行速度，然而这样也会导致过多冷却水消耗能量的问题产生;第三，增加风扇的旋转速度或者提升风扇扇叶的有效面积，提高风扇的实际吹风量;第四，对散热器结构进行改进和优化，改善散热器芯部位置的通风性能。

上述四种情形中，增加单位时间内冷却水的供应量以及散热器的散热量，现阶段只是从理论层面得到证实，并且要确保供应的冷却水流量具有一个科学合理的数值，当水流量过大时显然也是不合理的。此外，增加散热风扇的旋转速度也不太切合实际，这是由于叉车发动机是安装在尾部，与普通汽车发动机相反，是后置式，当风扇的转速提高时，会产生较为严重的噪声污染，为此，需要采用一种不增加散热器风扇转速，并能够提高风扇散热效果的方法。为了合理控制成本支出，對叉车现在使用的水泵以及风扇参数不作改变，可以考虑的优化方案有以下几点[5]：第一，提高散热器有效散热面积;第二，使用速比数值低的风扇;第三，尽可能的使用散热器的正面积;第四，优化散热器结构布局，将三个冷却装置由串联方式变化为并联方式，一方面能够降低芯子厚度，避免出现阻塞问题，另一方面也可以改善风阻，增加风扇的工作效率。

在进行叉车发动机冷却系统优化设计过程中，应当要额外增加一个膨胀水箱，其主要功能是去除掉发动机以及冷却水箱中掺杂的空气，改善冷却液的热交换效果，进而强化冷却系统的散热水平。膨胀水箱要布置在水冷散热器上方，距离大概为4-6厘米。膨胀水箱的有效膨胀空间应当不小于冷却系统总容量的7%，可以承载的水冷也不能够低于系统总水量的12%，当有暖风时则要达到19%;膨胀水箱最低储水量不能够少于55mm，避免空气灌输到注水管中。膨胀水箱上要设计一个液位镜，便于观察其中的水量[6]。

重新优化设计的叉车发动机冷却系统是采用并联结构的散热器，水冷散热器、中冷器以及变速箱油冷器是按照从上往下方式规划的，如图2所示为散热器并联结构示意图。

3  叉车发动机优化冷却系统计算分析

3.1 关键设计参数

冷却系统散热量用Q表示，通常情况下，Q值大小需要通过发动机热平衡实验来获得，然而在特殊情况下，也可以借鉴同种规格的发动机热平衡实验数值。在进行Q值计算过程中，主要受到冷却液流量m、比热容cp、首尾温差dt的影响，其计算公式如下[7]：

3.2 散热器结构优化设计

依照发动机冷却系统系统散热器的散热量、外部尺寸等数据，可以得到散热面积A、正面积以及散热器关键尺寸。散热器散热面积A计算公式如下[8]：

紧接着依照整体设计要求，利用计算公式得到散热器各个部位的关键尺寸，首先获得散热器芯部的长度L与宽度w尺寸，计算公式为：w=AR/L;紧接着计算芯部厚度δR，计算公式为：δR=A/（ARΦ），其中Φ表示为芯部的容积紧凑性系数，通常取值区间为480-950m2/m3[10]。

4  结语

综上所述，叉车是现代搬运机械中十分重要的一部分，在推动我国行业发展上发挥了关键性的作用。发动机是叉车正常运行的核心部件，能够为叉车提供工作的动力，发动机运行环境恶劣、运转要求较为苛刻，必须要确保发动机工作中始终处于合理的温度区间内，防止发动机因为温度过高或者高低出现问题，以往的发动机冷却系统采用串联方式连接，实际散热效果不佳，极易引发发动机温度超差的问题。为了避免这种故障的出现，对叉车发动机冷却系统进行优化设计，将水冷散热器、中冷器以及变速箱油冷器是按照从上往下方式并联起来，能够有效提升冷却系统散热效果，保证发动机持续稳定的运行。

参考文献：

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[3]张秉坤，赵津，马秀勤，郑明强.基于AMESim发动机冷却系统的参数匹配仿真分析[J].机械设计与制造，2016（12）：190-193.

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[9]侯光耀.浅谈内燃机叉车空空中冷发动机冷却系统的设计[J].中国储运，2011（02）：92-94.

[10]之瑜，范瑾.性能保證  强劲动力  OM叉车的“心脏”——道依茨油冷式发动机[J].中国储运，2007（02）：86.