某前置發(fā)動機客車智能冷卻系統(tǒng)設(shè)計

王 輝

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

根據(jù)國家工信部和交通部最新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，客車燃料消耗限值進(jìn)一步降低，單靠發(fā)動機本身的節(jié)油技術(shù)已經(jīng)很難達(dá)到法規(guī)要求，必須采用其他節(jié)油手段。前置發(fā)動機客車普遍采用發(fā)動機自帶的機械風(fēng)扇進(jìn)行冷卻，即使采用硅油離合器或電磁離合器，在離合器耦合后消耗發(fā)動機功率基本同直連風(fēng)扇一致，最高可達(dá)到發(fā)動機功率的 5%以上。而采用電子風(fēng)扇的智能冷卻系統(tǒng)在后置客車上已經(jīng)得到了普遍驗證，有很好的節(jié)油效果，文章將以某款前置客車為例，主要從性能方面探討電子風(fēng)扇在前置客車?yán)鋮s系上應(yīng)用的可能性及設(shè)計思路，電子風(fēng)扇控制系統(tǒng)不在本文討論范圍內(nèi)。

1 設(shè)計目標(biāo)

設(shè)計目標(biāo)為在限定的冷卻系統(tǒng)邊界尺寸下，選擇適當(dāng)?shù)碾娮语L(fēng)扇，保證冷卻性能滿足發(fā)動機要求。

1.1 發(fā)動機參數(shù)輸入

發(fā)動機相關(guān)參數(shù)如下（表1）：

1.2 冷卻系統(tǒng)邊界尺寸

此客車原冷卻系統(tǒng)設(shè)計時已考慮了車架寬度、發(fā)動機艙高度、駕駛室踏板位置及整車接近角等相關(guān)因素，在此基礎(chǔ)上還要考慮電子風(fēng)扇的合理布置，盡可能少留死角，因此冷卻模塊芯部按正方形設(shè)計，總寬和總高在原散熱器基礎(chǔ)上適當(dāng)變化，電子風(fēng)扇后方要與發(fā)動機留出足夠距離以盡量減少排風(fēng)阻力，最終得出適合該車的冷卻系統(tǒng)的邊界尺寸為700mm×625mm×240mm（高×寬×厚），芯部尺寸為580mm×580mm（高×寬），與現(xiàn)有散熱器保持一致。

表1 發(fā)動機參數(shù)

1.3 電子風(fēng)扇功率

通過整車用電量計算，除了電子風(fēng)扇外整車最大用電量為126.37A，整車電壓為12V系統(tǒng)，發(fā)動機最大可匹配發(fā)電機參數(shù)為 14V/200A，因此電子風(fēng)扇的總電流應(yīng)不大于 200-126.37=73.63（A），總功率不大于14×73.63=1030.82（W）。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計包含兩個部分，第一是冷卻模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)綜合考慮散熱性能、可靠性、成本、布置方便性等，第二是電子風(fēng)扇的尺寸選擇和布置，應(yīng)掃過盡可能多的散熱器正面積。

2.1 冷卻模塊設(shè)計

由于整車采用的發(fā)動機為渦輪增壓柴油發(fā)動機，因此冷卻模塊應(yīng)包含散熱器和中冷器，散熱器按結(jié)構(gòu)可選擇管帶式或封條式，管帶式性能好，成本低，封條式可靠性高，但風(fēng)阻較大，成本較高。中冷器則為管帶式。按布置方式散熱器與中冷器可采用并聯(lián)布置或串聯(lián)布置，后置客車空間充足，普遍采用并聯(lián)布置，可最大限度降低風(fēng)阻，提高散熱效率，前置客車一般采用串聯(lián)布置，更方便管路連接。

2.2 電子風(fēng)扇的尺寸

電子風(fēng)扇按扇葉直徑常用的有225mm、255mm、280mm、305mm、355mm、385mm、405mm等， 其對應(yīng)的可布置數(shù)量和扇葉掃過面積對比如下：

表2 風(fēng)扇對比

可以看出四只直徑 255mm的風(fēng)扇掃過面積最大，其次是兩只直徑305mm風(fēng)扇，布置后的效果如圖1。

很明顯四只風(fēng)扇的布置更加合理，而兩只風(fēng)扇只能對角布置，兩外兩角存在較大死區(qū)，不利于散熱，因此選擇采用4只扇葉直徑255mm的電子風(fēng)扇。

圖1 風(fēng)扇布置示意圖

3 理論計算

首先按現(xiàn)有串聯(lián)式的散熱器和中冷器進(jìn)行風(fēng)量的估算，初選出符合要求的的電子風(fēng)扇，再將該電子風(fēng)扇的數(shù)據(jù)代入到模型中，用分析軟件詳細(xì)計算各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的冷卻性能。

3.1 風(fēng)量計算

已知發(fā)動機功率點和扭矩點所需的水箱散熱功率，中冷器所需散熱功率可用下式計算：

其中 Q=散熱功率，kW

Ga=空氣流量，kg/h

Ca=空氣定壓比熱，約為1.009×103J/kg·℃

Δt=進(jìn)出氣溫差，℃

計算出功率點和扭矩點所需中冷器散熱功率分別為21.2 kW和8.79kW。

目前所用的散熱器芯子尺寸 580mm×580mm×40mm（高×寬×厚），臺架性能參數(shù)如下：

表3 散熱器性能參數(shù)

中冷器芯子尺寸 540mm×296mm×50mm（高×寬×厚），臺架性能數(shù)據(jù)如下：

表4 中冷器性能參數(shù)

根據(jù)插值法計算出功率點和扭矩點散熱器和中冷器分別需要的風(fēng)量數(shù)據(jù)和風(fēng)阻數(shù)據(jù)如下：

表5 匹配風(fēng)量點

中冷器正面積約散熱器正面積的一半，即兩只風(fēng)扇吹過散熱器和中冷器重合部分，兩只風(fēng)扇吹過未重合部分。未重合部分所需風(fēng)速不低于2.09 m/s，所需風(fēng)量不低于2531m3/h，風(fēng)阻91Pa，則所需單只風(fēng)扇的性能為在風(fēng)阻91Pa時風(fēng)量不低于2531/2=1265.5（m3/h）。

重合部分所需風(fēng)速不低于 4.71m/s，總風(fēng)量不低于 2710 m3/h。計算風(fēng)速4.71m/s時的散熱器風(fēng)阻約230Pa，則散熱器與中冷器重合后的總風(fēng)阻為 230/2+286=401Pa，即所需單只風(fēng)扇在風(fēng)阻401Pa時風(fēng)量不低于2710/2=1355（m3/h）。

3.2 風(fēng)扇性能對比

根據(jù)以上設(shè)計和計算結(jié)果，選擇匹配的電子風(fēng)扇性能參數(shù)如圖所示：

試驗電壓13V

圖2 電子風(fēng)扇性能曲線

與計算所需的電子風(fēng)扇性能參數(shù)對比如下：

表6

3.3 校核計算

根據(jù)散熱器、中冷器、風(fēng)扇相關(guān)參數(shù)建立KULI模型并進(jìn)行仿真計算，計算結(jié)果如下：

表7 理論計算結(jié)果

4 結(jié)論

該前置客車在現(xiàn)有邊界條件下采用串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)和電子風(fēng)扇，散熱器性能可以滿足要求，且有較大余量，中冷器性能不達(dá)標(biāo)，在極限情況下（指整車用電器全部開啟，電子風(fēng)扇滿載工作）發(fā)電機發(fā)電量不能滿足整車用電量需求，會導(dǎo)致蓄電池虧電。因此采用電子風(fēng)扇的智能冷卻系統(tǒng)在前置發(fā)動機客車上可以實現(xiàn)搭載，但實際應(yīng)用還需要更進(jìn)一步的優(yōu)化和匹配，如減少中冷器厚度以減少風(fēng)阻，根據(jù)整車實際運行情況，針對性的設(shè)計風(fēng)扇控制策略等。