薛黎明 張濤 王東亮 王強

摘 要：護風(fēng)圈是冷卻系統(tǒng)的子部件之一，其設(shè)計好壞直接影響發(fā)動機的冷卻性能。以重型自卸車為研究對象，通過基于道路的熱平衡試驗，分析對比了內(nèi)插入式護風(fēng)圈與外插入式護風(fēng)圈對發(fā)動機冷卻性能的影響差異。試驗結(jié)果表明：與外插入式護風(fēng)圈相比，內(nèi)插入式護風(fēng)圈可以有效改善發(fā)動機的冷卻性能，提高整車極限使用許用環(huán)境溫度，對解決重型自卸車發(fā)動機水溫過高問題具有實際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：護風(fēng)圈 冷卻性能 熱平衡 重型自卸 風(fēng)扇 發(fā)動機艙

1 前言

整車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，也是行業(yè)公認(rèn)的技術(shù)難題。冷卻系統(tǒng)的功能是保證發(fā)動機在任何負(fù)荷條件下均能正常和可靠地工作而不引起發(fā)動機過熱。護風(fēng)圈作為冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵子部件之一，實際工作中與冷卻風(fēng)扇配合使用。護風(fēng)圈能夠集中風(fēng)力，為風(fēng)扇提供良好的進口條件，還可以使風(fēng)扇間隙的湍流減小起到提升流量、降低噪音以及提高效率的作用。護風(fēng)圈設(shè)計好壞，直接影響冷卻風(fēng)扇的氣動性能[1]。目前在整車?yán)鋮s系統(tǒng)匹配選型時，針對護風(fēng)圈的設(shè)計，大多企業(yè)將重點放在護風(fēng)圈與冷卻風(fēng)扇葉端徑向間隙和風(fēng)扇投影寬度伸入護風(fēng)圈的深度上。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗與試驗驗證結(jié)論，一般推薦冷卻風(fēng)扇葉端與護風(fēng)圈徑向間隙小于風(fēng)扇直徑的2.5%，風(fēng)扇葉片投影寬度應(yīng)伸入護風(fēng)圈2/3為宜[2]。但是還沒有關(guān)于護風(fēng)圈結(jié)構(gòu)對冷卻性能影響的熱平衡試驗研究。

本文以重型自卸車為研究對象，通過基于道路的熱平衡試驗，分析對比了內(nèi)插入式護風(fēng)圈與外插入式護風(fēng)圈對發(fā)動機冷卻性能的影響差異，為冷卻系統(tǒng)護風(fēng)圈結(jié)構(gòu)選型提供參考依據(jù)。

2 護風(fēng)圈結(jié)構(gòu)

根據(jù)護風(fēng)圈與風(fēng)扇相對位置關(guān)系，護風(fēng)圈結(jié)構(gòu)分為外插入式護風(fēng)圈和內(nèi)插入式護風(fēng)圈。把護風(fēng)圈位于風(fēng)扇外圍，包圍著整個風(fēng)扇的護風(fēng)圈稱為外插入式護風(fēng)圈，其特點是護風(fēng)圈的內(nèi)徑大于風(fēng)扇外徑，可以與開口風(fēng)扇和環(huán)形風(fēng)扇配合使用;對于環(huán)形風(fēng)扇，護風(fēng)圈引伸到圓環(huán)內(nèi)側(cè)，從而形成內(nèi)插入式護風(fēng)圈，其特點是護風(fēng)圈外徑小于風(fēng)扇外徑。

3 試驗方法與評價指標(biāo)

3.1 試驗方法

熱平衡試驗采用道路負(fù)荷拖車法，以負(fù)荷拖車施加坡度阻力，通過車輛的實際道路行駛來進行熱平衡試驗，試驗結(jié)果與實際工況符合程度較高[4]。試驗工況為車輛極限使用工況[5]，測量發(fā)動機進、出水溫度、環(huán)境溫度、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機扭矩百分比等參數(shù)。

試驗在同一試驗車輛、同一路段進行，盡量保證試驗一致性，避免試驗條件不同而產(chǎn)生試驗誤差。為方便對比，在試驗樣車上先進行外插入式護風(fēng)圈熱平衡試驗，然后試驗樣車更換內(nèi)插入式護風(fēng)圈再次進行熱平衡試驗。為使試驗結(jié)果更具有說服力，選取2臺試驗樣車進行上述試驗。

3.2 評價指標(biāo)

整車熱平衡性能以極限使用許用環(huán)境溫度為評價指標(biāo)。根據(jù)極限使用許用環(huán)境溫度計算公式[6]，即：

T=TL-（Ttest-Tambient） ? ? ?（1）

式中：TL為冷卻液最高許用溫度;Ttest為測量得到的最高穩(wěn)定發(fā)動機出水溫度;Tambient為試驗時的環(huán)境溫度。

4 試驗舉例及分析

以湖北大運生產(chǎn)的2臺8*4重型自卸車為例，兩臺試驗樣車分別命名為樣車A、樣車B。兩臺試驗樣車配置幾乎一置，僅駕駛室地板結(jié)構(gòu)有少許差異，其中樣車A為通道式地板，樣車B為階梯式地板。兩臺試驗樣車首先搭載外插入式護風(fēng)圈進行熱平衡試驗，然后均更換內(nèi)插入式護風(fēng)圈再次進行熱平衡試驗。

試驗前，兩臺試驗樣車與負(fù)荷拖車均加載至最大設(shè)計總質(zhì)量，斷開冷卻風(fēng)扇電控硅油離合器線束，使風(fēng)扇強制直聯(lián)。拆掉節(jié)溫器，使用木塞封堵冷卻液小循環(huán)路徑，強制冷卻液按大循環(huán)流動。試驗過程中開啟空調(diào)，風(fēng)量調(diào)節(jié)開關(guān)置于最大位置，溫度調(diào)節(jié)開關(guān)置于最大冷卻模式。

通過以上措施，保證發(fā)動機在熱平衡試驗過程中，始終能夠發(fā)揮最大的冷卻效能。試驗車輛油門全開行駛，負(fù)荷拖車通過檔位與剎車對試驗車輛施加負(fù)荷，使試驗車輛發(fā)動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在最大扭矩轉(zhuǎn)速。當(dāng)連續(xù)4min內(nèi)，發(fā)動機出水溫度與環(huán)境溫度的差值無升高的趨勢且變化均在±1℃以內(nèi)時，即認(rèn)為車輛達到熱平衡，試驗終止。

4.1 樣車A整車熱平衡試驗數(shù)據(jù)

樣車A搭載外插入式護風(fēng)圈與內(nèi)插入式護風(fēng)圈熱平衡試驗結(jié)果如圖1和表1所示。

通過圖1和表1可以看出，樣車A搭載外插入式護風(fēng)圈，達到熱平衡狀態(tài)時，發(fā)動機出水溫度為101.8℃，發(fā)動機進水溫度為91.3℃，環(huán)境溫度32.1℃;搭載內(nèi)插入式護風(fēng)圈，達到熱平衡狀態(tài)時，發(fā)動機出水溫度為96.0℃，發(fā)動機進水溫度為88.9℃，環(huán)境溫度32.1℃。

4.2 樣車B整車熱平衡試驗數(shù)據(jù)

樣車B分別搭載外插式護風(fēng)圈與內(nèi)插式護風(fēng)圈熱平衡試驗結(jié)果如圖2和表2所示。

通過圖2和表2可以看出，樣車B搭載外插入式護風(fēng)圈，達到熱平衡狀態(tài)時，發(fā)動機出水溫度為101.8℃，發(fā)動機進水溫度為94.1℃，環(huán)境溫度34.5℃;搭載內(nèi)插入式護風(fēng)圈，達到熱平衡狀態(tài)時，發(fā)動機出水溫度為99.2℃，發(fā)動機進水溫度為91.9℃，環(huán)境溫度40.7℃。

4.3 試驗數(shù)據(jù)對比分析

分別計算熱平衡試驗中兩臺試驗樣車搭載不同結(jié)構(gòu)護風(fēng)圈冷卻常數(shù)（發(fā)動機最高穩(wěn)定出水溫度與環(huán)境溫度的差值）與車輛極限使用許用環(huán)境溫度（以冷卻液最高許用溫度102℃計算）。

樣車A分別搭載外插入式護風(fēng)圈與內(nèi)插入式護風(fēng)圈，各項數(shù)據(jù)對比如圖3所示。

通過圖3可以看出，樣車A搭載外插式護風(fēng)圈，冷卻常數(shù)為69.7℃，極限使用許用環(huán)境溫度為32.3℃;搭載內(nèi)插入式護風(fēng)圈，冷卻常數(shù)為63.9℃，極限使用許用環(huán)境溫度為38.1℃。相比于外插入式護風(fēng)圈，內(nèi)插入式護風(fēng)圈使樣車A冷卻常數(shù)降低5.8℃，而極限使用許用環(huán)境溫度提高5.8℃。

樣車B分別搭載外插入式護風(fēng)圈與內(nèi)插入式護風(fēng)圈，各項數(shù)據(jù)對比如圖4所示。

通過圖4可以看出，樣車B搭載外插式護風(fēng)圈，冷卻常數(shù)為67.3℃，極限使用許用環(huán)境溫度為34.7℃;搭載內(nèi)插入式護風(fēng)圈，冷卻常數(shù)為58.8℃，極限使用許用環(huán)境溫度43.5℃。相比于外插入式護風(fēng)圈，內(nèi)插入式護風(fēng)圈使樣車B冷卻常數(shù)降低8.8℃，而極限使用許用環(huán)境溫度提高8.8℃。

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，內(nèi)插入式護風(fēng)圈對樣車A、樣車B冷卻性能的影響并不完全一致，分析主要原因為樣車A與樣車B駕駛室地板結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致（其中樣車A為通道式地板，樣車B為階梯式地板）。

5 結(jié)論

通過基于道路的整車熱平衡試驗，對外插入式護風(fēng)圈與內(nèi)插入式護風(fēng)圈兩種不同的護風(fēng)圈結(jié)構(gòu)對整車?yán)鋮s性能的影響進行試驗研究。研究發(fā)現(xiàn)：與外插入式護風(fēng)圈相比，內(nèi)插入式護風(fēng)圈可以有效提升發(fā)動機冷卻性能，提高車輛極限使用許用環(huán)境溫度。

參考文獻：

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