王小辉 张香莎

摘要：多功能拖拉机由于工作时行驶车速较低或是车辆处于静止状态，不利于发动机散热。为了改善发动机工作环境，提升冷却效果，文章从提升冷却液冷却效果的方法入手，在保证拖拉机实际用途的前提下，参照中高级轿车的形式对影响拖拉机冷却系统的控制系统进行重新设计，增加冷却风扇保护模块、电子节温器，当水温异常升高时，风扇和发动机的大循环能够提前打开。

Abstract： The multi-functional tractor is not conducive to the heat dissipation of the engine due to the low driving speed or the stationary state of the vehicle. In order to improve the working environment of the engine and improve the cooling effect， this paper starts with the method of improving the cooling effect of the coolant. On the premise of ensuring the actual use of the tractor， referring to the form of medium and high-class cars， the control system affecting the tractor cooling system is redesigned， and the cooling fan protection module and electronic thermostat are added. When the water temperature rises abnormally， The large cycle of fan and engine can be turned on in advance.

关键词：冷却液;缸套;缸孔;冷却风扇;电子节温器

Key words： coolant;cylinder liner;cylinder bore;cooling fan;electronic thermostat

中图分类号：S219                                文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0039-03

0  引言

拖拉机使用柴油作为其燃料，通过高压缩比的方式压燃生成巨大动力。汽缸内燃烧的气体温度可高达1700℃左右，一般在上止点后20-35度曲轴转角处出现。由于拖拉机行驶速度较低，发动机风冷效果不明显，所以在实际工作时，容易出现水温异常升高的现象。

柴油机温度控制时需要注意对高、低温分别控制。当柴油机温度过高时，容易使与高温气体接触的汽缸盖、气门、活塞等零部件出现烧熔现象，需要提升冷却效果，降低柴油机工作温度;当柴油机温度过低时，燃料会出现不充分燃烧，生成积炭，润滑效果变差等结果，导致拖拉机动力下降，油耗上升。文章主要探讨多功能拖拉机发动机的高温控制。

1  提升拖拉机冷却液冷却效果的方法

1.1 进行合适的拖拉机冷却液选择

高温冷却技术，提出发动机工作的最高温度最好不要超过105℃。由于海拔的影响以及冷却系统内压力的影响，冷却液的沸点需要控制在110℃左右。

1.1.1 冷却介质为水

表1为不同条件下水的沸点。海拔升高，沸点下降，在保护发动机零部件和降低冷却液沸腾概率之间选择3500m海拔以下，发动机正常工作温度110℃以下不会出现冷却液沸腾时的水箱盖压力，所以选择90kPa的水箱蓋压力。由于水箱盖承受压力的同时，整个散热器也承受相同压力，所以当水箱盖压力数值越大时，整个散热系统承压能力也需要同步增强。

1.1.2 冷却介质为乙二醇冷却液

乙二醇冷却液的冰点，会随着乙二醇浓度的增加而降低，当浓度达到60%时，冰点最低，为-48.3℃。当浓度超过60%时，冰点开始回升，当浓度达到99.9%时，冰点变成

-13.2℃。乙二醇的沸点为197.4℃，它的挥发性比水差，表面张力比水小，所以正常挥发损耗不容易发生，但当有管道出现泄漏时，乙二醇更容易渗漏，从而导致乙二醇浓度降低。对于开放式冷却系统，冷却液只能加注至冷却系总容量的90%左右，否则温度升高时容易膨胀溢出;对于封闭式冷却系统，冷却液加至70-80%，这样当发动机正常工作时不会出现冷却液溢出的现象。

1.2 选择合适的润滑油

选择合适的润滑油有利于减少发动机内部能量损失，促进动力输出更加集中。当动力输出相同时，由于选择合适的润滑油，冷却系统的散热压力也一并减轻。合适的润滑油可以减少零件磨损，为发动机稳定的动力输出提供润滑保障，提升润滑油的表现，相当于从源头控制发动机多余燃烧热量的产生。目前拖拉机的发动机润滑油主要采用水冷的方式，有内置的缸体的冷却器或是与机油滤清器集成的机油冷却器两种类型。润滑油的温度与缸体的温度以及冷却液的温度密切相关，当水温过高时，润滑油油温也升高，润滑油粘度变差，流动性增强，所以需要润滑油拥有良好的耐磨性。

当柴油机各部件配合间隙较小时，对润滑油的要求也越高，只有正确使用润滑油并遵守用油规定，才能延长柴油机的使用寿命，避免出现拉缸和抱瓦的现象。润滑油除了润滑之外，也会起到冷却的作用，飞溅的润滑油可以带走润滑部件上的热量，因此润滑油在不同温度下的流动性和粘度会影响柴油机机体温度。在具体选择时可按照如表2所示的美国SAE分类法选择合适牌号的润滑油。

W前的数字越小，代表低温启动性越好。以10W/30为例，前面的10W表示低温粘性指数。该指数表示转动曲轴和启动柴油机的难易及润滑油流向柴油机各处的润滑性能。数值小则低温黏性好，低温启动时表现更佳。后面30表示高温黏性指数。但是后面的数字并不是越大越好，比如10W/30和10W/40都能适用于-18℃以上的溫度，对于W前的数字一样，但是在-10～-5℃，明显可以感受到10W/40要稠一些。

对于小型发动机而言，当排量小于1.6L时，与中、大型发动机相比，在选润滑油时也要适当稠一些。

1.3 缸套材质对冷却效果的影响

文章挑选高硼珠光体、高Sn铸铁两种材质的三个缸套进行测量比对。使用脉冲激光导热仪，按照闪光法测量热扩散系数或导热系数（GB/T22588-2008）进行导热系数检测，检测结果如图1、图2所示。

对于高硼珠光体材质的缸套来说，伴随着温度上升，传热系数明显提升，300℃左右传热系数达到峰值37w/（m·k）。当温度高于300℃时传热系数呈下降趋势。该材质传热系数主要集中在25-30w/（m·k）之间。

对于高Sn铸铁材质的缸套来说，随着温度上升，传热系数随温度上升而增大，但是在300℃和450℃左右，传热系数会出现异常变小，从而导致这两个温度附近，高Sn铸铁的导热性能下降。该材质传热系数主要集中在28-38w/（m·k）之间，两类材质缸套对比之后，发现高Sn铸铁导热性能明显优于耐磨材料高硼珠光体。

1.4 冷却水套缸孔对冷却效果的影响

冷却水套内冷却液的流动情况和传热效果对发动机的使用寿命及可靠性影响较为明显。准确描述和预测冷却水套内流动及传热情况有利于提升冷却液冷却效果。由于火花塞附近及排气侧属于燃烧时的高温区域，要想满足发动机散热需求，需要对冷却水套进行散热性能评估，对相应结构做进一步改进。

在进行冷却水套散热性能评估时，需要考虑发动机水套上缸孔大小及缸孔数量对流速、流量的影响。可以通过运用CFD模拟仿真，确定实际冷却效果，对于热负荷高的部分需要注意增加冷却液流量或冷却液流速。在缸体材料允许的流体应力范围之内，确保重新分配的流量和流经路径符合发动机散热需求，燃烧室周围热量比较集中的部位可以取得良好的散热效果。

1.5 水泵工作特性对冷却效果的影响

水泵依靠水封进行密封，水封主要包含静环和动环两部分，水封需要依靠动环与静环断面接触且保持一定的压力才能起到密封的作用（即动态密封）。当水封密封性变差时，就会出现冷却液泄漏的问题，同时冷却系统的冷却效果也因此受到影响。

保证水泵工作特性可以从减少水封磨损入手，通过增大动环面积（动环面积大于静环的面积）来降低杂质进入水泵水封的概率。在水泵壳体上也可通过增加扰流筋来提升水封附近水的流动性，防止水泵周围产生的沉淀影响水泵工作特性。

2  冷却系统改良设计

对散热风扇上的控制机进行改良，增设高低保护功能，增加Fault状态，保证车主及时了解风扇工作异常的实际原因。通过水温信号实时采集，风扇风速可以根据水温信号更加灵活地调整，可以及时开启风扇或是提前打开电子节温器，通过改良，调整策略的可靠性得到进一步提升。

2.1 总体方案

配置风扇时需要考虑以下四点：一是能够让风扇常时间稳定工作，低档和高档转速能够满足发动机冷却需求;二是风扇起动电流较大，选配时需要考虑降低电磁干扰，让风扇可以快速起动、停止;三是工作电压保护，电压过低时风扇不工作，过高时切断风扇工作电路;四是根据冷却需求，选择合适风扇大小，控制工作噪声。

无刷直流电机根据PID算法，通过控制步进电机输出的占空比，使其控制转速接近需求转速。

2.2 控制策略

2.2.1 风扇风速调整

对电机的控制主要是电流环和速度环的控制。根据MCU内中断服务函数，设置下一次转动中断时需要调整占空比的时间。然后根据磁传感器传递过来的电机角度位置信号，计算风扇实际运转速度。将实际转速，与发动机实际散热需求相比，确定需求值与实际值差异，调整PWM的占空比，方便电动风扇的转速能够快速满足实际需求。风扇风速调整策略如图3所示。

2.2.2 风扇功能保护

风扇状态用控制机来进行控制，控制机工作原理如图4软件设计逻辑图所示。一共分四种运行状态，Init，Stop，Run和Fault。Init状态下，所有MOS关闭，状态机切换到停止状态。Stop状态下，直流母线电流偏移校准持续进行，电机准备启动，当电机需要运行时，控制机可顺利切换到Run状态。当检测电压小于9V或大于16V，或是电机失速时，控制机将进入Fault模式。在此故障模式下，除非人工清除故障码，否则风扇无法正常工作。

2.2.3 电子节温器

在传统蜡式节温器上添加加热电阻，保证节温器能够在水温过高时提前开启大循环。电子节温器，需要发动机ECU能够像判断火花塞一样，及时判断电子节温器加热电阻的好坏。当加热电阻返回ECU的信号异常时，将在ECU中储存对应故障码，并对电动风扇进行常供电。多功能拖拉机原地运行时，会产生其它较大的额外负额，此时如果能根据实际水温，及时调整节温器开启大循环的时间，将有利于提升发动机机体的实际散热效果。

2.3 控制器控制原理

对于多功能拖拉机，原地工作时，更容易遇到水温异常的现象。此时可通过提前手动打开风扇，加强发动机机体周围通风，从而降低发动机机体快速升温的发生几率。控制器控制原理如图5所示。

3  结论

国家污染物排放控制对柴油机提出越来越高的技术要求，冷却系统是发动机正确发挥动力的基础，可以有效降低各零件烧蚀概率，有效延长柴油机正常工作时间。好的发动机温度控制表现也有利于实现拖拉机功能的多样化。

文章从冷却液的选择、润滑油的选择、缸体缸套材质的选择、缸孔数量和对应位置的布置、维持水泵工作特性、风扇控制设计、电子节温器布置这七个方面对拖拉机发动机的高温控制情况进行改良。

在冷却液选择中，通过合适的乙二醇溶液配比，使冷却液冰点满足周围环境需求。在润滑油选择中，选择耐磨性良好的润滑油，让拖拉机发动机的动力输出更加集中。在缸套材质选择上，高Sn铸铁材质的缸套导热性能优于高硼珠光体材质的缸套。在缸孔数量和对应位置布置上，可通过CFD仿真软件，模拟缸体水套中冷却液流速和流量，对冷却液冷却效果做进一步优化。在维持水泵工作特性方面，通过重新布置水封、增加扰流筋降低杂质进入水泵和水封的概率。经过散热风扇的重新布置以及电子节温器的引入，多功能拖拉机发动机的高温控制更加精确。

经过以上具体改良，对于原地工作的多功能拖拉机，发动机冷却效果跟改良前相比均有明显提升。

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