车联网农机实际作业工况下柴油机冷却液温度分布大数据分析

吴连成，李庆磊，袁东阁，杨拴宝，孙立麟

（潍柴雷沃智慧农业科技股份有限公司，山东 潍坊 261200）

0 引言

柴油机工作时冷却液的温度应保持在中高温度（80～90 °C），此温度下有较高的充气效率，润滑油温度较适宜，柴油机润滑效果较好，柴油机能够获得较高的输出功率和较低的燃油消耗[1-8]。当冷却液温度过低时，润滑油温度也较低，润滑油黏度增大，零件摩擦机械损失增加，零件磨损增加[1-4]。冷却液温度过高会使润滑油温度高，机油油膜被破坏导致零件的摩擦和磨损增加[1-4]。另外，冷却液温度过高也会导致零件材料机械性能降低和产生较高的热应力[1-6]。随着柴油机耐磨、耐高温材料的使用，柴油机冷却液的最高许用温度有逐步提高的趋势。国内已有柴油机生产厂家将柴油机冷却液的最高许用温度提高至105～110 °C。

农业机械中的拖拉机、收获机械作业环境比较恶劣，工作时周围环境中漂浮较多作物碎屑、秸秆及尘土，实际作业时散热系统进风网罩表面容易覆盖作物碎屑、尘土等杂物，导致通过散热系统的风量减少，继而降低了散热系统的冷却性能。

为了确保散热系统进风网罩部分面积被杂物覆盖后，依然能满足柴油机冷却液散热量的要求，农业机械在匹配散热系统时需要留有较大的余量。文中所涉及的拖拉机均满足45 °C 环境温度下，满负荷工作冷却液温度低于102 °C 的要求；玉米收获机满足40 °C 环境温度下，部分散热系统进风网罩被遮挡时，满负荷工作冷却液温度低于102 °C 的要求；小麦收获机和履带式收获机械满足45 °C 环境温度下，部分散热系统进风网罩被遮挡时，满负荷工作冷却液温度低于102 °C的要求。

1 研究对象

3 种型号拖拉机匹配的柴油机及其蜡式冷却液节温器参数如表1 所示，5 种型号履带式收获机匹配的柴油机及其蜡式冷却液节温器参数如表2 所示，4 种小麦收获机匹配的柴油机及其冷却液节温器参数如表3 所示，6 种型号玉米收获机匹配的柴油机及其蜡式冷却液节温器参数如表4 所示。

表1 拖拉机匹配的柴油机及其蜡式冷却液节温器参数Tab.1 Parameters of diesel engine and thermostat for tested tractors

表2 履带式收获机匹配的柴油机及其蜡式冷却液节温器参数Tab.2 Parameters of diesel engine and thermostat for tested crawler harvesters

表3 小麦收获机匹配的柴油机及其蜡式冷却液节温器参数Tab.3 Parameters of diesel engine and thermostat for tested wheat harvesters

表4 玉米收获机匹配的柴油机及其蜡式冷却液节温器参数Tab.4 Parameters of diesel engine and thermostat for tested corn harvesters

2 柴油机冷却液温度大数据分析及散热系统评价

2.1 柴油机冷却液状态定义

依据柴油机运行时冷却液温度范围，对柴油机冷却液状态进行划分。定义柴油机暖机状态对应的冷却液温度区间为（—40，70）°C；柴油机低温运行状态对应的冷却液温度区间为[70，80）°C；柴油机中温运行状态对应的冷却液温度区间为[80，102）°C；柴油机过热状态对应的冷却液温度区间为[102，130] °C，柴油机冷却液温度传感器异常状态对应的冷却液温度区间为≤—40 °C 或＞130 °C。为了保证柴油机安全可靠工作，并且保证功率输出稳定、燃油消耗较低，需要尽量提高柴油机中高温运行状态的运行时间比例。

2.2 拖拉机匹配的柴油机冷却液分布及散热系统评价

国内拖拉机作业时间分布一般为每年3—12 月。在某些扬尘较多的作业工况下，散热系统进风网罩容易被堵塞，对于没有自动清理进风网罩功能的拖拉机，匹配的散热系统须满足45 °C 环境温度下，满负荷工作冷却液温度低于102 °C 的要求，以确保在恶劣环境下仍满足冷却液散热需求。

3 种型号拖拉机在1 年的作业周期内柴油机冷却液温度分布情况如图1 所示。2004 型拖拉机匹配的6J-200 型柴油机标定功率均为147 kW，1404 型拖拉机匹配的4A-140 型柴油机标定功率均为107 kW，2204 型拖拉机匹配的7H-220 型柴油机标定功率均为162 kW。图1～图4 中每个系列的堆积柱形图由下往上依次为以下冷却液温度区间的运行时间占比：（—40，70）°C、[70，80）°C、[80，102）°C、[102，130] °C 及≤—40 °C或＞130 °C；对于某个冷却液温度区间，如果运行时间占比小于1%，则图中不显示其数据标签。

图1 拖拉机1 年作业周期内柴油机冷却液温度区间运行时间分布Fig.1 Diesel engine coolant temperature distribution of tested tractors

2004 型和1404 型拖拉机匹配的柴油机节温器初开温度均为70 °C，柴油机暖机状态冷却液温度区间（—40，70）°C 的运行时间占比基本一致，为70.90%和69.67%；柴油机低温运行状态冷却液温度区间[70，80）°C 的运行时间占比也基本一致，为26.8%和28.75%；柴油机中温运行状态冷却液温度区间[80，102）°C 的运行时间占比小，为2.26%和1.55%。以上数据表明，2 种拖拉机匹配的散热系统有较大余量，在1 年内70%以上的作业时间内将柴油机冷却液温度维持在节温器初开的温度水平上（即70 °C 左右）。但仍不能避免柴油机冷却液过热运行，冷却液温度区间[102，130] °C 最高的运行时间占比为0.045 7%。

2204 型拖拉机匹配的柴油机节温器初开温度为82 °C，在1 年的作业周期内柴油机暖机状态的运行时间占比仅15.3%；柴油机低温运行状态运行时间占比6.24%；柴油机中温运行状态的运行时间占比78.45%，比较适宜；柴油机冷却液过热运行时间占比0.015 9%。以上数据表明，2204 型拖拉机柴油机节温器初开温度、匹配的散热系统均较为合适。

在散热系统散热能力富余量大、进风网罩未被堵塞的正常工作条件下，节温器初开温度对于柴油机冷却液运行状态具有决定性的影响。为避免拖拉机的柴油机长时间运行在暖机状态或者低温状态，应提高2004 型和1404 型拖拉机柴油机冷却液节温器的初开温度，提高至80 °C 左右比较适宜。

2.3 履带式收获机匹配的柴油机冷却液分布及散热系统评价

国内履带式收获机作业时间分布一般为每年4—12 月，其中收获冬小麦的时间基本在5—6 月，在此期间环境温度较高，而且机械的散热系统进风网罩容易被堵塞。对于没有自动清理进风网罩功能的小麦收获机械，匹配的散热系统满足45 °C 环境温度下，部分散热系统进风网罩被遮挡时，满负荷工作冷却液温度低于102 °C 的要求，以确保在恶劣环境下仍满足冷却液散热需求。

5 种履带式收获机在1 年作业周期内匹配的柴油机冷却液温度分布情况如图2 所示。RG50 型履带式收获机匹配的2 种柴油机标定功率均为73.5 kW，RG55 型履带式收获机匹配的2 种柴油机标定功率均为81.0 kW，RG60 型履带式收获机匹配的柴油机标定功率为92.0 kW。

图2 履带式收获机械1 年作业周期内匹配的柴油机冷却液温度区间运行时间分布Fig.2 Diesel engine coolant temperature distribution of tested crawler harvesters

RG50 型履带式收获机匹配的4DK-100 型柴油机，RG55 型履带式收获机匹配的4DK-110 型柴油机，RG60型履带式收获机匹配的4DK-125 型柴油机，冷却液节温器初开温度均是70 °C，相应地柴油机暖机状态运行时间占比分别为97.49%、98.89%和98.33%；RG50 型履带式收获机匹配的4C6-100 型柴油机，RG55 型履带式收获机匹配的4C6-110 型柴油机，冷却液节温器初开温度均是72 °C，相应地柴油机暖机状态运行时间占比分别降至97.05%和97.63%。排量相近、相同标定功率的柴油机冷却液散热量基本一致，相同型号的履带式收获机匹配散热系统相同，由上述履带式收获机匹配柴油机冷却液分布数据可知，将柴油机冷却液节温器开启温度由70 °C 提升至72 °C，可以将RG50 型履带式收获机匹配的柴油机暖机状态运行时间所占比例降低0.44%，可以将RG55 型履带式收获机匹配的柴油机暖机状态运行时间所占比例降低1.26%。

上述5 种履带式收获机械匹配的柴油机暖机状态运行时间所占比例为97.05%～98.89%，柴油机低温运行状态冷却液温度区间[70，80）°C 运行时间所占比例仅为1.08%～2.74%，说明5 种履带式收获机匹配的散热系统有较大余量，在1 年内97%以上的作业时间内将柴油机冷却液温度维持在节温器初开的温度水平上（即70 °C 左右），但仍不能避免柴油机冷却液过热运行，冷却液温度区间（102，130] °C 最高的运行时间占比为0.002 5%。

在散热系统散热能力富裕量大、进风网罩未被堵塞的正常工作条件下，节温器初开温度对于柴油机冷却液运行状态具有决定性的影响。为避免履带式收获机匹配的柴油机长时间运行在暖机状态或者低温状态，在保持现在的散热系统能力前提下应提高柴油机冷却液节温器的初开温度，提高至80 °C 比较适宜。

2.4 小麦收获机匹配的柴油机冷却液分布及散热系统评价

国内小麦收获机作业时间分布一般为每年4—10 月，其中收获冬小麦的时间基本在5—6 月，在此期间环境温度较高，而且机械的散热系统进风网罩容易被堵塞[9-10]。对于没有自动清理进风网罩功能的小麦收获机，匹配的散热系统满足45 °C 环境温度下，部分散热系统进风网罩被遮挡时，满负荷工作冷却液温度低于102 °C 的要求，以确保在恶劣环境下仍满足冷却液散热需求。

4 种小麦收获机在1 年作业周期内匹配的柴油机冷却液温度分布情况如图3 所示。GE-1 型、GE-2 型和GM 型小麦收获机匹配的柴油机标定功率均为129 kW，GM 型小麦收获机匹配的柴油机标定功率为162 kW。

图3 小麦收获机械1 年作业周期内匹配的柴油机冷却液温度区间运行时间分布Fig.3 Diesel engine coolant temperature distribution of tested wheat harvesters

4 种型号小麦收获机匹配的柴油机冷却液节温器初开温度均为70 °C。相应的柴油机暖机状态冷却液温度区间（—40，70）°C 的运行时间占比基本一致，为97.5%～98.59%；柴油机低温运行状态冷却液温度区间[70，80）°C 的运行时间所占比例仅为1.26%～2.40%，说明此4 种型号小麦收获机匹配的散热系统有较大余量，在1 年内97%以上的作业时间内将柴油机冷却液温度维持在节温器初开的温度水平上（即70 °C 左右），但仍不能避免柴油机冷却液过热运行，冷却液温度区间（102，130] °C 最高的运行时间占比为0.07%。

在散热系统散热能力富裕量大、进风网罩未被堵塞的正常工作条件下，节温器初开温度对于柴油机冷却液运行状态具有决定性的影响。为避免小麦收获机匹配的柴油机长时间运行在暖机状态或者低温状态，在保持现在的散热系统能力前提下应提高柴油机冷却液节温器的开启温度，提高至80 °C 比较适宜。

2.5 玉米收获机匹配的柴油机冷却液分布及散热系统评价

国内玉米收获机作业时间分布一般为每年8—10 月。玉米收获机的散热系统进风网罩也容易被堵塞。对于没有自动清理进风网罩功能的玉米收获机，匹配的散热系统满足40 °C 环境温度下，部分散热系统进风网罩被遮挡时，满负荷工作冷却液温度低于102 °C 的要求，以确保在恶劣环境下仍满足冷却液散热需求。

6 种玉米收获机在1 年作业周期内匹配的柴油机冷却液温度分布情况如图4 所示。CB 型和CC 型玉米收获机匹配的柴油机标定功率均为140 kW，CD 型号玉米收获机匹配的柴油机标定功率为129 kW。

图4 玉米收获机械1 年作业周期内匹配的柴油机冷却液温度区间运行时间分布Fig.4 Diesel engine coolant temperature distribution of tested corn harvesters

CB 型玉米收获机匹配的6J-190 型柴油机、CC 型玉米收获机匹配的4A-190 型柴油机及CD 型玉米收获机匹配的4A-175 型柴油机冷却液节温器初开温度均是70 °C，相应地柴油机暖机状态运行时间占比分别为98.39%、98.44%和98.53%。CB 型玉米收获机匹配的6D3-190 柴油机、CC 型玉米收获机匹配的4D3-190 型柴油机及CD 型玉米收获机匹配的4D3-175 型柴油机冷却液节温器初开温度均是76 °C，相应地柴油机暖机状态运行时间占比分别降至96.81%、96.76%和97.16%。排量相近、相同标定功率的柴油机冷却液散热量基本一致，相同型号的玉米收获机匹配的散热系统相同，由上述玉米收获机匹配的柴油机冷却液分布数据可知，将柴油机冷却液节温器开启温度由70 °C 提升至76 °C，可以将柴油机暖机状态运行时间所占比例平均降低1.54%。

上述6 种玉米收获机匹配的柴油机暖机状态运行时间所占比例为96.76%～98.53%，柴油机低温运行状态冷却液温度区间[70，80）°C 运行时间所占比例仅为1.45%～3.18%，说明此6 种玉米收获机匹配的散热系统有较大余量，在1 年内96%以上的作业时间内将柴油机冷却液温度维持在节温器初开的温度水平上（即70 °C 左右），但仍不能避免柴油机冷却液过热运行，冷却液温度区间（102，130] °C 最高的运行时间占比为0.001 4%。

在散热系统散热能力富裕量大、进风网罩未被堵塞的正常工作条件下，节温器初开温度对于柴油机冷却液运行状态具有决定性的影响。为避免玉米收获机匹配的柴油机长时间运行在暖机状态或者低温状态，在保持现在的散热系统能力前提下应提高柴油机冷却液节温器的初开温度，提高至80 °C 比较适宜。

3 散热系统优化措施

农业机械为满足高温、扬尘大的工作环境下柴油机的散热需求，避免较多冷却液高温情况出现，其匹配的散热系统余量均较大，应设置适宜的柴油机节温器开启温度以使柴油机的冷却液温度在时间上尽量长地保持在适宜温度。车联网农业机械匹配的柴油机冷却液温度分布大数据表明，将节温器开启温度设置在80 °C 左右，节温器全开温度设置在95 °C 左右比较合适。

设计根据柴油机冷却液温度控制转速的风扇可以降低柴油机暖机过程的油耗，有利于保持较适宜的柴油机冷却液温度。

设计根据柴油机冷却液温度的可控反吹风扇，有利于保持较适宜的柴油机冷却液温度并且达到自动清理散热系统进风网罩的效果，也利于减少散热系统富裕量来降低成本。