蘇忠浩，溫玉霜，曹建，孫永強

（徐州徐工環(huán)境技術(shù)有限公司，江蘇 徐州 221000）

前言

隨著我國對發(fā)動機(jī)排放及EGR率要求越來越高，使得發(fā)動機(jī)技術(shù)更新的同時，對發(fā)動機(jī)的散熱要求也越來越高。而輕型卡車在不增加整機(jī)重量，空間有限的情況下，所以我們在設(shè)計輕型卡車時要從各個方面考慮發(fā)動機(jī)的散熱效果，以達(dá)到整機(jī)的要求。根據(jù)有關(guān)資料介紹，發(fā)動機(jī)故障的 50%左右是由冷卻系統(tǒng)故障引起的?？梢娎鋮s系統(tǒng)在車輛可靠性所占的地位。散熱器是整個發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)最重要的一部分，主要包括中冷器（CAC），水散（RAD）。如果發(fā)動機(jī)出現(xiàn)高溫報警，會使出現(xiàn)限扭，增加油耗等現(xiàn)象；如果出現(xiàn)過冷現(xiàn)象，也是無法讓發(fā)動機(jī)的工作效率達(dá)到最佳狀態(tài)，甚至對于整機(jī)來說是一種浪費。所以，為了更好的匹配一款性價比合適的散熱器至關(guān)重要。

1 水散的結(jié)構(gòu)選型

水散的結(jié)構(gòu)式有芯體、上水室、下水室等3部分組成。

1.1 水散的芯體結(jié)構(gòu)形式

目前，在市場上主流的鋁制散熱器形式有三種，一是板翅式，二是管帶式，三是管片式。由于輕型卡車是商用車的原因，我們基本考慮管帶式和管片式。管片式的特點是結(jié)構(gòu)強度好，承壓能力較高，不容易堵塞芯體，且容易清理；結(jié)構(gòu)由扁圓管和散熱片釬焊而成，冷側(cè)風(fēng)通過阻力小，增加了傳熱面積。多使用震動較大、環(huán)境惡劣的重載車上。管帶式的特點是結(jié)構(gòu)強度一般，結(jié)構(gòu)是用扁圓管和波紋狀百葉窗式散熱帶釬焊而成，這種結(jié)構(gòu)使冷側(cè)風(fēng)產(chǎn)生紊流現(xiàn)象，從而使散熱能力提高，一般是同等條件下管片式的 12%。管帶式的制造工藝簡單、質(zhì)量輕、成本低，但結(jié)構(gòu)強度不如管片式好。綜合考慮輕卡的使用工況，管帶式從性價比來說，是比較合適的。

圖1

1.2 水散的水流形式

強制循環(huán)式水冷用散熱器可分為縱流型和橫流型。橫流式散熱器在汽車發(fā)動機(jī)上使用較為廣泛，特點為可以增加芯體的寬帶，從而增加散熱器的散熱面積，另一方面布置比較方便?？v流型散熱器主要使用在載重的工況下，卡車比較適合使用這種縱流型散熱器，這主要是卡車的車架空間限制，另一方面如果散熱器在整機(jī)測試階段無法滿足熱平衡的要求，可以通過垂直方向增加散熱面積。散熱器的結(jié)構(gòu)強度可以通過芯體兩側(cè)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強。

圖2

2 一款輕卡散熱器的實例

需求設(shè)計一款輕型卡車，使用發(fā)動機(jī)為康明斯ISF2.8，

要求滿足環(huán)境溫度為40℃，載重3噸。

2.1 發(fā)動機(jī)的參數(shù)

表1

2.2 風(fēng)扇參數(shù)

硅油離合器風(fēng)扇型號：F457W-7 ，風(fēng)扇速比：1.1∶1。

2.3 性能匹配

利用 KULI分析軟件匹配此款輕型卡車的散熱器性能計算分析。設(shè)置KULI軟件的邊界條件：熱風(fēng)回流6℃，風(fēng)扇在機(jī)艙的熱輻射下效率衰減10%，機(jī)艙系統(tǒng)阻力考慮57.7%等。

具體分析后的數(shù)據(jù)如下：

圖3

在性能計算時使用42℃，為了給散熱器增加安全系數(shù)，我們在設(shè)計初期增加2℃余量。

通過分析后得出滿足整機(jī)散熱器空間的芯體尺寸：

水散：高x寬x芯厚：595x620x40；中冷器：高x寬x芯厚：370x520x65

圖4 KULI中模塊分布圖

散熱器與風(fēng)扇的性能匹配曲線：

圖5

通過KULI匹配數(shù)據(jù)看，此管帶式散熱器在性能和空間布置上能夠滿足要求，可以使用。

2.4 CFD流場分析

2.4.1 三維CFD仿真邊界條件設(shè)定

圖6 冷凝器單位厚度風(fēng)阻曲線

圖7 水散熱器單位厚度風(fēng)阻曲線

圖8 中冷器單位厚度風(fēng)阻曲線

圖9

對整機(jī)中的冷卻系統(tǒng)中的冷凝器、中冷器和水散熱器組成的冷卻模塊采用多孔介質(zhì)模型，并根據(jù)性能分析中的風(fēng)阻和速度曲線設(shè)置多孔介質(zhì)參數(shù)。使用 Realizable k-ε兩方程湍流模型和非平衡壁面函數(shù)對湍流場進(jìn)行模擬。

三維CFD仿真輸出結(jié)果：

表2

通過截取關(guān)鍵截面矢量圖，有助于了解動力艙的流動狀況，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計不足，提供改進(jìn)措施。

圖10 水平截面流線圖

圖11 垂直截面流線圖

三維與一維聯(lián)合仿真分析：

圖12 速度矢量圖

三維仿真輸出結(jié)果分析

速度矢量圖與流線圖分析

1）從風(fēng)扇出口流出的氣流基本沒有返回到冷卻模塊進(jìn)口，熱風(fēng)回流并不明顯。

2）風(fēng)扇出口流出的氣流直接繞過發(fā)動機(jī)，從發(fā)動機(jī)四周向車尾流動，氣流組織也較理想。

3）導(dǎo)風(fēng)罩內(nèi)部設(shè)計不太合理，導(dǎo)風(fēng)罩內(nèi)部阻力較大。

根據(jù)流場分析，我們需要優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)罩，更改為文丘里導(dǎo)風(fēng)罩，控制風(fēng)扇與導(dǎo)風(fēng)罩沉浸比例1/2-2/3。

3 提高散熱器性能的其他方法

由于我國對發(fā)動機(jī)的要求越來越高，發(fā)動機(jī)技術(shù)提升的同時，對冷卻系統(tǒng)的要求也很高。對于我們整機(jī)來說，在有限的空間里滿足要求很困難。我們只能從動力系統(tǒng)的優(yōu)化來考慮。主要有：1）增加散熱面積，可優(yōu)化散熱器的芯體配置，如開窗的散熱帶，打點的扁圓管。2）增加隔熱裝置，防止熱風(fēng)回流。3）優(yōu)化風(fēng)扇與導(dǎo)風(fēng)罩之間的間隙，可采用柔性連接實現(xiàn)。4）優(yōu)化動力艙的進(jìn)排氣流場。5）優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)，如文丘里導(dǎo)風(fēng)罩。6）選用性能更高的風(fēng)扇等措施。

4 結(jié)語

此款散熱器的性能計算分析是可以滿足要求的，在初期性能計算有很多的假設(shè)條件，還需在整機(jī)裝配調(diào)試后進(jìn)行熱平衡測試。

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