某歐六客車冷卻系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究

桂思農(nóng) 付尊亮 黃接銀

摘 要：文章以某一款歐六客車為例，根據(jù)整車總布置的任務(wù)，設(shè)計冷卻系統(tǒng)的總體布置，分析系統(tǒng)性能需求并對關(guān)鍵部件散熱器、中冷器、風(fēng)扇等作出計算選型，開發(fā)出滿足整車路況需要的冷卻系統(tǒng)，最后進行整車熱平衡試驗驗證 。旨在為客車冷卻系統(tǒng)的設(shè)計選型提供一種思路。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng);散熱器;中冷器;熱平衡

Abstract： In this paper， we take a bus of euro 6 regulation as an example. According to the vehicle layout task， we developed a cooling system for all kinds of road conditions by designing the overall layout of the cooling system. We calculated system performance requirements and select the key parts， especially the radiator， intercooler and fan. Finally， we carried out a heat balance test to verify the accuracy with the purpose of providing a way to design cooling system.

Keywords： Cooling system; Radiator; Intercooler; Heat balance

前言

在我國快速發(fā)展的階段，客車在城際城間的運輸中起著非常重要的作用。不同的氣候、不同海拔地區(qū)以及長期的超負荷運行，尤其是在應(yīng)對歐六國六等更加嚴格的排放法規(guī)要求，廣泛匹配渦輪增壓發(fā)動機的超高溫問題層出不窮，這就對冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求。本文通過詳細的系統(tǒng)傳熱計算，布置與選型的設(shè)計，最后進行熱平衡試驗驗證，在節(jié)能減排的同時，設(shè)計出滿足實際需求的冷卻系統(tǒng)。

1 整車信息及系統(tǒng)總布置設(shè)計

該客車為一款50座的旅游車，整車重18000kg，空載12000kg，外形尺寸為 11980×2500×3480mm，最高車速110 km/h，平均車速80 km/h，使用地理位置為華南地區(qū)（香港），海拔高度40m，車輛應(yīng)用地區(qū)最高環(huán)境溫度40℃。該車動力匹配ZF 6檔自動變速箱帶液力緩速器。綜合總布置要求及現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)條件，擬定冷卻系統(tǒng)布置原理圖如圖1所示。

2 散熱器性能計算與選型

目前，汽車上應(yīng)用較為廣泛的散熱器為管式散熱器，主要結(jié)構(gòu)類型包括管片式和管帶式兩類，管帶式是最為常見的結(jié)構(gòu)，它有著優(yōu)異的各方面綜合性能。其整體構(gòu)造由扁平的水管和波浪形散熱翅片焊接在一起，如圖2所示。相比較于管片式散熱器，在相同工藝條件下，有研究表明管帶式散熱器散熱面積可增加12%。此外，由于散熱帶上附有百葉窗結(jié)構(gòu)，它可以擾斷空氣在帶面上的粘性層，擴大紊流作用，提高散熱器散熱效率，在散熱芯子同等面積的情形下，管帶式散熱器的散熱能力可提高10%，成本下降約15%[1]。

該車散熱器設(shè)計的散熱量應(yīng)等于冷卻系統(tǒng)的散熱量，即為發(fā)動機水套的熱量加上液力緩速器的熱量[2]。水套的散熱量175KW由發(fā)動機廠家技術(shù)協(xié)議提供，發(fā)動機相關(guān)性能參數(shù)如表1所示，同時根據(jù)該車匹配的ZF6檔自動變速箱協(xié)議提供的液力緩速器的散熱量42KW，考慮到散熱器實際運行過程中會受到水垢污染和油泥堵塞等，散熱能力會隨使用時間的增長而下降。散熱器散熱能力應(yīng)有所儲備，即散熱器最大散熱量Qmax應(yīng)大于冷卻系統(tǒng)散熱量Qw，取儲備系數(shù)為φw=1.1。

對于散熱器散熱面積的計算[3][4]，此計算中忽略掉上下水室所散發(fā)的熱量，散熱面積Fw（m2）的計算公式如（1）所示：

對于散熱器傳熱系數(shù)K的計算[5]，由于傳熱系數(shù)K受結(jié)構(gòu)及制造工藝的影響，一般為70 W/（m2·K）—117 W/（m2·K）之間，具體計算如公式（3）：

Hw-熱流體與壁面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，當管內(nèi)冷卻液流速為0.2-0.8m/s 時，Hw 約2326-4942W/（m2·K），冷卻管內(nèi)冷卻液流速盡量高，但不要超過0.8米/秒，取為4942 W/（m2·K）;

Ha-冷流體與壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，該值主要取決于空氣流過散熱器的速度，Ha 可取70-112W/（m2·K），取值112 W/（m2·K）;

δc-散熱管壁厚，鋁質(zhì)散熱器一般δc =0.15-0.2mm;

γc-散熱管導(dǎo)熱系數(shù)，純鋁導(dǎo)熱系數(shù)為230 W/（m·K）;

根據(jù)以上參數(shù)計算出K值為104.2W/（m2·K）。

綜上各式所得結(jié)果，代入（1）式中計算出散熱器散熱面積為Fw=56.6 m2。

散熱器的散熱量等于冷卻系統(tǒng)的散熱量，冷卻空氣量Va等于流過散熱器的空氣量[6]，其計算如公式（4）：

結(jié)合供應(yīng)體系內(nèi)現(xiàn)有散熱器廠家的技術(shù)設(shè)計及生產(chǎn)工藝狀況，選擇鋁散熱器總面積57 m2正面積0.95m2。芯子尺寸（mm）959*990*70，散熱帶開窗，峰高10.3mm，峰距4mm;紊流片Z型，峰高2.2mm，峰距9mm;冷卻管高2.5mm。

3 中冷器性能計算與選型

該車所選中冷器結(jié)構(gòu)與散熱器同為管帶式結(jié)構(gòu)。其散熱面積的計算邏輯與散熱器是一致的[9][10]。根據(jù)發(fā)動機廠家臺架實驗數(shù)據(jù)注明，在25℃的測試環(huán)境時，增壓后熱空氣流量為0.335kg/s，中冷器進氣溫度為174℃，要求中冷器的散熱量至少為47KW，中冷后溫升不大于20℃。首先根據(jù)熱平衡，Q=G1×CP1×（tm1-tm2），G1為熱空氣流量0.335kg/s，Cp1為熱空氣的定壓比熱，取值1.009*103 J/KG·℃，代入數(shù)值求解tm2為35℃。對于中冷器△t*m值的求解，一般采用對數(shù)平均溫差法[16]，如公式（6）所示：

將參數(shù)代入公式（6），計算出其對應(yīng)的冷卻介質(zhì)對數(shù)平均溫差為△t*m=47℃。借鑒廠家同種類型中冷器的相關(guān)臺架數(shù)據(jù)，一般中冷器的傳熱系數(shù)[7]在（50-60）W/（m2·K）之間，取中冷器的傳熱系數(shù)為55 W/（m2·K），將數(shù)值代入公式（1）、（5），分別計算出散熱面積為? =20 m2;正面積為? =0.45 m2。

根據(jù)廠家現(xiàn)有狀況選擇中冷器總面積23 m2，正面積0.69 m2;芯子尺寸（mm） 730*945*62，散熱帶矩形，峰高8.9mm，峰距4mm;紊流片齒型錯開，峰高9.2mm，峰距5mm;冷卻管高10mm。

4 液壓風(fēng)扇系統(tǒng)性能計算與選型

PR為散熱器阻力，根據(jù)散熱器廠家的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，一般來說△PR =100Pa-500Pa之間，取△PR =500Pa;

P1是除開散熱器以外的所有空氣通道的阻力，△P1=（0.4-1.1）△PR，由于中冷器疊放在散熱器前方，取△P1=1.0△PR;

將相關(guān)參數(shù)代入（6）式中得出風(fēng)扇的壓力P=1000Pa。

計算風(fēng)扇的外徑D2，一般風(fēng)扇輪葉掃過的環(huán)面積等于散熱器芯部正面積的45%-60%，風(fēng)扇葉輪內(nèi)徑與外徑之比通常范圍取D1/ D2=0.28-0.36，即：

則D2=（0.79—0.93）m，將相關(guān)參數(shù)代入式中得D2=0.75-0.88m之間。

計算風(fēng)扇外徑處的圓周速度：

風(fēng)冷卻器：總面積8 m2，正面積0.15 m2;芯子尺寸（mm） 150*980*63，散熱帶波浪型，峰高10.3mm，峰距6mm;紊流片Z型，峰高3mm，峰距5mm。

由于該冷卻系統(tǒng)不含水暖，故膨脹水箱的容積約占整個系統(tǒng)冷卻液總?cè)萘康?6%，實際膨脹水箱采用總?cè)莘e18L的矩形，蒸氣閥開啟壓力（正壓）45-58KPa，其它附件如護風(fēng)罩選用廠家自配的箱式護風(fēng)圈。

5 熱平衡試驗

5.1 試驗方法

采用康明斯應(yīng)用工程21.52標準，使用負荷拖車方法，試驗車后面連接負荷拖車，利用拖車給試驗車輛加載，達到試驗車全負荷的效果，進行扭矩點和功率點狀態(tài)下熱平衡試驗，車速數(shù)值獲取來自CAN總線。

5.2 試驗條件

環(huán)境溫度：21-38℃;迎面風(fēng)速：外界環(huán)境自然風(fēng)速;節(jié)溫器：強制全開;風(fēng)扇：強制直連;排氣排出方式：自然排氣; 最高允許出水溫度：107℃;

5.3 試驗工況

額定功率點（1255 N·m /2100rpm）;最大扭矩點（1600 N·m /1400rpm）。

5.4 測試設(shè)備

NI測試設(shè)備;K型溫度傳感器;電流型壓力傳感器。

利用拖車對裝備該歐六發(fā)動機的客車進行整車熱平衡試驗，測量該車的冷卻系統(tǒng)在最大扭矩點和額定功率點的熱平衡參數(shù)，考核整車冷卻系統(tǒng)在發(fā)動機額定功率點和最大扭矩點的冷卻常數(shù)。試驗時將各溫度傳感器安裝在事前焊接好的測試接頭上，連接好數(shù)據(jù)線，啟動車輛待達到穩(wěn)定的狀態(tài)后開始記錄數(shù)據(jù)。

發(fā)動機額定功率點下，散熱器熱平衡試驗曲線如圖3所示，中冷器熱平衡試驗曲線如圖4所示。

發(fā)動機最大扭矩點下，散熱器熱平衡試驗曲線如圖5所示，中冷器熱平衡試驗曲線如圖6所示。

試驗結(jié)果，取各工況點穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)如表2所示：

根據(jù)熱平衡曲線圖及試驗數(shù)據(jù)，分析冷卻系統(tǒng)試驗結(jié)論：

（1）功率點極限使用環(huán)境溫度LAT=最高允許出水溫度（107℃）-冷卻常數(shù)（54.5℃）=52.5℃，符合要求（第2類使用區(qū)域功率點LAT應(yīng)不低于41℃）;扭矩點LAT為（107-69.8）℃=37.2℃，符合要求（第2類使用區(qū)域扭矩點LAT應(yīng)不低于36℃）。

（2）中冷器的冷卻效率為（213.7-47.3）/（213.7-34.3）=92.8%（扭矩點），（190.8-41.7）/（190.8-32.1）=93.9%（功率點），大于90%，符合要求。中冷出氣溫度與環(huán)境溫度的差值最大為13℃（功率點）小于20℃，符合要求。中冷器進出氣壓差最大值為4.1kpa（功率點）≤13.5kpa，符合要求。

6 結(jié)束語

熱平衡試驗結(jié)果驗證，此車型冷卻系統(tǒng)設(shè)計思路以及選型的部件能夠滿足車輛在指定區(qū)域相應(yīng)工況中使用。冷卻系統(tǒng)熱管理是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及因素較多。改進措施如中冷器散熱片增加百葉窗結(jié)構(gòu)[8]，一般而言對于管帶式換熱器，適當改變散熱管內(nèi)紊流片的尺寸，如增加波高，減少波距等措施有利于增強散熱效果[12]，但同時會存在加大流體阻力的問題，對于系統(tǒng)性的優(yōu)化設(shè)計有待于進一步研究。

參考文獻

[1] 張雷鳴.內(nèi)燃機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化[D].山東：山東大學(xué)，2005.

[2] 余志生.汽車理論.[M]機械工業(yè)出版社，2000：112.

[3] 高晗.高功率密度發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的仿真計算分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2007.

[4] 樂智.純電動汽車電機驅(qū)動系的冷卻系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].河北：河北工業(yè)大學(xué)，2010.

[5] 陳維漢，許國良，靳世平.傳熱學(xué)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社， 2003：96.

[6] 李恩光，黃娜.天然氣發(fā)動機冷卻系統(tǒng)校核[J].汽車實用技術(shù). 2015（1）96-98.

[7] 李銳，羅宏錦，莫夢婷.汽車空空中冷器的設(shè)計[J].裝備制造技術(shù). 2019（4）72-75.

[8] 張輝，錢時俊.某重型載貨車中冷器散熱性能改進設(shè)計[J].汽車實用技術(shù).2015（6）39-41.

[9] 錢頌文.換熱器設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：226.

[10] 聶文福.散熱器和中冷器迎風(fēng)面積不相同的冷卻模塊選型校核計算[J].汽車實用技術(shù).2016（8）91-93.

[11] 姚仲鵬，王新國.車輛冷卻傳熱[M].北京：北京理工大學(xué)出版社， 2001.6：270-272.

[12] 鄭藝華，張紀鵬，馬永志.汽車發(fā)動機散熱器和中冷器設(shè)計[J].汽車實用技術(shù).2013：12-15.

[13] 王中錚.熱能與動力機械基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.5.

[14] 楊文霞.工程機械電液混合驅(qū)動冷卻系統(tǒng)液壓驅(qū)動裝置的研究 [D].山東：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

[15] 李斯特.工程熱力學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1990：86.

[16] 張峰，高東順.柴油機中冷器結(jié)構(gòu)與設(shè)計[J].內(nèi)燃機車，2002（2）：1-5.

[17] 李芝主.液壓傳動.機械工業(yè)出版社，2002.

[18] 張立娟.液壓系統(tǒng)油液溫升計算及冷卻器選型[J].重工與起重技術(shù). 2007（4）：26-27.