重型商用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計

李國紅

摘要：重型商用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的運行性能，對車輛的整體性能及其運轉(zhuǎn)可靠性、車輛使用壽命等，都有著十分重要的作用和影響。本文將結(jié)合重型商用車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)特點，對其設(shè)計進(jìn)行研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：重型;商用車;發(fā)動機;冷卻系統(tǒng);設(shè)計

中圖分類號：U464.138? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0006-02

0? 引言

商用車是以人員或貨物運送為主的車輛，主要包含9座以上客車以及載貨車輛。與普通的小型汽車不同，這類汽車的動力設(shè)計多會采用柴油發(fā)動機驅(qū)動模式，從而在車輛行駛與運行過程中獲取更高的扭矩輸出，以滿足其車輛的更大載重量與爬坡性能要求。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)研究顯示，高速道路上行駛的重型商用車，其在行駛過程中所產(chǎn)生熱量能夠?qū)勺孔拥墓┡枨筮M(jìn)行有效滿足，并且車輛行駛過程中存在的高溫情況，會對其發(fā)動機的部件磨損以及油料變質(zhì)等問題形成加劇影響，從而導(dǎo)致其車輛發(fā)動機的整體性能降低，需要良好的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)對其車輛行駛中的高溫現(xiàn)象及影響進(jìn)行合理控制。此外，也需要注意避免對發(fā)動機的溫度冷卻作用過大，導(dǎo)致發(fā)動機運行的油耗增加，工作效率顯著降低。下文將結(jié)合重型商用車的發(fā)動機運行及其冷卻系統(tǒng)設(shè)計情況，對其具體設(shè)計的有關(guān)內(nèi)容和要點進(jìn)行研究，以供參考。

1? 商用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計要求分析

一般情況下，重型商用車的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成主要包括膨脹水箱、水管、壓力蓋以及散熱器總成等。其中，散熱器總成主要包含風(fēng)扇以及散熱器等構(gòu)件和設(shè)備，如圖1所示，即為重型商用車的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)示意圖。值得注意的是，在進(jìn)行重型商用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計中，結(jié)合多數(shù)企業(yè)對車輛發(fā)動機的外購情況，在具體設(shè)計中只需要針對車輛發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的散熱器總成進(jìn)行設(shè)計與安裝實施即可。

結(jié)合圖1所示的重型商用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，由于重型商用車又包含客戶與貨車兩種不同的類型，并且受各類型車輛的功能及其發(fā)動機安裝位置、性能參數(shù)等差異性影響，在進(jìn)行冷卻系統(tǒng)設(shè)計中，也應(yīng)針對其有關(guān)技術(shù)資料和設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析。其中，對車輛發(fā)動機的技術(shù)參數(shù)，是由發(fā)動機購置的配套企業(yè)進(jìn)行提供;而車輛的使用環(huán)境溫度則主要包含車輛運行使用地區(qū)的最高溫度及其最為極限的使用條件等;車輛發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的安裝空間則是根據(jù)發(fā)動機安裝位置以及具體空間大小等，對冷卻系統(tǒng)中的散熱器正面積進(jìn)行合理確定，同時還需要結(jié)合具體情況，對發(fā)動機后置情況的空氣流通條件進(jìn)行考慮，以確保其進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計合理;對冷卻系統(tǒng)中的散熱器以及風(fēng)險等散熱器總成的有關(guān)部件設(shè)計和安裝中，需要對其部件尺寸、外形、安裝尺寸、結(jié)構(gòu)特征、性能參數(shù)等進(jìn)行明確。

此外，為滿足上述冷卻系統(tǒng)設(shè)計的各項技術(shù)資料和參數(shù)要求，在具體設(shè)計中還應(yīng)注意對以下內(nèi)容進(jìn)行合理控制和把握。即：①發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中使用的冷卻液為防凍液，且系統(tǒng)采用的壓力蓋在0.7bar以下范圍時，其發(fā)動機出水口溫度應(yīng)控制不超過105℃;而當(dāng)系統(tǒng)所采用的壓力蓋為低于0.9bar的情況時，其發(fā)動機出水口最高水溫應(yīng)不超過115℃，同時要求其平均年水溫超過105℃的情況在50h以內(nèi)。②進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的冷卻液加注過程中，要求其加注速度不低于19L/min，且按照該速度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加注至滿足要求即可。③對冷卻系統(tǒng)的冷卻液膨脹容積設(shè)計，要求符合冷卻液容量的6%這一標(biāo)準(zhǔn)和要求。

2? 重型商用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計研究

根據(jù)上述對重型商用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及其設(shè)計要求分析，在進(jìn)行冷卻系統(tǒng)設(shè)計中，主要圍繞散熱器、冷卻風(fēng)扇、膨脹水箱以及系統(tǒng)的管路布置等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計和分析。

2.1 散熱器的選型與設(shè)計分析

對商用車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)設(shè)計中，進(jìn)行散熱器選型與設(shè)計應(yīng)用是其重要設(shè)計內(nèi)容和部分。其中，散熱器在冷卻系統(tǒng)運行中能夠通過大循環(huán)實現(xiàn)冷卻液的強制冷卻，從而對發(fā)動機運行所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行有效冷卻，對其良好運行狀況及性能進(jìn)行支持。在進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的散熱器設(shè)計時，對其散熱器的芯子面積的設(shè)計，對散熱器在系統(tǒng)運行中的散熱能力有著直接影響，因此，應(yīng)重視對散熱器芯子面積大小的合理設(shè)計;此外，將散熱器安裝在商用車的車架上時，還需要使用減振橡膠墊對其進(jìn)行有效保護(hù)。由于對車輛發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的散熱器進(jìn)行選型設(shè)計中，進(jìn)行散熱器芯子的迎風(fēng)面積計算中，會受車輛型號不同影響，導(dǎo)致其具體計算的系數(shù)結(jié)果存在較大差異，但是在一般情況下會將散熱器芯子的迎風(fēng)面積計算系數(shù)值設(shè)定為0.0031-0.0038m2/kW的標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，其中，對載貨車輛在先上述計算系數(shù)值范圍標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，會以偏下限值作為首選與考慮結(jié)果，而對牽引車和自卸車等一些運行負(fù)荷較大的重型商用車，則會在散熱器芯子迎風(fēng)面積的計算系數(shù)值設(shè)定中，以偏上限值為首選設(shè)計考慮的對象，從而對其設(shè)計的合理性和有效性進(jìn)行保障。

2.2 冷卻風(fēng)扇設(shè)計

冷卻風(fēng)扇的設(shè)計，主要是對冷卻風(fēng)扇的選型及其在冷卻系統(tǒng)中的合理布置進(jìn)行設(shè)計。通常情況下，對冷卻風(fēng)扇的選型設(shè)置與具體風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)扇外徑、葉片安裝角、轉(zhuǎn)速等進(jìn)行設(shè)計中，要求根據(jù)風(fēng)扇直徑以及轉(zhuǎn)速對其風(fēng)量進(jìn)行確定，而對風(fēng)扇的外徑，則應(yīng)稍微低于散熱器芯部的寬度與高度，葉片安裝角度根據(jù)風(fēng)量以及其風(fēng)扇轉(zhuǎn)動的消耗功率等，一般設(shè)置為30°。此外，對風(fēng)扇前段和散熱器芯子之間的距離，一般控制在50-150mm之間最為合適，而風(fēng)扇后段和發(fā)動機端面的距離，一般控制在100mm以上。

對冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇設(shè)計和分析中，還需要針對風(fēng)扇的護(hù)風(fēng)罩進(jìn)行合理設(shè)計和分析。其中，護(hù)風(fēng)罩在風(fēng)扇工作與運行中，是通過對氣流均勻的在散熱器芯部的流經(jīng)進(jìn)行有效引導(dǎo)，從而避免其出現(xiàn)損失或發(fā)生回流等。一般情況下，對風(fēng)扇的護(hù)風(fēng)罩尺寸大小設(shè)計，需要根據(jù)冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇和散熱器設(shè)計相對位置進(jìn)行合理確定，并且在具體設(shè)計和分析中，主要圍繞風(fēng)扇葉端和護(hù)風(fēng)罩的徑向間隙以及風(fēng)扇在護(hù)風(fēng)罩中的伸入位置等內(nèi)容進(jìn)行合理確定。在對護(hù)風(fēng)罩中風(fēng)扇伸入的位置進(jìn)行合理設(shè)定中，由于風(fēng)扇進(jìn)入到護(hù)風(fēng)罩的位置和冷卻系統(tǒng)運行中的進(jìn)氣效率有著較大的關(guān)聯(lián)，并且對二者之間的這一關(guān)系可通過試驗分析方式進(jìn)行合理驗證，因此，在具體設(shè)計中應(yīng)重視對上述內(nèi)容的有效設(shè)計與分析。結(jié)合重型商用車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)設(shè)計實踐，對采用吸風(fēng)式風(fēng)扇的冷卻系統(tǒng)，在實際設(shè)計中要求風(fēng)扇伸入護(hù)風(fēng)罩的具體位置，應(yīng)以風(fēng)扇葉片投影寬度在護(hù)風(fēng)罩中伸入的寬度約為2/3最為合適;而對采用吹風(fēng)式風(fēng)扇的冷卻系統(tǒng)，其風(fēng)扇伸入護(hù)風(fēng)罩的位置控制應(yīng)以風(fēng)扇葉片投影寬度約伸入護(hù)風(fēng)罩1/2最為合適。對冷卻風(fēng)扇的葉端和護(hù)風(fēng)罩的鏡像間隙設(shè)計與確定中，由于上述間隙設(shè)置對冷卻風(fēng)扇在系統(tǒng)運行中的性能作用有著較為顯著的影響，并且從理論層面出發(fā)，對其間隙設(shè)置在無接觸情況下，應(yīng)堅持越小越好的原則。但是，在具體設(shè)計中，由于重型商用車的冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇多會在發(fā)動機上安裝應(yīng)用，而護(hù)風(fēng)罩則會在散熱器中安裝和使用，導(dǎo)致風(fēng)扇和護(hù)風(fēng)罩不位于統(tǒng)一軸心上，因此會在運行過程中存在相對運動，就需要避免間隙越小效果越好的原則理論應(yīng)用，避免對間隙的設(shè)計過小，從而對冷卻系統(tǒng)整體設(shè)計水平與效果產(chǎn)生不利影響。

2.3 膨脹水箱設(shè)計

在商用車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)中，對膨脹水箱也稱為是副水箱，是進(jìn)行散熱器和發(fā)動機水套的一個容器，一般在車輛的發(fā)動機與散熱器上方進(jìn)行布置，用于冷卻液儲存以及膨脹空間提供、促進(jìn)水泵的進(jìn)口部位靜壓提升、除氣等。在進(jìn)行商用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的膨脹水箱設(shè)計中，需要根據(jù)其膨脹容積以及儲備容積、必留容積等，對膨脹水箱的容量進(jìn)行合理確定;對膨脹水箱的外側(cè)，需要進(jìn)行透明管設(shè)置，便于對其液面進(jìn)行檢查或者是進(jìn)行液面?zhèn)鞲衅髟O(shè)置與報警應(yīng)用。此外，在進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的膨脹水箱設(shè)計和安裝中，需要進(jìn)行三根連接管路設(shè)置，這三根連接管路中，有兩根是從水套頂部以及散熱器的上水室頂部進(jìn)行引出，在冷卻系統(tǒng)運行中是作為除氣管進(jìn)行應(yīng)用，以進(jìn)行發(fā)動機水套與散熱器中的大量空氣與蒸汽排出，對除氣管的設(shè)置，不僅要求其管徑合理，而且對管路長度應(yīng)盡量設(shè)置較短且直，以避免影響其除氣效果。對膨脹水箱的高度設(shè)置，一般需要控制在散熱器與發(fā)動機的上方，并且其底平面需要超出發(fā)動機水套與散熱器的上水室頂部，以避免對膨脹水箱的設(shè)計和安裝質(zhì)量產(chǎn)生影響。

2.4 系統(tǒng)管路設(shè)計

在進(jìn)行重型商用車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的管路連接設(shè)計中，對發(fā)動機和冷卻系統(tǒng)散熱器之間的連接管路，應(yīng)確保其線路盡量為直形，盡量避免或減少彎曲，以確保系統(tǒng)運行中散熱器中空氣的排出;此外，對系統(tǒng)連接管路的選型設(shè)置，應(yīng)盡量確保其管路具有較好的柔性，能夠?qū)Πl(fā)動機和系統(tǒng)散熱器之間的相對運動及其性能要求有效適應(yīng);對車輛發(fā)動機和散熱器之間的距離設(shè)置相對較遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致其管路連接相對較長的情況，應(yīng)在管路布設(shè)中盡量沿著水流的方向向上合理翹起，盡量避免水平或者是呈凸形布置的情況發(fā)生，從而對系統(tǒng)管路的連接和設(shè)計效果產(chǎn)生影響。一般情況下，進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的管路連接設(shè)計中，對連接管路多會選擇膠管或者是金屬管，對金屬管管路則需要增加膠管接頭，且金屬管伸入膠管接頭的長度應(yīng)超過50mm，而選擇膠管作為管路的設(shè)計情況中，要求其管壁厚度在5mm以上;對管路連接距離較長的情況，還需要在中間進(jìn)行固定支撐搭設(shè)應(yīng)用，其支撐距離一般控制為500mm。

3? 結(jié)束語

總之，冷卻系統(tǒng)在重型商用車發(fā)動機運行的良好性能支持以及車輛整體性能提升等方面，都具有十分重要的作用和影響，并且良好的冷卻系統(tǒng)設(shè)計和運行，能夠?qū)χ匦蜕逃密囘\行中的有關(guān)故障問題進(jìn)行有效避免。尤其是隨著重型商用車的發(fā)動機性能不斷優(yōu)化和提升，受渦輪增壓器的應(yīng)用影響，其發(fā)動機在車輛運行中的熱負(fù)荷增加更為明顯，因此，對其發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和研究開展重要性也日益突出，應(yīng)予以關(guān)注。

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