非公路礦用自卸車發動機冷卻系統匹配研究

張 超 謝鳳群 王志行

（徐州徐工礦山機械有限公司，江蘇徐州221000）

0 引言

冷卻系統作為車用發動機的重要分系統，其功能是將受熱件傳導出來的熱量，及時散發到周圍環境中去，使發動機在所有工況下都保持在適當的溫度范圍內。良好的冷卻系統既要防止發動機過熱，也要防止冬季發動機過冷。此外，在冷態的發動機起機之后，冷卻系統還要保證發動機迅速升溫，盡快達到正常的工作溫度[1]。

礦用自卸車因使用工況極其惡劣，對發動機冷卻系統的要求也更加苛刻：多塵環境下，有足夠的散熱能力；高溫、高寒和高海拔地區等特殊工況下，冷卻系統仍能正常工作[2]。因此，冷卻系統設計的好壞對車輛的經濟性和動力性尤為重要。本文以某大型非公路礦用自卸車為例，對冷卻系統進行了匹配計算。

1 發動機冷卻系統原理

非公路礦用自卸車冷卻系統一般為強制循環水冷系統，由發動機水套、水泵、節溫器、低溫散熱器、高溫散熱器、膨脹水箱、風扇、冷卻管道等組成，如圖1所示。

圖1 發動機冷卻系統的構成

如圖2所示，礦用發動機多采用雙泵雙循環水冷系統。

高溫循環水冷系統中，冷卻水通過高溫水泵流經機油冷卻器、發動機缸套，將發動機缸套的發熱量帶出，在經過高溫節溫器時，當水溫低于節溫器開啟溫度，回到高溫水泵；當水溫大于節溫器開啟溫度，流經高溫散熱器后，回到高溫水泵。

低溫循環水冷系統中，冷卻水通過低溫水泵流經中冷器，將中冷器的發熱量帶出，在經過節溫器時，當水溫低于低溫節溫器開啟溫度，回到低溫水泵；當水溫大于低溫節溫器開啟溫度，流經低溫散熱器后，回到低溫水泵。

圖2 發動機冷卻系統循環示意圖

冷卻水將發動機缸套和中冷器的發熱量帶出，在散熱器芯體內部流動后，和流過散熱器芯體外的冷空氣進行熱交換。當風扇控制器控制的風扇旋轉工作時，散熱器的散熱能力增強，加速了冷卻水的冷卻。

2 發動機冷卻系統匹配計算

車輛冷卻系統的設計步驟[3]：（1）確定發動機、變速箱、液壓系統等的散熱量；（2）確定所需冷卻水的流量；（3）確定風扇風量、轉速、直徑等數據；（4）確定高溫散熱器、低溫散熱器的散熱面積和芯體尺寸；（5）對冷卻系統進行匹配計算，確定冷卻系統工作點。最后，經過比較對設計進行修改。大型礦用自卸車的運行工況以礦區的山路為主，道路條件較差，坡路多，另外車輛本身處于重載甚至超載的情況也很普遍，所以應適當增大安全系數，以保證車輛發動機能夠長期正常運行。

2.1 基本參數

本文所設計的冷卻系統需滿足45℃高溫環境要求，只針對發動機發出的散熱量進行匹配研究，具體發動機相關參數如表1和表2所示。

表1 某礦用發動機HTC基本參數

2.2 冷卻空氣的體積流量

冷卻空氣的流量，即冷卻風扇的供風量qv，a，根據冷卻系統應散發出去的熱量Qw，由熱平衡方程進行計算[4]：

表2 某礦用發動機LTC基本參數

式中，Qw為冷卻系統需帶走的熱量（kJ/h），為發動機缸套冷卻液散熱量Qw1和中冷器冷卻液散熱量Qw2之和；Δta為冷卻空氣進、出水散熱器的溫升，通常為20～30℃，取25℃；ρa為空氣的密度，45℃環境溫度下取1.11 kg/m3；cp，a為空氣定壓比熱容，可近似取1.005 kJ/（kg·℃）。

將相關數據代入，求得qv，a=48.4 m3/s，考慮到風扇效率和損失，取儲備系數1.1，故實際冷卻空氣的流量為53.24 m3/s。

2.3 冷卻風扇參數確定

礦用自卸車風扇多采用發動機直接驅動，首先，依據整車布置及發動機風扇中心高度參數等，確定風扇傳動比，確定額定轉速下的風扇轉速；其次，依據散熱器芯體的正面面積，確定直徑大小；最后，依據冷卻空氣流量和冷卻系風道系統阻力確定風扇靜壓和風扇風量，如圖3所示。

圖3 風扇靜壓曲線

2.4 散熱器散熱面積的計算

散熱器作為整個發動機冷卻系統的核心單元，其設計主要包括散熱面積計算、散熱器芯體、水室設計、膨脹水箱、導風罩設計等。本文只介紹散熱面積計算。礦用自卸車散熱器芯體包括低溫散熱器芯體和高溫散熱器芯體，前后布置。實際計算中，忽略上、中、下水室的影響，只計算高溫芯體的散熱面積Sw1和低溫芯體的散熱面積Sw2。

式中，φw為儲備系數，一般取1.1；Kw為傳熱系數[W/（m2·K）]，可由公式（3）計算；Δtm為熱換介質算數平均溫差（℃），可由公式（4）計算。

式中，αw為冷卻水的對流熱換系數[W/（m2·K）]；δ為材料厚度（m）；λ為材料熱導率[W/（m2·K）]；αk為空氣的對流熱換系數[W/（m2·K）]。

式中，tw1為散熱器進水溫度（℃）；tw2為散熱器出水溫度（℃）；tk1為空氣進入散熱器溫度（℃）；tk2為空氣流出散熱器溫度（℃）。

將相關參數代入公式（2）、（3）、（4），得出Sw1和Sw2。

3 熱平衡試驗與結果

對搭載某發動機的礦用自卸車進行熱平衡負載試驗，試驗按照下列方案實施：測試時環境溫度35℃，熱平衡試驗為額定功率點工況，以電阻柵作為負載，原地滿功率加載測試。具體試驗結果如圖4所示。

圖4 熱平衡試驗冷卻水溫度變化曲線

圖中，經過大約55 min的時間，發動機高溫冷卻水和低溫冷卻水均達到了平衡溫度，分別為89.5℃、61.2℃。根據公式可計算出發動機的實際極限環境使用溫度LTA。

根據試驗結果，可判斷出設計滿足要求。

4 結語

本文通過對某礦用自卸車的發動機冷卻系統進行匹配計算，可知當極限環境溫度低于45℃時，散熱器芯體、風扇的參數設計可滿足要求，為相關工程設計人員提供了理論依據。

冷卻系統匹配計算是一個參數不斷優化的過程，優化的同時，也提高了整車的經濟性和動力性。