肖冰,趙萍,顏慶
(陜西重型汽車有限公司,陜西 西安 710200)
隨著近些年發(fā)動機馬力的提高,液力緩速器的使用,對重卡的冷卻散熱系統(tǒng)的要求也不斷提高。汽車冷卻系統(tǒng)主要保證發(fā)動機能夠正??煽康墓ぷ鞯囊粋€重要系統(tǒng),避免引起發(fā)動機過熱。尤其是隨著商用車發(fā)動機不斷發(fā)展,發(fā)動機的馬力不斷增大、發(fā)動機的性能不斷增強、其產(chǎn)生的熱負荷及機械負荷也進一步的提高。因此,隨著馬力的增加,及緩速器的應(yīng)用等,對商用車冷卻系統(tǒng)以及整車熱管理提出了越來越高的要求。
發(fā)動機冷卻系統(tǒng)是重要作用是保障發(fā)動機整體性能、可靠性、耐久性。在各種工況下通過冷卻系統(tǒng)來保障發(fā)動機在適合的溫度下工作。所以,整車的冷卻系統(tǒng)與發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性、可靠性等有較大的關(guān)系[1]。節(jié)溫器是調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)中用于調(diào)節(jié)通過散熱器的冷卻液流量和更改水路循環(huán)路線的部件[2],故節(jié)溫器的設(shè)計也尤為重要。液力緩速器是一種在車輛下坡時將機械能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置,而緩速器產(chǎn)生的熱能需要通過整車散熱系統(tǒng)散熱,其與發(fā)動機共用一套冷卻系統(tǒng)。液力緩速器是車輛傳動系統(tǒng)中重要的輔助制動系統(tǒng),有效減少行車制動器磨損,防止行車制動器失效,顯著提高了重型卡車的安全性。[3]
陜汽大件牽引車系列主要針對大件運輸自主設(shè)計開發(fā),本次車型使用600馬力進口康明斯發(fā)動機,國產(chǎn)法士特斜齒變速箱+并聯(lián)緩速器,使用雙散熱系統(tǒng),發(fā)動機硅油離合器風(fēng)扇,輔助電子風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。該進口發(fā)動機未預(yù)留緩速器進出水口,因需要有兩個散熱器串聯(lián)安裝,一個故系統(tǒng)水管路較為復(fù)雜。
1)冷卻系統(tǒng)需要具有足夠的冷卻能力,保證在所有工況下發(fā)動機的出水溫度低于所要求的許用值。
2)具有除氣功能,發(fā)動機起動后25分鐘內(nèi)應(yīng)除盡初次加注時積存在冷卻系中的空氣。
3)具有一定的膨脹空間,其容積占系統(tǒng)容積的4%~6%。
4)具有一定的加注速度(19L/min,Cummins推薦)且一次加滿率應(yīng)達到總?cè)莘e的90%。
5)具有一定的缺水能力,缺水量應(yīng)滿足規(guī)定的要求(大于初次未加滿的冷卻液容量)。
6)冷卻系統(tǒng)中各個部件密封性能良好,不得漏氣、漏水。[4]
圖1 冷卻系統(tǒng)原理圖
本次設(shè)計為在原先車型上進行改進,原先為Cummins600馬力發(fā)動機匹配 ZF16檔變速箱串聯(lián)緩速器,本次車型做相應(yīng)配置升級等,駕駛室匹配全新X3000駕駛室,Cummins600馬力發(fā)動機匹配法士特16檔斜齒變速箱并聯(lián)緩速器。冷卻系統(tǒng)的各模塊計算過程省略,本文主要介紹管路連接的變動及相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)升級。需拆除發(fā)動機中的節(jié)溫器,同時管理中外接兩個節(jié)溫器,其中冷卻系統(tǒng)主要管路連接及雙散熱器并聯(lián)緩速器布置原理如圖1所示。
結(jié)合變寬車架及保險杠托架尺寸,主、副散熱器選用原先大件車所使用散熱器可滿足要求,僅針對中冷器的設(shè)計更改散熱器上相應(yīng)中冷器的安裝支架和孔位。
根據(jù)上次整車 IQA的實驗結(jié)果為參考,依然選用 MS9-762mm開口電控硅油離合器風(fēng)扇。主散熱器使用傳統(tǒng)位置發(fā)動機匹配風(fēng)扇冷卻,副散熱器使用6個φ300的電子風(fēng)扇組進行冷卻,電子風(fēng)扇的開啟通過采集發(fā)動機水溫信號進行智能控制,減少駕駛員的勞動強度,同時轉(zhuǎn)速與水溫呈線性關(guān)系。
圖2 PWM占空比與水溫變化關(guān)系圖
2.4.1 膨脹水箱的作用
冷卻系統(tǒng)的冷卻效率及功能很大程度上取決于該系統(tǒng)是否附帶系統(tǒng)壓力或是否無氣泡,這兩種特性主要受膨脹水箱活力的影響。其具體作用為:
■ 接收加熱時膨脹的冷卻液
■ 分離出系統(tǒng)中的空氣
■ 儲備一定量的冷卻液用于補償泄露損失
■ 冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)壓和限壓
■ 方便冷卻液的加注和液面檢查
膨脹水箱設(shè)計時應(yīng)注意:
■ 帶有液位報警器,提醒駕駛員及時添加冷卻液
■ 整車布置時,膨脹水箱的最低點應(yīng)高于發(fā)動機水道頂部和散熱器上水室,基本應(yīng)該在散熱系統(tǒng)最高點。
■ 膨脹水箱總?cè)莘e分為膨脹容積、儲備容積、必留容積。其中膨脹容積約為系統(tǒng)總?cè)莘e的6%、儲備容積約為系統(tǒng)總?cè)莘e的11%~20%、必備容積,防止冷卻液循環(huán)中卷入空氣,為最低液面距底面不小于35mm。
大件牽引車在設(shè)計冷卻系統(tǒng)時,由于雙散熱系統(tǒng),且管路較為復(fù)雜,所需膨脹水箱容積較大,使用塑料膨脹水箱在小批量階段由于開模等費用較高,對成本影響較大。最早使用并聯(lián)雙塑料膨脹水箱,缺點為管路復(fù)雜、除氣效果不佳、易產(chǎn)生液面不均等問題,后改進為串聯(lián)不銹鋼氣瓶與塑料膨脹水箱,缺點為管路復(fù)雜,無法觀察液面且容易加注錯誤。本次最終確定使用新型不銹鋼膨脹水箱,體積較大、不用開模、且?guī)в^察管柱,易于觀察液面,在試制階段可控制成本,同時效果較好。
2.4.2 膨脹水箱容積的計算
系統(tǒng)總?cè)莘e包括冷卻管路容積,散熱器容積,發(fā)動機本體容積,膨脹水箱的儲備水量等,根據(jù)數(shù)模、散熱器參數(shù)、發(fā)動機參數(shù)等計算系統(tǒng)總?cè)莘e約為 94L。理論上膨脹水箱容積V
通過計算可得23.5L的膨脹水箱可滿足要求。
護風(fēng)圈與風(fēng)扇的徑向間隙對風(fēng)扇容積效率影響較大,在允許的條件下應(yīng)盡量減少風(fēng)扇和護風(fēng)圈之間的徑向間隙,葉尖與導(dǎo)風(fēng)罩間隙約為1.5%~2.5%風(fēng)扇直徑,風(fēng)扇距離散熱器芯之間的距離不小于50mm,風(fēng)扇葉片1/2進入護風(fēng)圈。
為了冷卻高溫空氣及降低增壓后空氣的溫度,使得進入發(fā)動機氣缸中的空氣密度增大,同時根據(jù)之前IQA測試的數(shù)據(jù)及實驗樣車成本考慮,同時結(jié)合車架及保險杠托架尺寸。本次設(shè)計中將原先中冷器芯子尺寸擴寬30。
石蠟機械式節(jié)溫器工作原理∶節(jié)溫器芯子為石蠟填充,石蠟的體積受溫度控制,冷卻液溫度較低時,石蠟呈固態(tài),旁通閥關(guān)閉。如圖3示,冷卻液從A口進B口出。反之,石蠟體積膨脹,旁通閥打開,冷卻液從A口進C口出。通過雙外置節(jié)溫器內(nèi)部旁通閥的開啟來改變冷卻系走向,改變大小循環(huán)及冷卻水路走向。
圖3 節(jié)溫器示意圖
因陜汽大件車匹配的600馬力發(fā)動機,主要用于牽引300噸以上不可拆卸大件貨物,系統(tǒng)中還有變速箱緩速器,工況復(fù)雜,因此,在相關(guān)設(shè)計過程中,大件車冷卻系統(tǒng)的匹配設(shè)計一直都是重點難點,同時在冷卻系統(tǒng)中存在兩個散熱器,對于管路布置連接相對于單散熱器系統(tǒng)復(fù)雜度高。結(jié)合整車布置結(jié)構(gòu)特點、對冷卻系統(tǒng)管路布置設(shè)計如圖4所示:
圖4 冷卻系統(tǒng)布置圖
主散熱器與中冷器位于發(fā)動機前端,通過發(fā)動機風(fēng)扇來散熱,副散熱器位于固定架上,通過6個電子風(fēng)扇來散熱。當(dāng)發(fā)動機起動時,水溫不高,冷卻液從發(fā)動機流出經(jīng)過節(jié)溫器1,然后經(jīng)過緩速器經(jīng)過節(jié)溫器2流回發(fā)動機,當(dāng)水溫較高,超過83℃時,節(jié)溫器1開啟,經(jīng)過側(cè)散熱器散熱,流過緩速器,經(jīng)過節(jié)溫器2流回發(fā)動機,如水溫仍然高,或者是由于緩速器開啟導(dǎo)致水溫上升等情況,則節(jié)溫器2開啟,水流經(jīng)過主散熱器然后流回發(fā)動機。
通過對陜汽大件牽引車冷卻系統(tǒng)的改進設(shè)計,說明設(shè)計冷卻系統(tǒng)需要注意的問題,為大馬力發(fā)動機和并聯(lián)緩速器在整車匹配時提供了理論參考。同時應(yīng)用的不銹鋼膨脹水箱可方便應(yīng)用于小批量常規(guī)塑料膨脹水箱無法滿足的小批量階段,節(jié)省開模成本。本冷卻系統(tǒng)順利通過了IQA實驗。陜汽大件車在投放市場多年來,得到了市場的認可,目前在國內(nèi)大件車行業(yè)得到了比較好的市場反應(yīng)。本次冷卻系統(tǒng)通過了IQA實驗,可滿足大件牽引車在各種工況下的運輸過程的冷卻需求,使用性能穩(wěn)定、后續(xù)維修保養(yǎng)方便,得到市場充分肯定和客戶的認可。