專用汽車?yán)鋮s總成的選型設(shè)計(jì)研究

裴新才， 馬旭峰， 馬德平

（中國(guó)重汽集團(tuán)青島重工有限公司，山東 青島 266111）

0 引言

專用車輛整車布置與傳統(tǒng)商用車差異較大，具有空間小、散熱空間相對(duì)密封等特點(diǎn)，專用車輛用冷卻系統(tǒng)的匹配狀態(tài)直接影響整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性等，合理選擇中冷器、散熱器和風(fēng)扇總成非常重要。本文以一款飛機(jī)牽引車為例，研究冷卻系統(tǒng)中冷器、散熱器和風(fēng)扇的匹配方法，通過(guò)整車熱平衡試驗(yàn)，驗(yàn)證匹配方法的合理性。

1 冷卻系統(tǒng)總成選型設(shè)計(jì)

冷卻系統(tǒng)（中冷器、散熱器）的選型設(shè)計(jì)，主要是通過(guò)整車及發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)輸入?yún)?shù)，計(jì)算系統(tǒng)選型所需的參數(shù)值（如散熱量等），結(jié)合供方產(chǎn)品型譜進(jìn)行選擇。

1.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)輸入

通過(guò)動(dòng)力傳動(dòng)匹配，飛機(jī)牽引車采用康明斯QSB3.9-110-30發(fā)動(dòng)機(jī)，匯總冷卻系統(tǒng)總成設(shè)計(jì)相關(guān)輸入?yún)?shù)，如表1、表2所示。校核冷卻系統(tǒng)總成裝配尺寸，空間尺寸為＜720 mm×750 mm×350 mm。

表1 QSB3.9-C110-30發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)總成設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)1

表2 QSB3.9-C110-30發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)總成設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)2

1.2 散熱器選型

散熱器選型是通過(guò)校核額定功率點(diǎn)和大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)兩個(gè)工況的散熱量、散熱面積、冷卻水循環(huán)量等參數(shù)選擇，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱量Qw（kJ/s）計(jì)算公式為[1]

式中：ηt為冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比（取同類機(jī)型的統(tǒng)計(jì)量）；ge為燃油消耗率，kg/kW·h；Pe為發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率，kW；hu為燃料低熱值，kJ/kg。

牽引車配置的QSB3.9-110-30，最大功率點(diǎn)散熱量QWp和大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)計(jì)算如下。

式中：ηt=0.22（一般為0.18～0.25）,hu=4.187×104kJ/kg。

按照經(jīng)驗(yàn)公式，增壓柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱量Qw=qPe。

式中：q為0.5～0.6[2]，QW=48.6 kJ/s，取值兩者最大值49.9 kJ/s

根據(jù)熱平衡方程，計(jì)算冷卻水循環(huán)流量LW為

式中：Δt1為液氣平均溫差，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)出水溫和冷卻空氣進(jìn)出口溫度差值確定；K為換熱系數(shù)，一般取0.08 kJ/（m2·s·℃）。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用環(huán)境（油泥、水垢等）影響因素，散熱器散熱面積取值為理論值的1.10～1.15倍[2]。

通過(guò)理論計(jì)算，參照供方散熱器型譜，選擇S01102RC32F0500565A散熱器，散熱器參數(shù)如表3所示。

表3 散熱器參數(shù)

1.3 中冷器選型

中冷器的選型主要參照進(jìn)出口壓縮空氣溫度、散熱量和中冷器冷側(cè)熱面積等，然后按照供方中冷器的型譜定型。

根據(jù)整車熱平衡試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，中冷器散熱能力比需要散熱量Q1大15%～20%。K為中冷器結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，初選時(shí)取85 W/（m2·℃）。

參照供方中冷器型譜，選擇Z01075CC50A0180442A中冷器，散熱帶散熱面積為3.786 m2，散熱管散熱面積為0.936 m2，正面積為0.164 m2，總面積為4.722 m2，散熱量為16～24 kW具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

表4 中冷器參數(shù)

1.4 風(fēng)扇選型

牽引車散熱系統(tǒng)布置在駕駛室后方，發(fā)動(dòng)機(jī)工作散失的熱量主要依靠風(fēng)扇帶走，選用硅油風(fēng)扇具有降低發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械功耗的同時(shí)，對(duì)水溫集聚變化響應(yīng)也較好，即本文主要配置感溫式硅油風(fēng)扇。

風(fēng)扇選型設(shè)計(jì)要有3個(gè)前提條件[4]：冷卻系統(tǒng)需要的冷卻風(fēng)量、冷卻風(fēng)道的全氣路阻力、提供的風(fēng)扇對(duì)應(yīng)的特性曲線。

冷卻風(fēng)扇通風(fēng)量VL為

式中：Δt2=30 ℃（冷卻空氣進(jìn)口/出口溫度差，經(jīng)驗(yàn)值），ra=1.01 kg/m3, Cp=1.047 kJ/(kg·K)。

參照供方風(fēng)扇型譜，選擇兩款硅油風(fēng)扇，參數(shù)如表5所示。

表5 風(fēng)扇參數(shù)

1.5 冷卻總成與風(fēng)扇匹配

風(fēng)扇的選型是否合理，主要是考核風(fēng)扇散熱量大于中冷器和散熱器等總成的風(fēng)阻和散熱量。中冷器和散熱器等總成的風(fēng)阻和散熱量主要靠風(fēng)洞試驗(yàn)獲得，本文對(duì)選型后的中冷器和散熱器進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)臺(tái)架上設(shè)置接近整車裝配環(huán)境，結(jié)合整車運(yùn)行工況，測(cè)試散熱器和中冷器對(duì)應(yīng)的水阻和散熱量參數(shù)，如表6所示，對(duì)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在額定功率和大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)工況下，檢測(cè)中冷器和散熱器總成的風(fēng)阻和風(fēng)速曲線，如圖1所示。

圖1 中冷器和散熱器風(fēng)阻

將本文選定的兩款風(fēng)扇進(jìn)行靜壓-風(fēng)量測(cè)試，不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)量曲線如圖2和圖3所示。

圖2 環(huán)形風(fēng)扇

圖3 開(kāi)口風(fēng)扇

通過(guò)MatLab繪制中冷器+散熱器的風(fēng)阻曲線，同時(shí)將風(fēng)扇在額定工況和大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)工況的風(fēng)量-靜壓對(duì)應(yīng)匹配曲線對(duì)比分析,如圖4和圖5所示。

圖4 匹配額定功率點(diǎn)

圖5 匹配大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)曲線，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作在額定功率的工況下，在相同風(fēng)阻625 Pa，冷卻系統(tǒng)所需的風(fēng)量為3.4 m3/s，實(shí)際環(huán)形風(fēng)扇提供風(fēng)量為5.5 m3/s，開(kāi)口風(fēng)扇提供風(fēng)量為6.2 m3/s，兩款風(fēng)扇均能滿足散熱要求，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作在大轉(zhuǎn)矩的工況下，冷卻總成＞500 Pa后，環(huán)形風(fēng)扇提供的風(fēng)量無(wú)法滿足散熱需求，在風(fēng)阻750 Pa,冷卻系統(tǒng)需要風(fēng)量為3.4 m3/s，開(kāi)口風(fēng)扇提供風(fēng)量為3.8 m3/s,滿足散熱需求，風(fēng)量超過(guò)需求值的11.8%。

表7 風(fēng)洞試驗(yàn)參數(shù)

通過(guò)上述對(duì)比分析，采用開(kāi)口硅油風(fēng)扇（Z650W-11D），牽引車采用開(kāi)口硅油風(fēng)扇，同時(shí)從結(jié)構(gòu)上開(kāi)口風(fēng)扇比環(huán)形風(fēng)扇軸向尺寸小，滿足布置空間要求，可有效縮短冷卻系統(tǒng)軸向尺寸，更有利于其他總成布置。

2 整車熱平衡試驗(yàn)

通過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn)確定了冷卻器總成，為了確保整車可靠性要求，還需要對(duì)樣車進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)。在環(huán)境溫度＞30 ℃條件下，對(duì)牽引車散熱系統(tǒng)進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，采用8×4自卸車進(jìn)行負(fù)荷倒拖試驗(yàn)（車貨總質(zhì)量為45 t），調(diào)整牽引車和拖車試驗(yàn)車運(yùn)行車速穩(wěn)定在5 km/h，發(fā)動(dòng)機(jī)分別在功率點(diǎn)、大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)附近工作，調(diào)整拖車狀態(tài)，穩(wěn)定車速后，水溫穩(wěn)定30 min后開(kāi)始測(cè)量，測(cè)量牽引車水溫、進(jìn)排氣溫度，評(píng)估中冷器是否滿足要求，通過(guò)測(cè)量進(jìn)出口壓差12～15 kPa，散熱器溫度差＜40 ℃，同時(shí)冷卻液水溫＜105 ℃，中冷后溫度比環(huán)境溫度≤35 ℃。通過(guò)整車熱平衡試驗(yàn)，匹配的冷卻系統(tǒng)總成滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)牽引車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行了匹配設(shè)計(jì)，結(jié)合中冷器和散熱器的風(fēng)洞臺(tái)架試驗(yàn)，合理選擇了風(fēng)扇。通過(guò)整機(jī)的熱平衡試驗(yàn)，驗(yàn)證了選型的可行性，對(duì)后續(xù)其它專用車型設(shè)計(jì)起到了一定的指導(dǎo)作用。