商用車高溫環(huán)境適應性研究

關鍵詞：大功率；高溫；串聯(lián)冷卻；熱平衡

0 引言

隨著國內商用車技術的持續(xù)進步，商用車出口市場正不斷擴大。大功率發(fā)動機因其經(jīng)濟性和高效性，已經(jīng)贏得了用戶的廣泛認可。目前，國內的商用車發(fā)動機功率已達到441 kW（600 PS）。鑒于非洲地區(qū)的使用環(huán)境溫度高達55 ℃，發(fā)動機高溫散熱性能的合理設計顯得尤為重要。即使一臺發(fā)動機具有良好的性能，若缺乏與之合理匹配的散熱系統(tǒng)，其性能也無法得到充分發(fā)揮，嚴重時甚至會出現(xiàn)發(fā)動機因高溫而“開鍋”，影響車輛的正常行駛。高溫適應性的核心在于，車輛所匹配的冷卻系統(tǒng)需具備足夠的散熱能力，以確保能夠帶走發(fā)動機產(chǎn)生的全部熱量?；谏崮芰υ鰪姷男枨螅鳈C廠在匹配過程中面臨的一大難點在于動力艙布置的有限性。如何在有限的空間內滿足散熱器面積的不斷加大，同時克服駕駛室地板通道和車架寬度的限制，成為主機廠亟待解決的問題。這些限制往往導致大功率發(fā)動機車型無法滿足高溫環(huán)境下的使用需求。因此，開發(fā)適用于高溫環(huán)境的商用車冷卻系統(tǒng)，以滿足高溫地區(qū)的市場需求，顯得尤為重要。

國內商用車主機廠針對大功率發(fā)動機，通過開發(fā)匹配平地板駕駛室，嘗試通過增加散熱器的寬度來擴大散熱面積。但根據(jù)GB 1589-2016 的規(guī)定（ECE 法規(guī)標準亦有相同要求），整車寬度需小于2 550 mm。這一限制，加之駕駛室地板通道以及車架寬度的約束，使得單個冷卻模塊的散熱面積也受到了限制。目前，僅能滿足最高環(huán)境溫度低于46 ℃的需求。

1 滿足高溫環(huán)境使用的冷卻系統(tǒng)模型設計

常規(guī)冷卻系統(tǒng)（ 圖1） 中，冷卻液從膨脹水箱加入，隨后在水泵的作用下，在發(fā)動機內部吸收熱量。節(jié)溫器負責調節(jié)冷卻液的循環(huán)路徑，使其進行大循環(huán)或小循環(huán)，從而實現(xiàn)對發(fā)動機工作溫度的調節(jié)。發(fā)動機和散熱器內殘留的空氣，會通過管路排放到膨脹水箱中，以防止發(fā)動機局部過熱[1]。

由于動力艙尺寸的限制，無法匹配大容積的散熱器。因此，當車輛配備大功率發(fā)動機后，無法滿足在50 ℃以上高溫環(huán)境下的使用需求。為了解決這一問題，本文提出了串聯(lián)散熱器模型（ 圖2），并將副散熱器柔性布置在駕駛室后部或者底盤車架兩側（ 圖3）。

串聯(lián)散熱器冷卻系統(tǒng)的工作原理如下：冷卻液從膨脹水箱加入，并在水泵的作用下，在發(fā)動機內吸收熱量，然后在節(jié)溫器的調節(jié)下，冷卻液進行大循環(huán)或小循環(huán)，以調節(jié)發(fā)動機的工作溫度。在大循環(huán)中，冷卻液首先流經(jīng)主散熱器，隨后流向副散熱器，最后返回水泵，完成整個循環(huán)。發(fā)動機和2 個散熱器內殘留的空氣，會通過管路排放到膨脹水箱中，以防止發(fā)動機局部過熱。

之所以讓冷卻液先流經(jīng)主散熱器再流向副散熱器，主要是考慮到主散熱器離發(fā)動機較近，而副散熱器離發(fā)動機較遠。這樣的設計可以減少冷卻系統(tǒng)管路的長度，降低管路內阻，從而提高散熱效率。

2 滿足高溫環(huán)境使用的冷卻系統(tǒng)的實施

某型車輛發(fā)動機功率選型確定為353 kW（480 PS），要求能在環(huán)境溫度55 ℃以上的條件下正常工作。根據(jù)前期的實驗驗證結果，即使采用最大面積的散熱器（ 芯子尺寸：高1 000 mm×寬748 mm× 厚40 mm），也只能滿足環(huán)境溫度50 ℃的使用需求。因此，必須采用串聯(lián)散熱器的冷卻系統(tǒng)，并將副散熱器布置在駕駛室后面、車架上方（ 圖3）。其中，主散熱器采用曲軸輸出風扇進行冷卻，而副散熱器則采用電子風扇進行冷卻。為了模塊的通用化，主散熱器和副散熱器采用了相同規(guī)格的零件。經(jīng)過分析計算，該方案可以滿足環(huán)境溫度60 ℃的使用要求，從而確保在55 ℃以上的環(huán)境溫度下也能正常使用。

2.1 副散熱器風扇的選擇

在選擇副散熱器冷卻風扇時，有2 種方案：一種是液壓驅動，另一種是電驅動。綜合考慮成本和布置因素，電驅動方案（ 副水箱電驅動風扇350 W×4） 被認為是最直接和可行的。從發(fā)動機所匹配的發(fā)電機（ 一般為5.4 kW） 的功率來看，這一方案也是完全可以滿足的。

2.2 水泵的選擇

由于增加了一個副水箱，水泵的揚程能否滿足功能要求變得至關重要，因為它直接決定了冷卻系的冷卻效能。根據(jù)水泵揚程等于水路總阻力損失的原理，這些阻力損失通常是通過實驗測量或經(jīng)驗得出的。在額定功率下，水泵的揚程接近30 m ；而在最大轉矩下，水泵的揚程接近16 m。通過對比數(shù)據(jù)可知，在額定功率（ 最高轉速） 時，水泵的揚程完全能夠滿足使用要求；而在最大轉矩時，水的泵揚程也剛好達到使用要求。

2.3 關注副散熱器的熱風回流問題

副散熱器布置在駕駛室后部或車架側面，由于不像駕駛室底部那樣形成空氣單向流動的動力艙，因此容易出現(xiàn)熱風回流現(xiàn)象，從而影響副散熱器的冷卻效果。為了解決這一問題，需要在副散熱器的后部設置防止熱空氣回流的導風罩。經(jīng)過測試，在散熱能力滿足的情況下，加裝導風罩可以提升冷卻系統(tǒng)的環(huán)境適應能力2～ 5 ℃ [2]。

3 熱平衡試驗驗證

為了驗證所設計的主、副散熱器串聯(lián)冷卻系統(tǒng)是否與設計預期相符，以及是否能在環(huán)境溫度高達55 ℃的條件下正常工作，我們依據(jù)GB/ T 12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》的規(guī)定，決定在帶有環(huán)境艙的汽車風洞實驗室中進行試驗驗證（ 圖5）。由于道路試驗存在場地選擇困難、安全性問題以及試驗結果一致性較差等弊端，因此本試驗選擇了更為可控和安全的實驗室環(huán)境。

根據(jù)整車的實際使用情況，我們選定了多個測試點進行試驗。試驗過程中，分別按照最大轉矩點和最大功率點的工況進行了測試，并記錄了中冷進出氣溫度、中冷進出氣壓力以及主、副散熱器的進、回水溫度等關鍵數(shù)據(jù)，并在相應位置布置了壓力和溫度傳感器。

試驗在高溫試驗室內進行，當試驗室溫度達到規(guī)定的55℃時開始試驗。首先進行最大功率點（ 轉速2 100 r/min） 的測試，當發(fā)動機出水溫度達到105 ℃時，整車冷卻系統(tǒng)同樣達到了熱平衡狀態(tài)。

隨后對發(fā)動機最大轉矩點（ 發(fā)動機轉速1 500 r/min） 進行測試，當發(fā)動機出水溫度達到107 ℃時，整車冷卻系統(tǒng)達到了熱平衡。

根據(jù)在環(huán)境溫度55 ℃條件下的臺架試驗結果，計算車輛散熱系統(tǒng)的極限使用環(huán)境溫度（LAT）。計算公式如下：

根據(jù)發(fā)動機參數(shù)表和臺架試驗結果，經(jīng)過計算，可以得出LAT 在最大功率點時為60 ℃，在最大轉矩點時為58 ℃。因此，該散熱系統(tǒng)可以滿足環(huán)境溫度高達58 ℃的使用需求，計算結果見表1。

通過上述分析，我們可以得出結論：所設計的車輛散熱系統(tǒng)完全能夠滿足環(huán)境溫度55 ℃的使用指標要求。

4 結論及建議

在當前車輛大功率化的發(fā)展趨勢下，針對在熱區(qū)使用，特別是需要在高溫55 ℃以上環(huán)境中運行的車型，在現(xiàn)有駕駛室動力艙及車架限制的前提下，采用串聯(lián)散熱器形式的冷卻系統(tǒng)被證實是切實可行的。這種總體布置設計，不僅具有柔性化和模塊化的特點，還顯著提升了整車的可靠性、維修便利性和環(huán)境適應性，同時確保了整車成本的有效控制。

在設計過程中，我們應重點關注以下幾個關鍵點：

⑴副散熱器冷卻風扇動力的選擇至關重要。當所需功率較小時，電子風扇是一個可行的選擇；而當所需功率較大時，則需要考慮使用液壓風扇（ 其動力由發(fā)動機提供）。

⑵由于系統(tǒng)中增加了副散熱器，我們必須對水泵的揚程進行嚴格的校核，以確保冷卻液能夠保持足夠的流速，從而滿足冷卻需求。

⑶由于副散熱器的布置位置特殊，我們還需特別關注熱風回流問題。必須采取有效的措施來防止熱風回流，以確保冷卻系統(tǒng)的效率。

本研究在理論分析中預測冷卻系統(tǒng)可以滿足60 ℃環(huán)境的使用需求，而在實際測試中，我們發(fā)現(xiàn)在最大轉矩點時，系統(tǒng)僅能滿足58 ℃環(huán)境的使用，存在2 ℃的誤差。我們初步認為，這是由于在最大轉矩點時水泵的揚程不足所導致的。由于無法選擇具有更大揚程的發(fā)動機水泵，我們計劃在后續(xù)研究中探索選用或串聯(lián)其他水泵的可能性，并對其進行進一步的分析和驗證。