護(hù)風(fēng)圈結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻性能影響的試驗(yàn)研究

薛黎明 張濤 王東亮 王強(qiáng)

摘 要：護(hù)風(fēng)圈是冷卻系統(tǒng)的子部件之一，其設(shè)計(jì)好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻性能。以重型自卸車(chē)為研究對(duì)象，通過(guò)基于道路的熱平衡試驗(yàn)，分析對(duì)比了內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈與外插入式護(hù)風(fēng)圈對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能的影響差異。試驗(yàn)結(jié)果表明：與外插入式護(hù)風(fēng)圈相比，內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈可以有效改善發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻性能，提高整車(chē)極限使用許用環(huán)境溫度，對(duì)解決重型自卸車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫過(guò)高問(wèn)題具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：護(hù)風(fēng)圈 冷卻性能 熱平衡 重型自卸 風(fēng)扇 發(fā)動(dòng)機(jī)艙

1 前言

整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)過(guò)熱。護(hù)風(fēng)圈作為冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵子部件之一，實(shí)際工作中與冷卻風(fēng)扇配合使用。護(hù)風(fēng)圈能夠集中風(fēng)力，為風(fēng)扇提供良好的進(jìn)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(hù)風(fēng)圈設(shè)計(jì)好壞，直接影響冷卻風(fēng)扇的氣動(dòng)性能[1]。目前在整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)匹配選型時(shí)，針對(duì)護(hù)風(fēng)圈的設(shè)計(jì)，大多企業(yè)將重點(diǎn)放在護(hù)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(hù)風(fēng)圈的深度上。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論，一般推薦冷卻風(fēng)扇葉端與護(hù)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(hù)風(fēng)圈2/3為宜[2]。但是還沒(méi)有關(guān)于護(hù)風(fēng)圈結(jié)構(gòu)對(duì)冷卻性能影響的熱平衡試驗(yàn)研究。

本文以重型自卸車(chē)為研究對(duì)象，通過(guò)基于道路的熱平衡試驗(yàn)，分析對(duì)比了內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈與外插入式護(hù)風(fēng)圈對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能的影響差異，為冷卻系統(tǒng)護(hù)風(fēng)圈結(jié)構(gòu)選型提供參考依據(jù)。

2 護(hù)風(fēng)圈結(jié)構(gòu)

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

3 試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 試驗(yàn)方法

熱平衡試驗(yàn)采用道路負(fù)荷拖車(chē)法，以負(fù)荷拖車(chē)施加坡度阻力，通過(guò)車(chē)輛的實(shí)際道路行駛來(lái)進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際工況符合程度較高[4]。試驗(yàn)工況為車(chē)輛極限使用工況[5]，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、出水溫度、環(huán)境溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩百分比等參數(shù)。

試驗(yàn)在同一試驗(yàn)車(chē)輛、同一路段進(jìn)行，盡量保證試驗(yàn)一致性，避免試驗(yàn)條件不同而產(chǎn)生試驗(yàn)誤差。為方便對(duì)比，在試驗(yàn)樣車(chē)上先進(jìn)行外插入式護(hù)風(fēng)圈熱平衡試驗(yàn)，然后試驗(yàn)樣車(chē)更換內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈再次進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)。為使試驗(yàn)結(jié)果更具有說(shuō)服力，選取2臺(tái)試驗(yàn)樣車(chē)進(jìn)行上述試驗(yàn)。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

整車(chē)熱平衡性能以極限使用許用環(huán)境溫度為評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)極限使用許用環(huán)境溫度計(jì)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(cè)量得到的最高穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度;Tambient為試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境溫度。

4 試驗(yàn)舉例及分析

以湖北大運(yùn)生產(chǎn)的2臺(tái)8*4重型自卸車(chē)為例，兩臺(tái)試驗(yàn)樣車(chē)分別命名為樣車(chē)A、樣車(chē)B。兩臺(tái)試驗(yàn)樣車(chē)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(chē)A為通道式地板，樣車(chē)B為階梯式地板。兩臺(tái)試驗(yàn)樣車(chē)首先搭載外插入式護(hù)風(fēng)圈進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，然后均更換內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈再次進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)。

試驗(yàn)前，兩臺(tái)試驗(yàn)樣車(chē)與負(fù)荷拖車(chē)均加載至最大設(shè)計(jì)總質(zhì)量，斷開(kāi)冷卻風(fēng)扇電控硅油離合器線束，使風(fēng)扇強(qiáng)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(qiáng)制冷卻液按大循環(huán)流動(dòng)。試驗(yàn)過(guò)程中開(kāi)啟空調(diào)，風(fēng)量調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)置于最大位置，溫度調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)置于最大冷卻模式。

通過(guò)以上措施，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在熱平衡試驗(yàn)過(guò)程中，始終能夠發(fā)揮最大的冷卻效能。試驗(yàn)車(chē)輛油門(mén)全開(kāi)行駛，負(fù)荷拖車(chē)通過(guò)檔位與剎車(chē)對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛施加負(fù)荷，使試驗(yàn)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)出水溫度與環(huán)境溫度的差值無(wú)升高的趨勢(shì)且變化均在±1℃以?xún)?nèi)時(shí)，即認(rèn)為車(chē)輛達(dá)到熱平衡，試驗(yàn)終止。

4.1 樣車(chē)A整車(chē)熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)

樣車(chē)A搭載外插入式護(hù)風(fēng)圈與內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈熱平衡試驗(yàn)結(jié)果如圖1和表1所示。

通過(guò)圖1和表1可以看出，樣車(chē)A搭載外插入式護(hù)風(fēng)圈，達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為101.8℃，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水溫度為91.3℃，環(huán)境溫度32.1℃;搭載內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈，達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為96.0℃，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水溫度為88.9℃，環(huán)境溫度32.1℃。

4.2 樣車(chē)B整車(chē)熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)

樣車(chē)B分別搭載外插式護(hù)風(fēng)圈與內(nèi)插式護(hù)風(fēng)圈熱平衡試驗(yàn)結(jié)果如圖2和表2所示。

通過(guò)圖2和表2可以看出，樣車(chē)B搭載外插入式護(hù)風(fēng)圈，達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為101.8℃，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水溫度為94.1℃，環(huán)境溫度34.5℃;搭載內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈，達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為99.2℃，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水溫度為91.9℃，環(huán)境溫度40.7℃。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

分別計(jì)算熱平衡試驗(yàn)中兩臺(tái)試驗(yàn)樣車(chē)搭載不同結(jié)構(gòu)護(hù)風(fēng)圈冷卻常數(shù)（發(fā)動(dòng)機(jī)最高穩(wěn)定出水溫度與環(huán)境溫度的差值）與車(chē)輛極限使用許用環(huán)境溫度（以冷卻液最高許用溫度102℃計(jì)算）。

樣車(chē)A分別搭載外插入式護(hù)風(fēng)圈與內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈，各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖3所示。

通過(guò)圖3可以看出，樣車(chē)A搭載外插式護(hù)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(hù)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(hù)風(fēng)圈，內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈使樣車(chē)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(chē)B分別搭載外插入式護(hù)風(fēng)圈與內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈，各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖4所示。

通過(guò)圖4可以看出，樣車(chē)B搭載外插式護(hù)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(hù)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(hù)風(fēng)圈，內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈使樣車(chē)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(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出，內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈對(duì)樣車(chē)A、樣車(chē)B冷卻性能的影響并不完全一致，分析主要原因?yàn)闃榆?chē)A與樣車(chē)B駕駛室地板結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致（其中樣車(chē)A為通道式地板，樣車(chē)B為階梯式地板）。

5 結(jié)論

通過(guò)基于道路的整車(chē)熱平衡試驗(yàn)，對(duì)外插入式護(hù)風(fēng)圈與內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈兩種不同的護(hù)風(fēng)圈結(jié)構(gòu)對(duì)整車(chē)?yán)鋮s性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究。研究發(fā)現(xiàn)：與外插入式護(hù)風(fēng)圈相比，內(nèi)插入式護(hù)風(fēng)圈可以有效提升發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能，提高車(chē)輛極限使用許用環(huán)境溫度。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘登輝.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇護(hù)風(fēng)圈結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)扇性能影響的研究[D].廣州：華南理工大學(xué).2017.43-51.

[2]崔勇，翟旭軍，朱永，等.商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2017，09：245-247.

[3]習(xí)羽.工程車(chē)輛冷卻風(fēng)扇流體特性研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

[4]張林，胡久強(qiáng)，張大城，等.基于道路模擬的商用車(chē)熱平衡試驗(yàn)方法研究[J].濰陰工學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，28（3）：52-56.

[5]GB/T 12542-2009，汽車(chē)熱平衡能力道路試驗(yàn)方法[S].

[6]曹原，李榮光，李劍，等.基于風(fēng)洞試驗(yàn)的重型卡車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)匹配細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)[J].電氣與自動(dòng)化，2016，45（4）：219-222.