劉鴻志，尚曉虎，王景新

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

有限空間下重卡工程車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)性能提升探討

劉鴻志，尚曉虎，王景新

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

重卡工程車(chē)往往在惡劣環(huán)境中運(yùn)行，有部分大馬力自卸車(chē)在使用時(shí)存在水溫高的問(wèn)題。文中以重型工程自卸車(chē)為例，通過(guò)建立Flowmaster模型對(duì)影響冷卻能力的參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，從整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)匹配角度對(duì)該車(chē)進(jìn)行了分析。由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙空間較小和散熱器離地間隙要求較高的限制，在散熱器外形尺寸無(wú)法加大的情況下，本文對(duì)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能提升提出幾種方法進(jìn)行探討，并對(duì)性能提升方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，證明這些方法是可行的。最后對(duì)冷卻系統(tǒng)性能提升方法的延伸應(yīng)用提出建議。

重卡；冷卻系統(tǒng)；散熱器；中冷器；性能提升

CLC NO.: U464.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)03--

前言

汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的功用，就是把發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置受熱件所傳導(dǎo)出來(lái)的熱，及時(shí)散發(fā)到周?chē)h(huán)境中去，使發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置獲得可靠而有效工作的熱狀態(tài)，既不過(guò)熱，也不過(guò)冷[1]。

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上有部分重卡大馬力自卸車(chē)型時(shí)有反饋，在車(chē)輛運(yùn)行時(shí)存在冷卻系統(tǒng)性能不足導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)水溫偏高的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)這部分重卡車(chē)輛往往具有以下特點(diǎn)：

1、工作環(huán)境相對(duì)比較惡劣，如各種礦坑、工地、山區(qū)、海拔較高地區(qū)等特殊環(huán)境。

2、裝載質(zhì)量過(guò)大。一般情況下，6×4自卸車(chē)載質(zhì)量在25～40T，8×4自卸車(chē)的載質(zhì)量在30～50T[2]，部分區(qū)域使用的自卸車(chē)載質(zhì)量甚至遠(yuǎn)超出上述所述。

3、施工時(shí)運(yùn)行速度較低，大部分時(shí)間實(shí)際車(chē)速一般在40 ～60km/h，部分工況下車(chē)速甚至只有20km/h左右。

解決發(fā)動(dòng)機(jī)水溫高傳統(tǒng)的做法就是加大散熱器芯體外形尺寸以提高冷卻系統(tǒng)性能[3]。當(dāng)前一些重卡車(chē)型由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間小和散熱器離地間隙要求高的限制，散熱器外形尺寸無(wú)法加大，給冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的困擾。本文針對(duì)這種情況下重卡冷卻性能提升過(guò)程中可能存在的問(wèn)題以及優(yōu)化的方法進(jìn)行了探討。

1、冷卻系統(tǒng)的匹配分析

冷卻系統(tǒng)的匹配選型設(shè)計(jì)校核方法不同研究者如唐昊，葉茂盛，于恩中等論述中有一些細(xì)節(jié)上的差異[4，5,6]，雖然表述不同，但實(shí)際上并無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別。一般汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以按照?qǐng)D1中所示流程進(jìn)行：

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)燃料燃燒產(chǎn)生的熱量分為做功、排氣、散熱、其他損失，但傳統(tǒng)的1/3理論已經(jīng)不能用來(lái)比較準(zhǔn)確評(píng)估冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)[7]。往往理論計(jì)算校核冷卻系統(tǒng)可以滿足整車(chē)，但是試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，實(shí)際裝車(chē)時(shí)卻和理論數(shù)據(jù)出現(xiàn)不一致的情況，究其原因冷卻系統(tǒng)周邊假定條件并不理想。

樣車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)由于受到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙、車(chē)架、以及離地間隙的限制，不能以加大散熱器外形尺寸來(lái)提升冷卻性能，只能通過(guò)其他途徑來(lái)提升冷卻性能。

通過(guò)使用Flowmaster軟件建立該自卸車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)模型見(jiàn)圖2，從該模型中可以更簡(jiǎn)單識(shí)別出有諸多參數(shù)都可能影響整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)性能。

對(duì)于常規(guī)手段如加大散熱器外形尺寸、加大風(fēng)扇直徑等本文不再討論，本文從影響冷卻性能的以下幾個(gè)方面進(jìn)行初步探討：

1、散熱器結(jié)構(gòu)；

2、冷卻模塊前方阻擋；

3、中冷器芯體高度對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響；

4、護(hù)風(fēng)罩和風(fēng)扇對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響；

5、風(fēng)扇前端面與散熱器芯體后端間距。

2、冷卻性能提升措施研究

針對(duì)上述原因分析中的結(jié)果在原樣車(chē)上進(jìn)行改進(jìn)，具體措施如下：

2.1 散熱器結(jié)構(gòu)改進(jìn)

目前國(guó)內(nèi)外重卡使用的散熱器主要是鋁制芯體管帶式散熱器。雖然都是管帶式散熱器，但是各散熱器制造廠家各自專(zhuān)利保護(hù)，散熱管和散熱帶差異化導(dǎo)致芯體結(jié)構(gòu)形式不盡相同。相同外形尺寸的散熱器因?yàn)樾倔w結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致性能有較大的差異。目前市場(chǎng)上重卡使用的散熱器芯體結(jié)構(gòu)種類(lèi)較多，主要有雙排單縫高頻焊管、單排或雙排B型擠壓管、單排沙漏管等。而同一種結(jié)構(gòu)的散熱器芯體又由于制造工藝差別問(wèn)題導(dǎo)致散熱能力相差甚大。下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)表1中幾種典型的芯體進(jìn)行比較：

表1 三種不同管型芯體參數(shù)

從圖3中風(fēng)筒實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)可知，在150L/min、220 L/min、290L/min三種的水流量和對(duì)應(yīng)五中風(fēng)速下，沙漏管芯體散熱系數(shù)較其他兩種芯體高出很多?？梢?jiàn)使用該管型的散熱管制作散熱器芯體可以在相同外形尺寸下有效提升單體的性能，目前此管型也逐漸受到國(guó)內(nèi)散熱器生產(chǎn)廠商追捧，一些廠商已經(jīng)上馬沙漏管的制管機(jī)。

國(guó)外一些散熱器供應(yīng)商開(kāi)發(fā)出麻點(diǎn)管，即在原來(lái)散熱管光滑表面進(jìn)行打凸，通過(guò)對(duì)打凸點(diǎn)結(jié)構(gòu)和分布設(shè)計(jì)，這種管型可以在管內(nèi)流速較低時(shí)發(fā)揮更好的散熱效果，但在管內(nèi)流速較高時(shí)與正常管型趨于一致。

還有一些散熱器供應(yīng)商進(jìn)行高密度散熱器芯體設(shè)計(jì)。這種高密度散熱器芯體主要是減小散熱管的尺寸和散熱帶的波高，使得相同外形尺寸下散熱器散熱面積增加，從而提升散熱器的性能。該結(jié)構(gòu)的散熱器對(duì)冷卻風(fēng)扇的靜壓要求較高，否則散熱器性能很難發(fā)揮到最佳。

2.2 冷卻模塊前方阻擋

國(guó)內(nèi)很多車(chē)輛的冷卻模塊前方有駕駛室前支撐的翻轉(zhuǎn)軸或者車(chē)架前端橫梁等阻擋物，這些冷卻模塊前方的阻擋物往往在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)被忽略，但實(shí)際上對(duì)冷卻模塊性能的發(fā)揮有一定的影響。圖4為氣流通過(guò)鈍體阻擋物繞流的情況，如果冷卻模塊布置在圖4中a到b段的尾流區(qū)域，由于此部分芯體在尾流區(qū)域得不到良好的冷卻，整個(gè)冷卻模塊的冷卻效果則會(huì)隨著與阻擋物間距的大小有不同程度的下降。

從上述分析可知，解決此問(wèn)題有兩個(gè)途徑：

1）在整車(chē)總布置設(shè)計(jì)之初就避免在冷卻模塊前方布置其他零部件，國(guó)外很多高端重卡均是如此。

2）如果冷卻模塊前方不可避免地要布置其他零部件等阻擋物，那么這些阻擋物尺寸設(shè)計(jì)要盡可能緊湊，并且冷卻模塊布置要在阻擋物尾流區(qū)域之后。

2.3 中冷器芯體高度對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響

在散熱器不變的情況下，對(duì)中冷器芯體高度對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果如圖5所示，當(dāng)中冷器芯體高度從832mm減至762mm時(shí)，中冷器的效率提高1.7%，進(jìn)氣溫升降低1.2℃，冷卻常數(shù)降低8.7，風(fēng)扇后溫升升高了6.9℃。說(shuō)明在保證中冷器性能的情況下，合理減少中冷器尺寸，對(duì)冷卻模塊風(fēng)阻的影響呈減小趨勢(shì)。

散熱器和中冷器有時(shí)候并非模塊化設(shè)計(jì)，兩者可能分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。這時(shí)候要避免中冷器設(shè)計(jì)采用較大的外形尺寸，雖然中冷器的散熱性能非常好，但是散熱器負(fù)荷可能會(huì)大幅增加，導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)性能惡化。

在國(guó)內(nèi)外主流重卡產(chǎn)品中，冷卻模塊布置大多如圖6所示，中冷器和散熱器依次串聯(lián)在一起，中冷器布置在動(dòng)壓頭較高的一側(cè)，圖中風(fēng)扇為吸風(fēng)式風(fēng)扇。

中冷器和散熱器之間的間隙t的處理不當(dāng)也會(huì)影響冷卻系統(tǒng)的性能，若t過(guò)大，則中冷器和散熱器之間氣流可能會(huì)產(chǎn)生橫向流動(dòng)[8]，影響整個(gè)冷卻系統(tǒng)通風(fēng)的流暢性。所以中冷器和散熱器盡可能靠近，并且兩者之間周?chē)M量密封處理。

2.4 護(hù)風(fēng)罩和風(fēng)扇對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響

上個(gè)世紀(jì)風(fēng)扇主要是開(kāi)口風(fēng)扇，與之匹配傳統(tǒng)護(hù)風(fēng)罩有文杜里式、環(huán)式、箱式等形式。當(dāng)前環(huán)形風(fēng)扇逐漸占據(jù)主流地位，從國(guó)內(nèi)外重卡來(lái)看，可以把護(hù)風(fēng)罩簡(jiǎn)單分為剛性和柔性?xún)煞N（圖7）。

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇和剛性風(fēng)罩之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，剛性風(fēng)罩與發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇徑向間隙t一般推薦20～25mm；而柔性風(fēng)圈由于護(hù)風(fēng)圈和發(fā)動(dòng)機(jī)為剛性連接，護(hù)風(fēng)罩和護(hù)風(fēng)圈之間用柔性圈連接，護(hù)風(fēng)圈和風(fēng)扇之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩者徑向間隙t可以做到5～8mm。雖然柔性風(fēng)罩吸風(fēng)效率較高，但是由于生產(chǎn)制造比較復(fù)雜，成本遠(yuǎn)高于剛性風(fēng)罩，使用較少；而剛性風(fēng)罩因制造簡(jiǎn)單，成本較低等優(yōu)勢(shì)被普遍使用。

現(xiàn)在市場(chǎng)上U型嘴護(hù)風(fēng)罩[9]搭配環(huán)形風(fēng)扇的方式已有整車(chē)廠使用。這種方式可以有效減少氣流通過(guò)風(fēng)扇后在風(fēng)罩出口處的逆流和渦流情況。

通過(guò)轉(zhuǎn)轂熱平衡試驗(yàn)對(duì)剛性風(fēng)罩和U型嘴護(hù)風(fēng)罩進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，從測(cè)試結(jié)果（圖8）可見(jiàn)U型嘴護(hù)風(fēng)罩相對(duì)于原來(lái)普通剛性風(fēng)罩對(duì)提升冷卻系統(tǒng)系能有顯著作用。

U型嘴護(hù)風(fēng)罩和環(huán)形風(fēng)扇配合尺寸關(guān)系對(duì)性能發(fā)揮程度影響不可忽視。經(jīng)轉(zhuǎn)轂測(cè)試結(jié)果顯示， 當(dāng)U型嘴護(hù)風(fēng)罩和環(huán)形風(fēng)扇軸向和徑向間隙按照?qǐng)D9所示進(jìn)行控制時(shí)，較普通剛性風(fēng)罩可以有效提升風(fēng)扇效率10%以上。

空氣密度一定時(shí)，風(fēng)扇風(fēng)量Q與風(fēng)扇直徑D、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速n之間存在如下的關(guān)系。

式中：K——比例系數(shù)

風(fēng)扇提供的風(fēng)量主要與風(fēng)扇的型式、直徑、轉(zhuǎn)速、葉片形狀、葉片安裝角及葉片數(shù)目有關(guān)。針對(duì)散熱器散熱能力基本滿足使用要求的特點(diǎn)，考慮到盡量使用現(xiàn)生制造工藝，可以采用改變風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和形狀方法，增大風(fēng)扇的風(fēng)量。

2.5 風(fēng)扇前端面與散熱器芯體后端面間距

風(fēng)扇安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)上，美國(guó)康明斯應(yīng)用工程資料推薦風(fēng)扇前端面和散熱器芯體后端面的間距為50mm～150mm, 但是由于整車(chē)布置空間限制此間距有時(shí)候設(shè)計(jì)的很小，本車(chē)原設(shè)計(jì)間距為100mm。根據(jù)散熱器芯體后端面和風(fēng)扇前端面的間距與前面風(fēng)速的關(guān)系（圖5）可以看出在50～150mm的范圍內(nèi)此間距值越大，風(fēng)扇吸風(fēng)性能越好。

基于圖10曲線，將兩者間距從100mm調(diào)整至119mm。從測(cè)試結(jié)果(圖11)可以看出，這兩種不同的間距對(duì)風(fēng)速的影響從發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由高到低風(fēng)速隨之逐漸提高，而且在1100rpm時(shí)風(fēng)速可提高75%左右。

3、總結(jié)

對(duì)于布置空間非常緊張的重卡冷卻系統(tǒng)來(lái)說(shuō), 整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)匹配優(yōu)化總是涉及到諸多因素，但是由于實(shí)現(xiàn)的難易程度，往往會(huì)忽略掉一些因素。同時(shí)又因?yàn)槔鋮s系統(tǒng)的工作環(huán)境不可預(yù)估性，理論分析往往只能輔助工作，最終還是需要通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化的方式來(lái)達(dá)到系統(tǒng)匹配最優(yōu)。

通過(guò)上述對(duì)影響冷卻性能的以下幾個(gè)方面的分析研究，總結(jié)如下：

（1）散熱器在不加大外形尺寸的情況下，選用新技術(shù)狀態(tài)的芯體結(jié)構(gòu)，如高密度管芯體、沙漏麻點(diǎn)管芯體等可以不同程度的提升冷卻系統(tǒng)性能。

（2）冷卻模塊前方阻擋。盡量減少冷卻模塊前方的阻擋，必要時(shí)可以將冷凝器從冷卻模塊前方移開(kāi)，如有阻擋物則盡可能將冷卻模塊與阻擋物間距加大。

（3）中冷器尺寸問(wèn)題。在冷卻模塊設(shè)計(jì)時(shí)，中冷器的尺寸在保證性能的情況下盡可能的小，以避免給散熱器帶來(lái)過(guò)多的熱負(fù)荷。

（4）使用U型嘴護(hù)風(fēng)罩和環(huán)形風(fēng)扇，在兩者徑向和軸向間隙尺寸配合合理的情況下，對(duì)冷卻系統(tǒng)性能提升有顯著地效果。

（5）風(fēng)扇前端面和散熱器后端面之間的距離對(duì)風(fēng)速的影響在低速時(shí)影響較大，有條件的情況下在合理范圍內(nèi)，盡量加大兩者間距。

（6）本文中討論影響重卡冷卻系統(tǒng)性能提升的幾個(gè)方面因素通過(guò)風(fēng)筒試驗(yàn)臺(tái)或者整車(chē)轉(zhuǎn)轂驗(yàn)證進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，因此文中冷卻系統(tǒng)性能提升的方法和結(jié)論對(duì)相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有一定的借鑒意義，對(duì)于中、輕型卡車(chē)、輕型客車(chē)等設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)也具有一定的參考價(jià)值。

[1] 王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].第3版.機(jī)械工業(yè)出版社，2003：16-18.

[2] 謝開(kāi)泉，胡潔敏.重型自卸車(chē)使用工況特點(diǎn)分析及對(duì)應(yīng)選擇[J]. 裝備制造技術(shù). 2008.(10)∶114-115.

[3] 陳剛，鄒琳，劉鴻志.重型牽引車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)水溫過(guò)熱分析與改進(jìn)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2007.( 30(z1))：22～25.

[4] 唐昊.重型牽引車(chē)散熱系統(tǒng)研究與優(yōu)化[J]. 汽車(chē)實(shí)用技術(shù).2013.(8)：63～66.

[5] 葉茂盛. 通過(guò)熱平衡試驗(yàn)探討冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改善[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2007.( 30(z1))：26～32.

[6] 于恩中．汽車(chē)?yán)鋮s系的設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究[J].中國(guó)科技信息.2007. (4)：79～80.

[7] 錢(qián)金山.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)探討[J].內(nèi)燃機(jī)與配件.2013. (3)：7～8.

[8] 王兆煖.散熱器、中冷器和風(fēng)扇的選型校核計(jì)算[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造.2009.(4)∶第16卷20～31.

[9] 尚曉虎，劉鴻志.某自卸車(chē)?yán)鋮s系冷卻能力不足的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù).2014.(1)：70～74.

Heavy Truck Cooling System Performance Improvement in The Limited Space

Liu Hongzhi, Shang Xiaohu, Wang Jingxin
(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601)

Heavy engineering truck tend to run in the bad environment, The coolant temperature is usually very higher than acceptance requirement in some large power dump truck . With heavy engineering dump truck as an example in this paper, establishing cooling system model by Flowmaster to distinguish cooling parameters. To analyze the total cooling system from the matching angle. Due to engine room less space and the limitation of the radiator to demand higher off the ground clearance, in the case of radiator dimension can't increase, in this paper, several methods about the cooling system design performance improvement were discussed and confirmed, proved that the method is feasible. Finally, the application and extension of the cooling system performance improvement methods are suggested.

heavy truck; cooling system; radiator; CAC; Performance Improvement

U464.2

A

1671-7988(2015)03--

劉鴻志，就職于安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心。