天然氣礦用自卸車發(fā)動機過熱問題研究

張廣會 尤曉明

摘 要：匹配自動變速器的天然氣礦用自卸車在某礦區(qū)出現(xiàn)發(fā)動機過熱問題，導(dǎo)致運輸效率下降。本文針對發(fā)動機過熱問題進(jìn)行了試驗研究，找到了產(chǎn)生過熱問題的主要原因。通過對整車?yán)鋮s系統(tǒng)的改進(jìn)使問題得到了解決。

關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)動機;過熱;自動變速器;變扭器效率;冷卻系統(tǒng)

1 導(dǎo)言

多臺匹配自動變速器的天然氣礦用自卸車在某煤礦進(jìn)行物料運輸時，重載上坡出現(xiàn)發(fā)動機水溫過高的，動力性下降問題，嚴(yán)重影響了礦區(qū)的正常生產(chǎn)，用戶對此抱怨極大。本文針對天然氣發(fā)動機過熱問題進(jìn)行了研究。

2 匹配自動變速器的天然礦用自卸車?yán)鋮s系統(tǒng)原理

匹配自動變速器的天然氣礦用自卸車整車?yán)鋮s系統(tǒng)有其特殊性，與傳統(tǒng)匹配機械變速器的車型相比，需要對自動變速器潤滑油進(jìn)行冷卻。冷卻自動變速器油的裝置是油冷器，而油冷器吸收的熱量需要傳遞到發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，然后由發(fā)動機的散熱器將熱量散掉，達(dá)到冷卻自動變速器油的目的。匹配自動變速器的天然氣礦用自卸車整車?yán)鋮s系統(tǒng)主要由發(fā)動機冷卻系和自動變速器冷卻系統(tǒng)組成，其中發(fā)動機冷卻系統(tǒng)由水泵、散熱器、風(fēng)扇、節(jié)溫器、發(fā)動機出水管、發(fā)動機進(jìn)水管組成。自動變速器冷卻系統(tǒng)由油冷器、變速器出油管、變速器進(jìn)油管、油冷器進(jìn)水管、油冷器出水管組成。整車?yán)鋮s系統(tǒng)的熱源有兩個，一個是發(fā)動機，一個是變速器。當(dāng)發(fā)動機出水溫度低于節(jié)溫器開啟溫度時，屬于“小循環(huán)”冷卻模式，冷卻液循環(huán)路徑是：冷卻液在水泵的驅(qū)動下，經(jīng)發(fā)動機出水管，流經(jīng)油冷器，在油冷器內(nèi)進(jìn)行熱交換，吸收變速器油的熱量后冷卻液再流回發(fā)動機，如此往復(fù)循環(huán)。當(dāng)發(fā)動機出水溫度高于節(jié)溫器的開啟溫度時，節(jié)溫器打開，形成“大循環(huán)”冷卻模式，冷卻液循環(huán)路徑是：高溫的冷卻液經(jīng)發(fā)動機出水管，進(jìn)入散熱器，在散熱器進(jìn)行熱交換，將熱量散發(fā)到大氣中，從散熱器出來的低溫冷卻液再流經(jīng)油冷器，吸收變速器油的熱量后，再流回發(fā)動機，如此往復(fù)循環(huán)。整車?yán)鋮s系統(tǒng)原理圖，見圖1。

3 冷卻系統(tǒng)匹配計算

3.1 冷卻系統(tǒng)匹配計算

天然氣在發(fā)動機內(nèi)燃燒放出的能量流向分布見圖2。

根據(jù)圖2的天然氣燃燒后的能量分布進(jìn)行冷卻系統(tǒng)功率匹配計算，在發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速1900r/min時，天然氣燃燒放出的熱量Q——772.82kW，Q被分成四部分消耗，包括：

其中指示功率Pi又包含了有效功率和機械損失。由自動變速器工作原理介紹可知，自動變速器需要油冷器進(jìn)行冷卻，而油冷器吸收的熱量QT就屬于傳動系機械損失產(chǎn)生熱量。也就是說發(fā)動機燃燒輸出的指示功率Pi有部分經(jīng)油冷器以熱能的形式又傳遞給了發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)。油冷器傳遞的熱量的多少，與變扭器的工作變扭效率密切相關(guān)。

根據(jù)此型號自動變速器與發(fā)動機的匹配關(guān)系，在70%效率點時，熱負(fù)荷為81.1kW，在80%效率點時，熱負(fù)荷為57.3kW。

可見，如果自動變速器的變扭器處于變扭狀態(tài)時，熱負(fù)荷所占發(fā)動機散熱器的比例非常高，必然會給發(fā)動機冷卻系帶來沉重負(fù)擔(dān)。

3.2 故障再現(xiàn)

針對用戶反映的天然氣礦用自卸車過熱問題，使用一臺與用戶車輛配置完全相同的車輛，在場地進(jìn)行了道路熱平衡試驗。分別進(jìn)行了發(fā)動機最大扭矩點、額定功率點和自動變速器70%變扭效率點的摸底試驗。試驗結(jié)果，發(fā)動機最大扭矩點、額定功率點按液氣溫差計算的許用環(huán)境溫度均滿足使用要求和標(biāo)準(zhǔn)要求，而自動變速器70%變扭效率點，發(fā)動機出水溫度超過100℃，仍然無法達(dá)到平衡狀態(tài)，存在過熱現(xiàn)象。

3.3 原因分析

對用戶現(xiàn)場采集的車輛運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，由于車輛是重載上坡，車速8km/h左右，自動變速器擋位多數(shù)時間都處于1擋和2擋。發(fā)動機負(fù)荷較低時，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速逐漸升高，變扭器的渦輪轉(zhuǎn)速逐漸接近于泵輪轉(zhuǎn)速，閉鎖離合器接合，發(fā)動機與變速器間處于機械傳動狀態(tài)。隨著發(fā)動機負(fù)荷的增加，需要的輸出的扭矩增加，此時自動變速器的閉鎖離合器會分離，當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速低于泵輪轉(zhuǎn)速，變扭器處于變扭狀態(tài)。此時，由于渦輪和泵輪間存在轉(zhuǎn)速差，傳遞效率下降，發(fā)熱量增加，轉(zhuǎn)速差越大，發(fā)熱量也就越高。熱量經(jīng)油冷器進(jìn)行熱交換，傳遞給發(fā)動機冷卻系，這樣必然增加了發(fā)動機的熱負(fù)荷，導(dǎo)致發(fā)動機過熱。此情況正與匹配計算結(jié)果相符，同時也與場地試驗中的變扭器70%效率點工況相符。所以，過熱的原因就是變扭器長時間變扭導(dǎo)致。

4 解決措施

解決過熱問題，利用傳熱學(xué)理論，宏觀上可以從以下幾個方面采取措施，

（一）控制熱源。（二）控制冷源。（三）控制熱傳遞路線。

控制熱源，即降低變扭器的發(fā)熱量。根據(jù)自動變速器工作原理可知，為了降低變扭器的發(fā)熱量，只有使其處于閉鎖狀態(tài)時，發(fā)熱量才最低。當(dāng)車輛低擋（如1擋、2擋）上坡時，隨著負(fù)荷增加，變扭器渦輪與泵輪間的轉(zhuǎn)速差變大，變扭器處于變扭狀態(tài)，從而使發(fā)動機的熱負(fù)荷增大。如果想使其閉鎖，可以選擇提高發(fā)動機扭矩，或者降低車輛行駛阻力。此款車型匹配的420馬力發(fā)動機，功率已經(jīng)沒有提升空間，車輛的裝載量及運行路線坡度阻力也無法改變，所以無法通過改變動力傳動系統(tǒng)的配置使變扭器達(dá)到閉鎖狀態(tài)，所以控制熱源的方案不可行。

控制冷源。由于冷源就是車輛運行的自然環(huán)境，包括環(huán)境溫度、風(fēng)速、濕度等等，不可控，所以排除此方案。

控制熱傳遞路線，即提高散熱效率。為了提高散熱效率，可以采取增加散熱器正通風(fēng)面積、增加散熱器散熱面積、加大進(jìn)風(fēng)流量、改善機艙空氣流通性能、加大冷卻液流速等措施。為此采取的改進(jìn)措施，包括拆前臉、拆前保險杠、拆第一前橫梁、拆機艙雙側(cè)艙簾、換多葉片無輪轂風(fēng)扇、并聯(lián)附水箱和電控液壓驅(qū)動風(fēng)扇+大尺寸散熱器等措施，對每個方案進(jìn)行熱平衡試驗驗證。

5 試驗驗證

5.1 場地道路熱平衡試驗驗證

（1）拆前臉、拆前保險杠、拆第一前橫梁、拆機艙雙側(cè)艙簾、換多葉片無輪轂風(fēng)扇驗證結(jié)果

通過對散熱器正前方的遮擋物進(jìn)行逐級拆除，使散熱器正通風(fēng)面積增加，分別進(jìn)行場地道路熱平衡試驗。

場地?zé)崞胶庠囼灲Y(jié)果原車狀態(tài)下，變扭器70%變扭效率點工況按液氣溫差計算許用環(huán)境溫度32.7℃，增加散熱器正通風(fēng)面積后，許用環(huán)境溫度無明顯提高，說明增加散熱器正通風(fēng)面積、加大進(jìn)風(fēng)流量、改善機艙空氣流通性能的措施效果不夠理想。

（2）并聯(lián)副水箱方案的場地試驗驗證

為了增加散熱器散熱功率，采用與原車散熱器并聯(lián)一個額定功率53kW的小型散熱器（副水箱），小型散熱器驅(qū)動風(fēng)扇采用電機驅(qū)動，然后再次進(jìn)行場地道路熱平衡試驗。結(jié)果，變扭器70%變扭效率點工況，發(fā)動機出水溫度在98.7℃達(dá)到平衡狀態(tài)，按液氣溫差計算許用環(huán)境溫度由原車狀態(tài)的32.7℃提高到38.3℃，提高了5.6℃，改進(jìn)效果顯著。

（3）并聯(lián)副水箱方案的用戶實際使用試驗驗證

對用戶車進(jìn)行臨時并聯(lián)副水箱的改進(jìn)后試驗場驗證后，在用戶煤礦作業(yè)現(xiàn)場，又進(jìn)行了實車使用驗證，結(jié)果在上坡階段，發(fā)動機出水溫度最高98℃，距離水溫上限還有7℃的余量，可以滿足用戶的使用要求。

（4）電控液壓驅(qū)動風(fēng)扇+大尺寸散熱器方案的用戶實際使用試驗驗證

基于上述各臨時方案的成功經(jīng)驗，對天然氣礦用自卸車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行全面的優(yōu)化設(shè)計，將原車由曲軸驅(qū)動、硅油離合器控制的冷卻風(fēng)扇改為液壓馬達(dá)驅(qū)動的電控風(fēng)扇，同時加大散熱器的尺寸，將正通風(fēng)面積由0.68m2增加到0.876m2，散熱器的額定散熱功率提高81kW。

電控液壓驅(qū)動風(fēng)扇+大尺寸散熱器方案在用戶實際使用驗證，上坡發(fā)動機最高出水溫度95.6℃。此時電控風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1462r/min，尚未達(dá)到最高轉(zhuǎn)速2100r/min，冷卻能力仍有較大余量，完全滿足用戶使用要求。效果比并聯(lián)副水箱方案更顯著，但此方案的缺點是成本較高，產(chǎn)品效益遠(yuǎn)低于并聯(lián)副水箱方案。

6 結(jié)論

根據(jù)發(fā)動機過熱問題幾個解決方案試驗結(jié)果對比，在滿足客戶使用要求的前提下，綜合考慮產(chǎn)品成本和收益，改進(jìn)方案效果最佳的是“并聯(lián)副水箱”方案。

7 關(guān)于礦用自卸車匹配AT變速器設(shè)計的幾點建議

1.對于礦用自卸車這種工作條件比較惡劣的特種車型，冷卻系統(tǒng)的布置可以將散熱器外置布置，這樣可以不受空間布置限制，既可以增加散熱器尺寸和散熱器的通風(fēng)面積，從而提高散熱能力，又能加大離地間隙，提高車輛通過性。

2.進(jìn)行整車傳動系統(tǒng)匹配時，使其常用工況盡量避開變速器發(fā)熱量大的變扭區(qū)域，降低整車?yán)鋮s系統(tǒng)的工作負(fù)荷的。

3.匹配自動變速器的礦用自卸車?yán)鋮s系統(tǒng)因其獨特的油冷器冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)車型有很大區(qū)別，應(yīng)對自動變速器的最大發(fā)熱量作出合理評估，做好冗余設(shè)計。