專用汽車冷卻總成選型設(shè)計探究

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摘要：冷卻系統(tǒng)對專用車輛的正常工作起到非常重要作用，文中通過對一款飛機牽引車的冷卻系統(tǒng)用散熱器、中冷器、風(fēng)扇等參數(shù)進行計算、選型和匹配方法研究，結(jié)合臺架實測數(shù)據(jù)進行風(fēng)扇總成的匹配選型，采用整車熱平衡試驗驗證選型的可行性。對專用車輛的冷卻系統(tǒng)選型設(shè)計起到一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng)；風(fēng)阻-流量曲線；匹配曲線

0引言

專用車輛整車布置與傳統(tǒng)商用車差異較大，具有空間小、散熱空間相對密封等特點，專用車輛用冷卻系統(tǒng)的匹配狀態(tài)直接影響整車動力性、經(jīng)濟性等，合理選擇中冷器、散熱器和風(fēng)扇總成非常重要。本文以一款飛機牽引車為例，研究冷卻系統(tǒng)中冷器、散熱器和風(fēng)扇的匹配方法，通過整車熱平衡試驗，驗證匹配方法的合理性。

1冷卻系統(tǒng)總成選型設(shè)計

冷卻系統(tǒng)（中冷器、散熱器）的選型設(shè)計，主要是通過整車及發(fā)動機相關(guān)輸入?yún)?shù)，計算系統(tǒng)選型所需的參數(shù)值（如散熱量等），結(jié)合供方產(chǎn)品型譜進行選擇。

1.1冷卻系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)輸入

通過動力傳動匹配，飛機牽引車采用康明斯QSB3.9-110-30發(fā)動機，匯總冷卻系統(tǒng)總成設(shè)計相關(guān)輸入?yún)?shù)，如表1、表2所示。校核冷卻系統(tǒng)總成裝配尺寸，空間尺寸為＜720mm×750mm×350mm。

1.2散熱器選型

散熱器選型是通過校核額定功率點和大轉(zhuǎn)矩點兩個工況的散熱量、散熱面積、冷卻水循環(huán)量等參數(shù)選擇，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱量Qw（kJ/s）計算公式為[1]式中：ηt為冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比（取同類機型的統(tǒng)計量）；ge為燃油消耗率，kg/kW·h；Pe為發(fā)動機有效功率，kW；hu為燃料低熱值，kJ/kg。牽引車配置的QSB3.9-110-30，最大功率點散熱量QWp和大轉(zhuǎn)矩點計算如下。散熱量QWT為：QWp=ηtgePehu3600=0.22×19.5×4.187×104÷3600=49.9kJ/s；QWT=ηtgePehu3600=0.22×17.8×4.187×104÷3600=45.55kJ/s。式中：ηt=0.22（一般為0.18~0.25）,hu=4.187×104kJ/kg。按照經(jīng)驗公式，增壓柴油機冷卻系統(tǒng)散熱量Qw=qPe。式中：q為0.5～0.6[2]，QW=48.6kJ/s，取值兩者最大值49.9kJ/s根據(jù)熱平衡方程，計算冷卻水循環(huán)流量LW為LW=QWΔtrc=48÷（10×1×4.2×103）=0.00114m3/s。（2）式中：Δt為冷卻水循環(huán)容許的溫差，℃；r為冷卻水的體積質(zhì)量，kg/m3;c為水比熱容，J/（kg·℃）。其中Δt=10℃（冷卻水循環(huán)時容許溫升），Cw=4.2×103J/kg·℃。散熱器芯散熱面積為S=QW/（K×Δt1）=49.9÷（0.08×42）=14.9m2。（3）式中：Δt1為液氣平均溫差，根據(jù)發(fā)動機的進出水溫和冷卻空氣進出口溫度差值確定；K為換熱系數(shù)，一般取0.08kJ/（m2·s·℃）。結(jié)合實際應(yīng)用環(huán)境（油泥、水垢等）影響因素，散熱器散熱面積取值為理論值的1.10~1.15倍[2]。通過理論計算，參照供方散熱器型譜，選擇S01102RC32F0500565A散熱器，散熱器參數(shù)如表3所示。

1.3中冷器選型

中冷器的選型主要參照進出口壓縮空氣溫度、散熱量和中冷器冷側(cè)熱面積等，然后按照供方中冷器的型譜定型。發(fā)動機實際所需散熱量[3]:Q1=G1×CP1×（t1－t2）=0.16×1.009×100=16.14kW。（4）式中，Cp1為熱空氣的定壓比熱容，1.009×103J/（kg·℃）。冷側(cè)空氣流量為G2=Q1CP2（t4－t3）=16.14/（1.005×15）=1.07。（5）式中，Cp2為冷卻介質(zhì)的定壓比熱容，1.005×103J/（kg·℃）。散熱器平均溫差為Δtm=（Δtmat－Δtmin）/ln（Δtmat/Δtmin）=57.4°C。（6）式中：Δtmax=t1-t4=110℃；Δtmin=t2-t3=25℃。冷側(cè)散熱面積F為F=1000×1.2×Q1K×Δtm=3.97m2。（7）根據(jù)整車熱平衡試驗經(jīng)驗，中冷器散熱能力比需要散熱量Q1大15%~20%。K為中冷器結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，初選時取85W/（m2·℃）。參照供方中冷器型譜，選擇Z01075CC50A0180442A中冷器，散熱帶散熱面積為3.786m2，散熱管散熱面積為0.936m2，正面積為0.164m2，總面積為4.722m2，散熱量為16~24kW具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

1.4風(fēng)扇選型

牽引車散熱系統(tǒng)布置在駕駛室后方，發(fā)動機工作散失的熱量主要依靠風(fēng)扇帶走，選用硅油風(fēng)扇具有降低發(fā)動機機械功耗的同時，對水溫集聚變化響應(yīng)也較好，即本文主要配置感溫式硅油風(fēng)扇。風(fēng)扇選型設(shè)計要有3個前提條件[4]：冷卻系統(tǒng)需要的冷卻風(fēng)量、冷卻風(fēng)道的全氣路阻力、提供的風(fēng)扇對應(yīng)的特性曲線。冷卻風(fēng)扇通風(fēng)量VL為VL=QWΔt2raCP。（8）式中：Δt2為散熱器前后流動空氣溫度差，℃；ra為空氣體積質(zhì)量，kg/m3；Cp為空氣的定壓比熱容，J/(kg·℃)。冷卻空氣需要量為VL=QWΔt2raCP=49.9÷（30×1.01×1.047）=1.6m3/s。（9）式中：Δt2=30℃（冷卻空氣進口/出口溫度差，經(jīng)驗值），ra=1.01kg/m3,Cp=1.047kJ/(kg·K)。參照供方風(fēng)扇型譜，選擇兩款硅油風(fēng)扇，參數(shù)如表5所示。

1.5冷卻總成與風(fēng)扇匹配

風(fēng)扇的選型是否合理，主要是考核風(fēng)扇散熱量大于中冷器和散熱器等總成的風(fēng)阻和散熱量。中冷器和散熱器等總成的風(fēng)阻和散熱量主要靠風(fēng)洞試驗獲得，本文對選型后的中冷器和散熱器進行試驗，同時臺架上設(shè)置接近整車裝配環(huán)境，結(jié)合整車運行工況，測試散熱器和中冷器對應(yīng)的水阻和散熱量參數(shù)，如表6所示，對模擬發(fā)動機運行在額定功率和大轉(zhuǎn)矩點工況下，檢測中冷器和散熱器總成的風(fēng)阻和風(fēng)速曲線，如圖1所示。將本文選定的兩款風(fēng)扇進行靜壓-風(fēng)量測試，不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)量曲線如圖2和圖3所示。通過MatLab繪制中冷器+散熱器的風(fēng)阻曲線，同時將風(fēng)扇在額定工況和大轉(zhuǎn)矩點工況的風(fēng)量-靜壓對應(yīng)匹配曲線對比分析,如圖4和圖5所示。通過對比試驗曲線，在發(fā)動機工作在額定功率的工況下，在相同風(fēng)阻625Pa，冷卻系統(tǒng)所需的風(fēng)量為3.4m3/s，實際環(huán)形風(fēng)扇提供風(fēng)量為5.5m3/s，開口風(fēng)扇提供風(fēng)量為6.2m3/s，兩款風(fēng)扇均能滿足散熱要求，在發(fā)動機工作在大轉(zhuǎn)矩的工況下，冷卻總成＞500Pa后，環(huán)形風(fēng)扇提供的風(fēng)量無法滿足散熱需求，在風(fēng)阻750Pa,冷卻系統(tǒng)需要風(fēng)量為3.4m3/s，開口風(fēng)扇提供風(fēng)量為3.8m3/s,滿足散熱需求，風(fēng)量超過需求值的11.8%。通過上述對比分析，采用開口硅油風(fēng)扇（Z650W-11D），牽引車采用開口硅油風(fēng)扇，同時從結(jié)構(gòu)上開口風(fēng)扇比環(huán)形風(fēng)扇軸向尺寸小，滿足布置空間要求，可有效縮短冷卻系統(tǒng)軸向尺寸，更有利于其他總成布置。

2整車熱平衡試驗

通過理論計算和試驗確定了冷卻器總成，為了確保整車可靠性要求，還需要對樣車進行熱平衡試驗。在環(huán)境溫度＞30℃條件下，對牽引車散熱系統(tǒng)進行熱平衡試驗，采用8×4自卸車進行負荷倒拖試驗（車貨總質(zhì)量為45t），調(diào)整牽引車和拖車試驗車運行車速穩(wěn)定在5km/h，發(fā)動機分別在功率點、大轉(zhuǎn)矩點附近工作，調(diào)整拖車狀態(tài)，穩(wěn)定車速后，水溫穩(wěn)定30min后開始測量，測量牽引車水溫、進排氣溫度，評估中冷器是否滿足要求，通過測量進出口壓差12~15kPa，散熱器溫度差＜40℃，同時冷卻液水溫＜105℃，中冷后溫度比環(huán)境溫度≤35℃。通過整車熱平衡試驗，匹配的冷卻系統(tǒng)總成滿足要求。

3結(jié)語

本文對牽引車冷卻系統(tǒng)進行了匹配設(shè)計，結(jié)合中冷器和散熱器的風(fēng)洞臺架試驗，合理選擇了風(fēng)扇。通過整機的熱平衡試驗，驗證了選型的可行性，對后續(xù)其它專用車型設(shè)計起到了一定的指導(dǎo)作用。

[參考文獻]

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作者:裴新才 馬旭峰 馬德平 單位:中國重汽集團青島重工有限公司