簡述某輕型卡車發動機冷卻系統設計與分析

蘇忠浩，溫玉霜，曹建，孫永強

（徐州徐工環境技術有限公司，江蘇 徐州 221000）

前言

隨著我國對發動機排放及EGR率要求越來越高，使得發動機技術更新的同時，對發動機的散熱要求也越來越高。而輕型卡車在不增加整機重量，空間有限的情況下，所以我們在設計輕型卡車時要從各個方面考慮發動機的散熱效果，以達到整機的要求。根據有關資料介紹，發動機故障的 50%左右是由冷卻系統故障引起的。可見冷卻系統在車輛可靠性所占的地位。散熱器是整個發動機的冷卻系統最重要的一部分，主要包括中冷器（CAC），水散（RAD）。如果發動機出現高溫報警，會使出現限扭，增加油耗等現象；如果出現過冷現象，也是無法讓發動機的工作效率達到最佳狀態，甚至對于整機來說是一種浪費。所以，為了更好的匹配一款性價比合適的散熱器至關重要。

1 水散的結構選型

水散的結構式有芯體、上水室、下水室等3部分組成。

1.1 水散的芯體結構形式

目前，在市場上主流的鋁制散熱器形式有三種，一是板翅式，二是管帶式，三是管片式。由于輕型卡車是商用車的原因，我們基本考慮管帶式和管片式。管片式的特點是結構強度好，承壓能力較高，不容易堵塞芯體，且容易清理；結構由扁圓管和散熱片釬焊而成，冷側風通過阻力小，增加了傳熱面積。多使用震動較大、環境惡劣的重載車上。管帶式的特點是結構強度一般，結構是用扁圓管和波紋狀百葉窗式散熱帶釬焊而成，這種結構使冷側風產生紊流現象，從而使散熱能力提高，一般是同等條件下管片式的 12%。管帶式的制造工藝簡單、質量輕、成本低，但結構強度不如管片式好。綜合考慮輕卡的使用工況，管帶式從性價比來說，是比較合適的。

圖1

1.2 水散的水流形式

強制循環式水冷用散熱器可分為縱流型和橫流型。橫流式散熱器在汽車發動機上使用較為廣泛，特點為可以增加芯體的寬帶，從而增加散熱器的散熱面積，另一方面布置比較方便。縱流型散熱器主要使用在載重的工況下，卡車比較適合使用這種縱流型散熱器，這主要是卡車的車架空間限制，另一方面如果散熱器在整機測試階段無法滿足熱平衡的要求，可以通過垂直方向增加散熱面積。散熱器的結構強度可以通過芯體兩側的結構進行加強。

圖2

2 一款輕卡散熱器的實例

需求設計一款輕型卡車，使用發動機為康明斯ISF2.8，

要求滿足環境溫度為40℃，載重3噸。

2.1 發動機的參數

表1

2.2 風扇參數

硅油離合器風扇型號：F457W-7 ，風扇速比：1.1∶1。

2.3 性能匹配

利用 KULI分析軟件匹配此款輕型卡車的散熱器性能計算分析。設置KULI軟件的邊界條件：熱風回流6℃，風扇在機艙的熱輻射下效率衰減10%，機艙系統阻力考慮57.7%等。

具體分析后的數據如下：

圖3

在性能計算時使用42℃，為了給散熱器增加安全系數，我們在設計初期增加2℃余量。

通過分析后得出滿足整機散熱器空間的芯體尺寸：

水散：高x寬x芯厚：595x620x40；中冷器：高x寬x芯厚：370x520x65

圖4 KULI中模塊分布圖

散熱器與風扇的性能匹配曲線：

圖5

通過KULI匹配數據看，此管帶式散熱器在性能和空間布置上能夠滿足要求，可以使用。

2.4 CFD流場分析

2.4.1 三維CFD仿真邊界條件設定

圖6 冷凝器單位厚度風阻曲線

圖7 水散熱器單位厚度風阻曲線

圖8 中冷器單位厚度風阻曲線

圖9

對整機中的冷卻系統中的冷凝器、中冷器和水散熱器組成的冷卻模塊采用多孔介質模型，并根據性能分析中的風阻和速度曲線設置多孔介質參數。使用 Realizable k-ε兩方程湍流模型和非平衡壁面函數對湍流場進行模擬。

三維CFD仿真輸出結果：

表2

通過截取關鍵截面矢量圖，有助于了解動力艙的流動狀況，從而發現設計不足，提供改進措施。

圖10 水平截面流線圖

圖11 垂直截面流線圖

三維與一維聯合仿真分析：

圖12 速度矢量圖

三維仿真輸出結果分析

速度矢量圖與流線圖分析

1）從風扇出口流出的氣流基本沒有返回到冷卻模塊進口，熱風回流并不明顯。

2）風扇出口流出的氣流直接繞過發動機，從發動機四周向車尾流動，氣流組織也較理想。

3）導風罩內部設計不太合理，導風罩內部阻力較大。

根據流場分析，我們需要優化導風罩，更改為文丘里導風罩，控制風扇與導風罩沉浸比例1/2-2/3。

3 提高散熱器性能的其他方法

由于我國對發動機的要求越來越高，發動機技術提升的同時，對冷卻系統的要求也很高。對于我們整機來說，在有限的空間里滿足要求很困難。我們只能從動力系統的優化來考慮。主要有：1）增加散熱面積，可優化散熱器的芯體配置，如開窗的散熱帶，打點的扁圓管。2）增加隔熱裝置，防止熱風回流。3）優化風扇與導風罩之間的間隙，可采用柔性連接實現。4）優化動力艙的進排氣流場。5）優化導風罩的結構，如文丘里導風罩。6）選用性能更高的風扇等措施。

4 結語

此款散熱器的性能計算分析是可以滿足要求的，在初期性能計算有很多的假設條件，還需在整機裝配調試后進行熱平衡測試。

參考文獻

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