金属复合材料发动机防冻结构设计分析

董文亮

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006）

发动机是一种能够将其他能量转换为动能和机械能的装置，发动机分为往复活塞式发动机、斯特林发动机、电动机以及喷气式发动机四种[1]。

由于发动机功率较高，在运行过程中机体会发出较高的热量，温度过高会影响到发动机的性能，所以发动机需要利用一套冷却系统给机身降温[2]。发动机的冷却系统是一组液冷式密闭循环体系，利用循环冷水降低温度，主要由气缸、水箱、夹套三部分组成[3]。发动机冷却系统水箱通常是由铁、铝、铜、钢等金属复合材料制成，这种金属复合材料不具备保温的功能，当天气寒冷时发动机冷却系统水箱里的水会结冰，进而影响到发动机的正常运行[4]。所以金属复合材料发动机需要采取一些防冻措施，利用防冻结构为金属复合材料发动机提供良好的温度运行条件，防治金属复合材料发动机水箱结冰，进而保证发动机正常运行[5]。但是目前现有的金属复合材料发动机防冻结构设计不够合理，当周围温度达到或者超过零下20℃时，传统结构无法发挥出较好的防冻效果，金属复合材料发动机水箱仍旧有结冰的现象，且结冰量较大[6]。传统已经无法满足金属复合材料发动机防冻需求，为此提出金属复合材料发动机防冻结构设计分析。

1 金属复合材料发动机防冻结构设计

此次结合传统防冻结构的不足之处，以及金属复合材料发动机防冻需求，设计一套新的发动机防冻结构，该结构由温度检测装置、电涡流加热装置和温度控制装置三部分组成，利用三个装置实现发动机水箱温度检测、水箱加热以及温度控制，保证发动机水箱温度适中保持在合理的温度下，起到防冻效果，以下将对该防冻结构进行详细说明。

1.1 发动机温度检测装置设计

发动机温度检测装置主要是用于检测金属复合材料发动机水箱温度，该装置由温度传感器和温度测量器组成，将温度测量器安装在发动机水箱内，温度测量器选用JGFJ-26 型号，将温度测量器的测量周期设定为60s，测量频率设定为6.54Hz，测量精度设定为0.01。利用温度测量器对金属复合材料发动机水箱温度进行定期测量。通过NS 接口将温度测量器与温度传感器连接，温度传感器选用BKIO-45型号，将温度传感器频率设定为3.45 Hz，运行功率设定为35w，并且在温度传感器中设定一个温度阈值，通常情况下为0。利用温度传感器读取温度测量数据，当读取到的温度数据低于设定的温度阈值，温度传感器会自动发出警示，表示需要对金属复合材料发动机水箱采取加热措施；如果读取到的温度数据没有低于设定的温度阈值，则表示发动机水箱温度正常，无需采取加热措施。

1.2 电涡流加热装置设计

依据温度传感器读取到的数据，以及发出的防冻警示，利用电涡流加热装置对金属复合材料发动机进行加热。电涡流加热装置的核心设备为电涡流加热器，此次选用上海HKG 加热器企业生产的BJLL-2603 型号电涡流加热器，将其安装在发动机水箱水管口处，加热功率设置为30KW，电压设定为120V。其内腔含有大量不锈钢材质电热管，当传感器发出警示信号后，对电热管通电，管子升温发热，与由风机送来气流换热，把热量传给气流，并在炉膛内设有多个折流板（导流板），引导气体流向，延长气体在内腔的滞留时间，从而使气体充分加热，使气体加热均匀，将电热管中气体的热量传递给发动机水箱，以此实现对发动机水箱电涡流加热。

1.3 发动机温度控制装置设计

电涡流加热装置有个弊端，就是电涡流加热温度无法实现自控，如果电涡流加热温度过高，会对金属复合材料发动机起到反作用，因此在金属复合材料发动机防冻结构中设计了一个发动机温度控制装置，利用该装置对电涡流加热装置的加热温度进行控制。发动机温度控制装置的核心技术为PLC。PLC 是一种控制系统，将PLC 通过NS 网络接口与电涡流加热装置连接，在PLC 控制单元中设定温度控制阈值，通常情况下在9-15 之间，当电涡流加热温度超出控制阈值时，PLC 会立即控制电涡流发热装置停止加热，避免发动机水箱加热温度过高，而影响到金属复合材料发动机运行。以上通过对发动机温度检测装置、电涡流加热装置以及发动机温度控制装置的设计，实现了对金属复合材料发动机的防冻，使发动机尽管在较低的温度环境中运行，水箱都不会出现大量结冰现象，以此完成了金属复合材料发动机防冻结构设计。

2 实验

2.1 实验过程

实验以某金属复合材料发动机为实验对象，该发动机的水箱容量为20L，高度为900mm，尺寸为600mm，厚度为200mm，金属复合材料中铝材料为主。实验将此次设计结构与传统结构安装到该金属复合材料发动机上，为发动机起到防冻作用，通过对比实验，检验此次设计金属复合材料发动机防冻结构的适用性与有效性。实验首先将带有防冻结构的发动机分别放入到零下20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃环境中，将金属复合材料发动机水箱充满20L 水量，开启发动机防冻结构中的各个装置；然后将发动机开启运行，运行时间为240min，发动机在运行过程中的功率设定为120KW/min，进气方式设定为涡轮增压，启动方式设定为电启动；在240min 后停止发动机运行，此时计量金属复合材料发动机水箱中水的结冰量，《金属复合材料发动机防冻技术规范》中规定，当发动机水箱中水的结冰量超过二十分之一，则会影响到发动机性能和功能的正常发挥，同时还会损坏金属复合材料发动机使用寿命，因此此次实验将金属复合材料发动机水箱结冰量作为实验结果，对两种防冻结构进行对比分析。

2.2 实验结果分析

根据实验中记录的实验数据，分析在环境温度为零下20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃时，发动机水箱结冰量，分析发动机防冻结构的防冻效果，实验结果如下图所示。

表1 不同环境温度下发动机水箱结冰量/L

根据表1 可以得出以下结论：当发动机运行环境温度低于零下20℃时，应用此次设计的金属复合材料发动机防冻结构，金属复合材料发动机水箱结冰量虽然会随着温度的降低而略微增加，但是结冰量低于水箱总量的二十分之一，且平均结冰量为0.0761L；而应用传统防冻结构，金属复合材料发动机水箱结冰量会随着温度的降低而急剧增加，且平均结冰量为1.7625L，远远超过此次设计防冻结构和《金属复合材料发动机防冻技术规范》要求。因此实验证明了此次设计的金属复合材料发动机防冻结构更能满足发动机防冻需求，具有良好的适用性和有效性。

3 结语

本文对金属复合材料发动机防冻结构设计进行了分析，结合金属复合材料发动机水箱防冻需求以及传统防冻结构的不足，设计了一套新的发动机防冻结构，该防冻结构由电涡流加热装置、温度检测装置以及温度控制装置组合而成，通过加热、温度检测与控制防治发动机水箱结冰，保证金属复合材料发动机正常运行，利用对比实验验证了该装置能够起到良好的发动机防冻效果，为金属复合材料发动机正常运行提供了保障，对金属复合材料发动机防冻、稳定运行具有良好的现实意义。