某前置發(fā)動機客車智能冷卻系統(tǒng)設計

王 輝

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

前言

根據(jù)國家工信部和交通部最新發(fā)布的標準，客車燃料消耗限值進一步降低，單靠發(fā)動機本身的節(jié)油技術已經(jīng)很難達到法規(guī)要求，必須采用其他節(jié)油手段。前置發(fā)動機客車普遍采用發(fā)動機自帶的機械風扇進行冷卻，即使采用硅油離合器或電磁離合器，在離合器耦合后消耗發(fā)動機功率基本同直連風扇一致，最高可達到發(fā)動機功率的 5%以上。而采用電子風扇的智能冷卻系統(tǒng)在后置客車上已經(jīng)得到了普遍驗證，有很好的節(jié)油效果，文章將以某款前置客車為例，主要從性能方面探討電子風扇在前置客車冷卻系上應用的可能性及設計思路，電子風扇控制系統(tǒng)不在本文討論范圍內。

1 設計目標

設計目標為在限定的冷卻系統(tǒng)邊界尺寸下，選擇適當?shù)碾娮语L扇，保證冷卻性能滿足發(fā)動機要求。

1.1 發(fā)動機參數(shù)輸入

發(fā)動機相關參數(shù)如下（表1）：

1.2 冷卻系統(tǒng)邊界尺寸

此客車原冷卻系統(tǒng)設計時已考慮了車架寬度、發(fā)動機艙高度、駕駛室踏板位置及整車接近角等相關因素，在此基礎上還要考慮電子風扇的合理布置，盡可能少留死角，因此冷卻模塊芯部按正方形設計，總寬和總高在原散熱器基礎上適當變化，電子風扇后方要與發(fā)動機留出足夠距離以盡量減少排風阻力，最終得出適合該車的冷卻系統(tǒng)的邊界尺寸為700mm×625mm×240mm（高×寬×厚），芯部尺寸為580mm×580mm（高×寬），與現(xiàn)有散熱器保持一致。

表1 發(fā)動機參數(shù)

1.3 電子風扇功率

通過整車用電量計算，除了電子風扇外整車最大用電量為126.37A，整車電壓為12V系統(tǒng)，發(fā)動機最大可匹配發(fā)電機參數(shù)為 14V/200A，因此電子風扇的總電流應不大于 200-126.37=73.63（A），總功率不大于14×73.63=1030.82（W）。

2 結構設計

結構設計包含兩個部分，第一是冷卻模塊的結構設計，應綜合考慮散熱性能、可靠性、成本、布置方便性等，第二是電子風扇的尺寸選擇和布置，應掃過盡可能多的散熱器正面積。

2.1 冷卻模塊設計

由于整車采用的發(fā)動機為渦輪增壓柴油發(fā)動機，因此冷卻模塊應包含散熱器和中冷器，散熱器按結構可選擇管帶式或封條式，管帶式性能好，成本低，封條式可靠性高，但風阻較大，成本較高。中冷器則為管帶式。按布置方式散熱器與中冷器可采用并聯(lián)布置或串聯(lián)布置，后置客車空間充足，普遍采用并聯(lián)布置，可最大限度降低風阻，提高散熱效率，前置客車一般采用串聯(lián)布置，更方便管路連接。

2.2 電子風扇的尺寸

電子風扇按扇葉直徑常用的有225mm、255mm、280mm、305mm、355mm、385mm、405mm等， 其對應的可布置數(shù)量和扇葉掃過面積對比如下：

表2 風扇對比

可以看出四只直徑 255mm的風扇掃過面積最大，其次是兩只直徑305mm風扇，布置后的效果如圖1。

很明顯四只風扇的布置更加合理，而兩只風扇只能對角布置，兩外兩角存在較大死區(qū)，不利于散熱，因此選擇采用4只扇葉直徑255mm的電子風扇。

圖1 風扇布置示意圖

3 理論計算

首先按現(xiàn)有串聯(lián)式的散熱器和中冷器進行風量的估算，初選出符合要求的的電子風扇，再將該電子風扇的數(shù)據(jù)代入到模型中，用分析軟件詳細計算各系統(tǒng)結構下的冷卻性能。

3.1 風量計算

已知發(fā)動機功率點和扭矩點所需的水箱散熱功率，中冷器所需散熱功率可用下式計算：

其中 Q=散熱功率，kW

Ga=空氣流量，kg/h

Ca=空氣定壓比熱，約為1.009×103J/kg·℃

Δt=進出氣溫差，℃

計算出功率點和扭矩點所需中冷器散熱功率分別為21.2 kW和8.79kW。

目前所用的散熱器芯子尺寸 580mm×580mm×40mm（高×寬×厚），臺架性能參數(shù)如下：

表3 散熱器性能參數(shù)

中冷器芯子尺寸 540mm×296mm×50mm（高×寬×厚），臺架性能數(shù)據(jù)如下：

表4 中冷器性能參數(shù)

根據(jù)插值法計算出功率點和扭矩點散熱器和中冷器分別需要的風量數(shù)據(jù)和風阻數(shù)據(jù)如下：

表5 匹配風量點

中冷器正面積約散熱器正面積的一半，即兩只風扇吹過散熱器和中冷器重合部分，兩只風扇吹過未重合部分。未重合部分所需風速不低于2.09 m/s，所需風量不低于2531m3/h，風阻91Pa，則所需單只風扇的性能為在風阻91Pa時風量不低于2531/2=1265.5（m3/h）。

重合部分所需風速不低于 4.71m/s，總風量不低于 2710 m3/h。計算風速4.71m/s時的散熱器風阻約230Pa，則散熱器與中冷器重合后的總風阻為 230/2+286=401Pa，即所需單只風扇在風阻401Pa時風量不低于2710/2=1355（m3/h）。

3.2 風扇性能對比

根據(jù)以上設計和計算結果，選擇匹配的電子風扇性能參數(shù)如圖所示：

試驗電壓13V

圖2 電子風扇性能曲線

與計算所需的電子風扇性能參數(shù)對比如下：

表6

3.3 校核計算

根據(jù)散熱器、中冷器、風扇相關參數(shù)建立KULI模型并進行仿真計算，計算結果如下：

表7 理論計算結果

4 結論

該前置客車在現(xiàn)有邊界條件下采用串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)和電子風扇，散熱器性能可以滿足要求，且有較大余量，中冷器性能不達標，在極限情況下（指整車用電器全部開啟，電子風扇滿載工作）發(fā)電機發(fā)電量不能滿足整車用電量需求，會導致蓄電池虧電。因此采用電子風扇的智能冷卻系統(tǒng)在前置發(fā)動機客車上可以實現(xiàn)搭載，但實際應用還需要更進一步的優(yōu)化和匹配，如減少中冷器厚度以減少風阻，根據(jù)整車實際運行情況，針對性的設計風扇控制策略等。