金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

董文亮

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

發(fā)動機(jī)是一種能夠?qū)⑵渌芰哭D(zhuǎn)換為動能和機(jī)械能的裝置，發(fā)動機(jī)分為往復(fù)活塞式發(fā)動機(jī)、斯特林發(fā)動機(jī)、電動機(jī)以及噴氣式發(fā)動機(jī)四種[1]。

由于發(fā)動機(jī)功率較高，在運(yùn)行過程中機(jī)體會發(fā)出較高的熱量，溫度過高會影響到發(fā)動機(jī)的性能，所以發(fā)動機(jī)需要利用一套冷卻系統(tǒng)給機(jī)身降溫[2]。發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)是一組液冷式密閉循環(huán)體系，利用循環(huán)冷水降低溫度，主要由氣缸、水箱、夾套三部分組成[3]。發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)水箱通常是由鐵、鋁、銅、鋼等金屬復(fù)合材料制成，這種金屬復(fù)合材料不具備保溫的功能，當(dāng)天氣寒冷時(shí)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)水箱里的水會結(jié)冰，進(jìn)而影響到發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行[4]。所以金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)需要采取一些防凍措施，利用防凍結(jié)構(gòu)為金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)提供良好的溫度運(yùn)行條件，防治金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)水箱結(jié)冰，進(jìn)而保證發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行[5]。但是目前現(xiàn)有的金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理，當(dāng)周圍溫度達(dá)到或者超過零下20℃時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法發(fā)揮出較好的防凍效果，金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)水箱仍舊有結(jié)冰的現(xiàn)象，且結(jié)冰量較大[6]。傳統(tǒng)已經(jīng)無法滿足金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍需求，為此提出金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析。

1 金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此次結(jié)合傳統(tǒng)防凍結(jié)構(gòu)的不足之處，以及金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍需求，設(shè)計(jì)一套新的發(fā)動機(jī)防凍結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由溫度檢測裝置、電渦流加熱裝置和溫度控制裝置三部分組成，利用三個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)水箱溫度檢測、水箱加熱以及溫度控制，保證發(fā)動機(jī)水箱溫度適中保持在合理的溫度下，起到防凍效果，以下將對該防凍結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明。

1.1 發(fā)動機(jī)溫度檢測裝置設(shè)計(jì)

發(fā)動機(jī)溫度檢測裝置主要是用于檢測金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)水箱溫度，該裝置由溫度傳感器和溫度測量器組成，將溫度測量器安裝在發(fā)動機(jī)水箱內(nèi)，溫度測量器選用JGFJ-26 型號，將溫度測量器的測量周期設(shè)定為60s，測量頻率設(shè)定為6.54Hz，測量精度設(shè)定為0.01。利用溫度測量器對金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)水箱溫度進(jìn)行定期測量。通過NS 接口將溫度測量器與溫度傳感器連接，溫度傳感器選用BKIO-45型號，將溫度傳感器頻率設(shè)定為3.45 Hz，運(yùn)行功率設(shè)定為35w，并且在溫度傳感器中設(shè)定一個(gè)溫度閾值，通常情況下為0。利用溫度傳感器讀取溫度測量數(shù)據(jù)，當(dāng)讀取到的溫度數(shù)據(jù)低于設(shè)定的溫度閾值，溫度傳感器會自動發(fā)出警示，表示需要對金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)水箱采取加熱措施；如果讀取到的溫度數(shù)據(jù)沒有低于設(shè)定的溫度閾值，則表示發(fā)動機(jī)水箱溫度正常，無需采取加熱措施。

1.2 電渦流加熱裝置設(shè)計(jì)

依據(jù)溫度傳感器讀取到的數(shù)據(jù)，以及發(fā)出的防凍警示，利用電渦流加熱裝置對金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)進(jìn)行加熱。電渦流加熱裝置的核心設(shè)備為電渦流加熱器，此次選用上海HKG 加熱器企業(yè)生產(chǎn)的BJLL-2603 型號電渦流加熱器，將其安裝在發(fā)動機(jī)水箱水管口處，加熱功率設(shè)置為30KW，電壓設(shè)定為120V。其內(nèi)腔含有大量不銹鋼材質(zhì)電熱管，當(dāng)傳感器發(fā)出警示信號后，對電熱管通電，管子升溫發(fā)熱，與由風(fēng)機(jī)送來氣流換熱，把熱量傳給氣流，并在爐膛內(nèi)設(shè)有多個(gè)折流板（導(dǎo)流板），引導(dǎo)氣體流向，延長氣體在內(nèi)腔的滯留時(shí)間，從而使氣體充分加熱，使氣體加熱均勻，將電熱管中氣體的熱量傳遞給發(fā)動機(jī)水箱，以此實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)水箱電渦流加熱。

1.3 發(fā)動機(jī)溫度控制裝置設(shè)計(jì)

電渦流加熱裝置有個(gè)弊端，就是電渦流加熱溫度無法實(shí)現(xiàn)自控，如果電渦流加熱溫度過高，會對金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)起到反作用，因此在金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍結(jié)構(gòu)中設(shè)計(jì)了一個(gè)發(fā)動機(jī)溫度控制裝置，利用該裝置對電渦流加熱裝置的加熱溫度進(jìn)行控制。發(fā)動機(jī)溫度控制裝置的核心技術(shù)為PLC。PLC 是一種控制系統(tǒng)，將PLC 通過NS 網(wǎng)絡(luò)接口與電渦流加熱裝置連接，在PLC 控制單元中設(shè)定溫度控制閾值，通常情況下在9-15 之間，當(dāng)電渦流加熱溫度超出控制閾值時(shí)，PLC 會立即控制電渦流發(fā)熱裝置停止加熱，避免發(fā)動機(jī)水箱加熱溫度過高，而影響到金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)運(yùn)行。以上通過對發(fā)動機(jī)溫度檢測裝置、電渦流加熱裝置以及發(fā)動機(jī)溫度控制裝置的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)的防凍，使發(fā)動機(jī)盡管在較低的溫度環(huán)境中運(yùn)行，水箱都不會出現(xiàn)大量結(jié)冰現(xiàn)象，以此完成了金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)以某金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象，該發(fā)動機(jī)的水箱容量為20L，高度為900mm，尺寸為600mm，厚度為200mm，金屬復(fù)合材料中鋁材料為主。實(shí)驗(yàn)將此次設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)安裝到該金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)上，為發(fā)動機(jī)起到防凍作用，通過對比實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)此次設(shè)計(jì)金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍結(jié)構(gòu)的適用性與有效性。實(shí)驗(yàn)首先將帶有防凍結(jié)構(gòu)的發(fā)動機(jī)分別放入到零下20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃環(huán)境中，將金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)水箱充滿20L 水量，開啟發(fā)動機(jī)防凍結(jié)構(gòu)中的各個(gè)裝置；然后將發(fā)動機(jī)開啟運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間為240min，發(fā)動機(jī)在運(yùn)行過程中的功率設(shè)定為120KW/min，進(jìn)氣方式設(shè)定為渦輪增壓，啟動方式設(shè)定為電啟動；在240min 后停止發(fā)動機(jī)運(yùn)行，此時(shí)計(jì)量金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)水箱中水的結(jié)冰量，《金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，當(dāng)發(fā)動機(jī)水箱中水的結(jié)冰量超過二十分之一，則會影響到發(fā)動機(jī)性能和功能的正常發(fā)揮，同時(shí)還會損壞金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)使用壽命，因此此次實(shí)驗(yàn)將金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)水箱結(jié)冰量作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對兩種防凍結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析在環(huán)境溫度為零下20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃時(shí)，發(fā)動機(jī)水箱結(jié)冰量，分析發(fā)動機(jī)防凍結(jié)構(gòu)的防凍效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下圖所示。

表1 不同環(huán)境溫度下發(fā)動機(jī)水箱結(jié)冰量/L

根據(jù)表1 可以得出以下結(jié)論：當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行環(huán)境溫度低于零下20℃時(shí)，應(yīng)用此次設(shè)計(jì)的金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍結(jié)構(gòu)，金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)水箱結(jié)冰量雖然會隨著溫度的降低而略微增加，但是結(jié)冰量低于水箱總量的二十分之一，且平均結(jié)冰量為0.0761L；而應(yīng)用傳統(tǒng)防凍結(jié)構(gòu)，金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)水箱結(jié)冰量會隨著溫度的降低而急劇增加，且平均結(jié)冰量為1.7625L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此次設(shè)計(jì)防凍結(jié)構(gòu)和《金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍技術(shù)規(guī)范》要求。因此實(shí)驗(yàn)證明了此次設(shè)計(jì)的金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍結(jié)構(gòu)更能滿足發(fā)動機(jī)防凍需求，具有良好的適用性和有效性。

3 結(jié)語

本文對金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，結(jié)合金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)水箱防凍需求以及傳統(tǒng)防凍結(jié)構(gòu)的不足，設(shè)計(jì)了一套新的發(fā)動機(jī)防凍結(jié)構(gòu)，該防凍結(jié)構(gòu)由電渦流加熱裝置、溫度檢測裝置以及溫度控制裝置組合而成，通過加熱、溫度檢測與控制防治發(fā)動機(jī)水箱結(jié)冰，保證金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行，利用對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置能夠起到良好的發(fā)動機(jī)防凍效果，為金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行提供了保障，對金屬復(fù)合材料發(fā)動機(jī)防凍、穩(wěn)定運(yùn)行具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。