大馬力車(chē)型雙散熱雙節(jié)溫器外置冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

肖冰，趙萍，顏慶

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

引言

隨著近些年發(fā)動(dòng)機(jī)馬力的提高，液力緩速器的使用，對(duì)重卡的冷卻散熱系統(tǒng)的要求也不斷提高。汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)主要保證發(fā)動(dòng)機(jī)能夠正常可靠的工作的一個(gè)重要系統(tǒng)，避免引起發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱。尤其是隨著商用車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)不斷發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)的馬力不斷增大、發(fā)動(dòng)機(jī)的性能不斷增強(qiáng)、其產(chǎn)生的熱負(fù)荷及機(jī)械負(fù)荷也進(jìn)一步的提高。因此，隨著馬力的增加，及緩速器的應(yīng)用等，對(duì)商用車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)以及整車(chē)熱管理提出了越來(lái)越高的要求。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是重要作用是保障發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能、可靠性、耐久性。在各種工況下通過(guò)冷卻系統(tǒng)來(lái)保障發(fā)動(dòng)機(jī)在適合的溫度下工作。所以，整車(chē)的冷卻系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等有較大的關(guān)系[1]。節(jié)溫器是調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)中用于調(diào)節(jié)通過(guò)散熱器的冷卻液流量和更改水路循環(huán)路線(xiàn)的部件[2]，故節(jié)溫器的設(shè)計(jì)也尤為重要。液力緩速器是一種在車(chē)輛下坡時(shí)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置，而緩速器產(chǎn)生的熱能需要通過(guò)整車(chē)散熱系統(tǒng)散熱，其與發(fā)動(dòng)機(jī)共用一套冷卻系統(tǒng)。液力緩速器是車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)中重要的輔助制動(dòng)系統(tǒng)，有效減少行車(chē)制動(dòng)器磨損，防止行車(chē)制動(dòng)器失效，顯著提高了重型卡車(chē)的安全性。[3]

陜汽大件牽引車(chē)系列主要針對(duì)大件運(yùn)輸自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，本次車(chē)型使用600馬力進(jìn)口康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)，國(guó)產(chǎn)法士特斜齒變速箱+并聯(lián)緩速器，使用雙散熱系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)硅油離合器風(fēng)扇，輔助電子風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。該進(jìn)口發(fā)動(dòng)機(jī)未預(yù)留緩速器進(jìn)出水口，因需要有兩個(gè)散熱器串聯(lián)安裝，一個(gè)故系統(tǒng)水管路較為復(fù)雜。

1 冷卻系統(tǒng)的功能

1）冷卻系統(tǒng)需要具有足夠的冷卻能力，保證在所有工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的出水溫度低于所要求的許用值。

2）具有除氣功能，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)后25分鐘內(nèi)應(yīng)除盡初次加注時(shí)積存在冷卻系中的空氣。

3）具有一定的膨脹空間，其容積占系統(tǒng)容積的4%～6%。

4）具有一定的加注速度（19L/min，Cummins推薦）且一次加滿(mǎn)率應(yīng)達(dá)到總?cè)莘e的90%。

5）具有一定的缺水能力，缺水量應(yīng)滿(mǎn)足規(guī)定的要求（大于初次未加滿(mǎn)的冷卻液容量）。

6）冷卻系統(tǒng)中各個(gè)部件密封性能良好，不得漏氣、漏水。[4]

2 冷卻系統(tǒng)的各總成設(shè)計(jì)

2.1 雙節(jié)溫器外置雙散熱并聯(lián)緩速器冷卻系統(tǒng)

圖1 冷卻系統(tǒng)原理圖

本次設(shè)計(jì)為在原先車(chē)型上進(jìn)行改進(jìn)，原先為Cummins600馬力發(fā)動(dòng)機(jī)匹配 ZF16檔變速箱串聯(lián)緩速器，本次車(chē)型做相應(yīng)配置升級(jí)等，駕駛室匹配全新X3000駕駛室，Cummins600馬力發(fā)動(dòng)機(jī)匹配法士特16檔斜齒變速箱并聯(lián)緩速器。冷卻系統(tǒng)的各模塊計(jì)算過(guò)程省略，本文主要介紹管路連接的變動(dòng)及相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)升級(jí)。需拆除發(fā)動(dòng)機(jī)中的節(jié)溫器，同時(shí)管理中外接兩個(gè)節(jié)溫器，其中冷卻系統(tǒng)主要管路連接及雙散熱器并聯(lián)緩速器布置原理如圖1所示。

2.2 散熱器的設(shè)計(jì)

結(jié)合變寬車(chē)架及保險(xiǎn)杠托架尺寸，主、副散熱器選用原先大件車(chē)所使用散熱器可滿(mǎn)足要求，僅針對(duì)中冷器的設(shè)計(jì)更改散熱器上相應(yīng)中冷器的安裝支架和孔位。

2.3 風(fēng)扇選用及散熱器的匹配

根據(jù)上次整車(chē) IQA的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為參考，依然選用 MS9-762mm開(kāi)口電控硅油離合器風(fēng)扇。主散熱器使用傳統(tǒng)位置發(fā)動(dòng)機(jī)匹配風(fēng)扇冷卻，副散熱器使用6個(gè)φ300的電子風(fēng)扇組進(jìn)行冷卻，電子風(fēng)扇的開(kāi)啟通過(guò)采集發(fā)動(dòng)機(jī)水溫信號(hào)進(jìn)行智能控制，減少駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)轉(zhuǎn)速與水溫呈線(xiàn)性關(guān)系。

圖2 PWM占空比與水溫變化關(guān)系圖

2.4 膨脹水箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選用

2.4.1 膨脹水箱的作用

冷卻系統(tǒng)的冷卻效率及功能很大程度上取決于該系統(tǒng)是否附帶系統(tǒng)壓力或是否無(wú)氣泡，這兩種特性主要受膨脹水箱活力的影響。其具體作用為：

■ 接收加熱時(shí)膨脹的冷卻液

■ 分離出系統(tǒng)中的空氣

■ 儲(chǔ)備一定量的冷卻液用于補(bǔ)償泄露損失

■ 冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)壓和限壓

■ 方便冷卻液的加注和液面檢查

膨脹水箱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：

■ 帶有液位報(bào)警器，提醒駕駛員及時(shí)添加冷卻液

■ 整車(chē)布置時(shí)，膨脹水箱的最低點(diǎn)應(yīng)高于發(fā)動(dòng)機(jī)水道頂部和散熱器上水室，基本應(yīng)該在散熱系統(tǒng)最高點(diǎn)。

■ 膨脹水箱總?cè)莘e分為膨脹容積、儲(chǔ)備容積、必留容積。其中膨脹容積約為系統(tǒng)總?cè)莘e的6%、儲(chǔ)備容積約為系統(tǒng)總?cè)莘e的11%～20%、必備容積，防止冷卻液循環(huán)中卷入空氣，為最低液面距底面不小于35mm。

大件牽引車(chē)在設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí)，由于雙散熱系統(tǒng)，且管路較為復(fù)雜，所需膨脹水箱容積較大，使用塑料膨脹水箱在小批量階段由于開(kāi)模等費(fèi)用較高，對(duì)成本影響較大。最早使用并聯(lián)雙塑料膨脹水箱，缺點(diǎn)為管路復(fù)雜、除氣效果不佳、易產(chǎn)生液面不均等問(wèn)題，后改進(jìn)為串聯(lián)不銹鋼氣瓶與塑料膨脹水箱，缺點(diǎn)為管路復(fù)雜，無(wú)法觀察液面且容易加注錯(cuò)誤。本次最終確定使用新型不銹鋼膨脹水箱，體積較大、不用開(kāi)模、且?guī)в^察管柱，易于觀察液面，在試制階段可控制成本，同時(shí)效果較好。

2.4.2 膨脹水箱容積的計(jì)算

系統(tǒng)總?cè)莘e包括冷卻管路容積，散熱器容積，發(fā)動(dòng)機(jī)本體容積，膨脹水箱的儲(chǔ)備水量等，根據(jù)數(shù)模、散熱器參數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)等計(jì)算系統(tǒng)總?cè)莘e約為 94L。理論上膨脹水箱容積V

通過(guò)計(jì)算可得23.5L的膨脹水箱可滿(mǎn)足要求。

2.5 風(fēng)扇護(hù)風(fēng)圈的設(shè)計(jì)

護(hù)風(fēng)圈與風(fēng)扇的徑向間隙對(duì)風(fēng)扇容積效率影響較大，在允許的條件下應(yīng)盡量減少風(fēng)扇和護(hù)風(fēng)圈之間的徑向間隙，葉尖與導(dǎo)風(fēng)罩間隙約為1.5%～2.5%風(fēng)扇直徑，風(fēng)扇距離散熱器芯之間的距離不小于50mm，風(fēng)扇葉片1/2進(jìn)入護(hù)風(fēng)圈。

2.6 風(fēng)扇護(hù)風(fēng)圈的設(shè)計(jì)

為了冷卻高溫空氣及降低增壓后空氣的溫度，使得進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中的空氣密度增大，同時(shí)根據(jù)之前IQA測(cè)試的數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)樣車(chē)成本考慮，同時(shí)結(jié)合車(chē)架及保險(xiǎn)杠托架尺寸。本次設(shè)計(jì)中將原先中冷器芯子尺寸擴(kuò)寬30。

2.7 外置節(jié)溫器的設(shè)計(jì)

石蠟機(jī)械式節(jié)溫器工作原理∶節(jié)溫器芯子為石蠟填充，石蠟的體積受溫度控制，冷卻液溫度較低時(shí)，石蠟呈固態(tài)，旁通閥關(guān)閉。如圖3示，冷卻液從A口進(jìn)B口出。反之，石蠟體積膨脹，旁通閥打開(kāi)，冷卻液從A口進(jìn)C口出。通過(guò)雙外置節(jié)溫器內(nèi)部旁通閥的開(kāi)啟來(lái)改變冷卻系走向，改變大小循環(huán)及冷卻水路走向。

圖3 節(jié)溫器示意圖

3 冷卻系統(tǒng)布置形式

因陜汽大件車(chē)匹配的600馬力發(fā)動(dòng)機(jī)，主要用于牽引300噸以上不可拆卸大件貨物，系統(tǒng)中還有變速箱緩速器，工況復(fù)雜，因此，在相關(guān)設(shè)計(jì)過(guò)程中，大件車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)一直都是重點(diǎn)難點(diǎn)，同時(shí)在冷卻系統(tǒng)中存在兩個(gè)散熱器，對(duì)于管路布置連接相對(duì)于單散熱器系統(tǒng)復(fù)雜度高。結(jié)合整車(chē)布置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、對(duì)冷卻系統(tǒng)管路布置設(shè)計(jì)如圖4所示：

圖4 冷卻系統(tǒng)布置圖

主散熱器與中冷器位于發(fā)動(dòng)機(jī)前端，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇來(lái)散熱，副散熱器位于固定架上，通過(guò)6個(gè)電子風(fēng)扇來(lái)散熱。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，水溫不高，冷卻液從發(fā)動(dòng)機(jī)流出經(jīng)過(guò)節(jié)溫器1，然后經(jīng)過(guò)緩速器經(jīng)過(guò)節(jié)溫器2流回發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)水溫較高，超過(guò)83℃時(shí)，節(jié)溫器1開(kāi)啟，經(jīng)過(guò)側(cè)散熱器散熱，流過(guò)緩速器，經(jīng)過(guò)節(jié)溫器2流回發(fā)動(dòng)機(jī)，如水溫仍然高，或者是由于緩速器開(kāi)啟導(dǎo)致水溫上升等情況，則節(jié)溫器2開(kāi)啟，水流經(jīng)過(guò)主散熱器然后流回發(fā)動(dòng)機(jī)。

4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)陜汽大件牽引車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，說(shuō)明設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)需要注意的問(wèn)題，為大馬力發(fā)動(dòng)機(jī)和并聯(lián)緩速器在整車(chē)匹配時(shí)提供了理論參考。同時(shí)應(yīng)用的不銹鋼膨脹水箱可方便應(yīng)用于小批量常規(guī)塑料膨脹水箱無(wú)法滿(mǎn)足的小批量階段，節(jié)省開(kāi)模成本。本冷卻系統(tǒng)順利通過(guò)了IQA實(shí)驗(yàn)。陜汽大件車(chē)在投放市場(chǎng)多年來(lái)，得到了市場(chǎng)的認(rèn)可，目前在國(guó)內(nèi)大件車(chē)行業(yè)得到了比較好的市場(chǎng)反應(yīng)。本次冷卻系統(tǒng)通過(guò)了IQA實(shí)驗(yàn)，可滿(mǎn)足大件牽引車(chē)在各種工況下的運(yùn)輸過(guò)程的冷卻需求，使用性能穩(wěn)定、后續(xù)維修保養(yǎng)方便，得到市場(chǎng)充分肯定和客戶(hù)的認(rèn)可。