機艙溫度對整車熱平衡能力影響的研究

（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

機艙溫度對整車熱平衡能力影響的研究

黃風清，花德保
（上海柴油機股份有限公司，上海200438）

通過試驗手段來研究對比不同的柴油機機艙內空氣溫度對整車熱平衡能力的影響，再結合理論分析對試驗結果加以驗證以及總結出一般性規(guī)律，用來指導今后的設計配套工作。

柴油機 機艙 溫度 熱平衡

1 概述

整車熱平衡能力好，在相同的動力配置情況下就可以選用散熱面積更小的水箱，選用直徑更小或者速比更低的風扇。選用小水箱可以減少原材料銅或鋁的用量，降低采購成本、節(jié)省資源，另外選用小直徑或者小速比的風扇可以減低柴油機附件的耗功，達到節(jié)能減排的目的。

非道路工程機械因為有其使用的特殊性，在使用過程中普遍沒有迎風速度。另外受其工作環(huán)境的影響，一般都采取由機艙里面向外吹風的方式來冷卻散熱器。由機艙內吹向散熱器冷側一面的風一般都比環(huán)境溫度要高出15℃左右，如果再加上受熱風回流等因素的影響，機艙內溫度將更高，這樣對整個散熱系統(tǒng)都是非常不利的。因此研究機艙內溫度對整車熱平衡能力的影響是非常有必要的，下面將結合一個實際案例來對此問題進行分析和研究。

2 研究對象

針對一款新配試的50裝載機，對其進行熱平衡能力的檢測，其散熱系統(tǒng)布置參見圖1。冷卻風的流向：由風扇帶動機艙內空氣先吹過水散熱器，對其進行冷卻，再吹過變矩器油散熱器和液壓油散熱器，并對其進行冷卻。柴油機參數(shù)如表1所示，散熱系統(tǒng)的主要技術參數(shù)參見表2。

如圖2所示，機艙溫度的測點分別布置在靠近柴油機自由端的左右兩側（1、2兩測點），此處溫度非常接近于散熱器總成的冷側進風溫度，本文近似認為柴油機機艙內溫度等于進入水箱的空氣溫度，這樣更有利于分析機艙內空氣溫度對整車熱平衡能力的影響。

圖1 整車散熱系統(tǒng)布置

表1 柴油機主要參數(shù)

表2 散熱系統(tǒng)主要參數(shù)

圖2 整車機艙布置簡圖（俯視）

3 試驗研究

本次試驗根據(jù)研究需要，共設計了2個方案進行對比試驗，其具體結果如下：

方案1：原機狀態(tài)，對整車進行熱平衡檢測，各參數(shù)結果如圖3和圖4所示。

方案2：在原機狀態(tài)的基礎上，把機罩、車架等與散熱器總成之間的縫隙用紙板或泡沫等材料進行封堵，目的是為了減少已經(jīng)對散熱器進行冷卻過以后的熱風再次回流到柴油機機艙，見圖5。

在采取上述整改措施以后，對整車再次進行檢測，其測試結果參見圖6和圖7。

圖3 柴油機出水溫度及環(huán)境溫度

圖4 機艙內溫度

4 結果分析

在實際工作中，一般都無法在整車最高適應環(huán)境溫度下進行檢測。所以只要散熱系統(tǒng)設計符合要求，柴油機出水溫度就不會達到100℃。一般用以下2個經(jīng)驗公式來對整車的最終熱平衡能力做出評價。

式中，

T1——最高適用環(huán)境溫度；

TW——柴油機出水溫度；

TA——環(huán)境溫度。

式中，

T2——最高送入空氣溫度；

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TEA——進入散熱器總成的冷側空氣溫度。

在理想狀態(tài)下，例如無機罩的電站系統(tǒng)或者車用的風扇吸風系統(tǒng)，如果認為進入散熱器的空氣溫度就是環(huán)境溫度的話，那么允許送入的最高空氣溫度就是整車能夠適用的最高環(huán)境溫度，所以（1）式和（2）式均可以用來評價整車熱平衡能力。根據(jù)上述2個方案分別進行測試，其結果參見表3。

圖5 封堵機罩、車架與散熱器的縫隙

圖6 柴油機出水溫度及環(huán)境溫度

從表3結果可知，方案2由于減少了熱風回流，使得機艙內平均溫度比方案1要低11.6℃。因此方案2所能適應的最高環(huán)境溫度相應提升了11.7℃，也就是整車的熱平衡能力提升了11.7℃。從測試數(shù)據(jù)來看，機艙內降低的空氣溫度和整車提高的適應最高溫度值基本相當。

圖7 機艙內溫度

表3 各參數(shù)的匯總

另外，再結合理論來分析，根據(jù)空氣的換熱公式：

式中，

QW——水箱需要散掉的熱量；

ρK——空氣密度；

qVF——冷卻空氣流量；

CK——空氣比熱；

ΔTK——進、出散熱器的空氣溫差。

由（3）式可知，對同一整車而言，其柴油機散熱參數(shù)以及柴油機上安裝的風扇、散熱器的空氣阻力等均為定值，也即QW、qVF為確定的值。空氣密度和空氣比熱在外界溫度變化不大的情況下，其數(shù)值變化較小，本文對此變化忽略不計，認為ρK、CK也為定值，所以根據(jù)（3）式，有

由此可知，對于某一款確定的車型，其ΔTK為一定值。

另有，

綜合（5）（6）兩式，則有

當TW=100℃時，根據(jù)（2）式和（7）式，有

由（8）式可知，對于一款動力配置及散熱系統(tǒng)確定的整車而言，最高送入空氣溫度T2也為一個定值。結合本次試驗測試數(shù)據(jù)，以及（2）式得到的這樣的結論，方案1為T2=67.9℃，方案2為T2=67.2℃。

根據(jù)理論分析及試驗測試數(shù)據(jù)，從本次試驗測試數(shù)據(jù)來看，該車最高允許送入空氣溫度應為67.2℃左右。

對于某一確定車型而言，最高送入空氣溫度為定值，那么根據(jù)（1）式和（2）式，可得

即有

由（9）式可知，進入散熱器的空氣溫度的減小量等于最高適用環(huán)境溫度的提高值，與測試結果一致。

根據(jù)（10）式，整車能夠適用的最高環(huán)境溫度T1在風扇、散熱器等配置不作更改的情況下，是只與進入散熱器的空氣溫度成正比例關系的，而進入散熱器的空氣溫度取決于機艙內空氣溫度。

5 結論

降低柴油機機艙內溫度，即降低進入散熱器的空氣溫度，在整車配置包括風扇、散熱器等不作更改的情況下，可以明顯提升整車的最高適用環(huán)境溫度。

據(jù)此，可以通過在散熱器四周增加封堵措施來減少熱風回流到機艙，以降低進入散熱器空氣的溫度，達到提升整車熱平衡能力的目的。此外，也可以通過對增壓器、排氣管、消聲器的表面采取包裹隔熱材料，來降低機艙內溫度，同樣也可以降低進入散熱器的空氣溫度，從而提升整車熱平衡的能力。

Study on the Impact of Compartment Temperature on Engine Thermal Capability

Huang Fengqing,Hua Debao
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

Through experiment method,different ambient temperatures of a diesel engine compartment on the influence of engine thermal capability to adapt higher environment temperature is studied and compared.General rules for engine application design is derived from the combination of theoretical analysis and test verification..

diesel engine,engine compartment,temperature,thermal balance

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.04.009

來稿日期：2011-08-28

黃風清（1982-），男，工程師，主要研究方向為柴油機與整車的匹配應用。