某歐六客車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

桂思農(nóng) 付尊亮 黃接銀

摘 要：文章以某一款歐六客車為例，根據(jù)整車總布置的任務(wù)，設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的總體布置，分析系統(tǒng)性能需求并對(duì)關(guān)鍵部件散熱器、中冷器、風(fēng)扇等作出計(jì)算選型，開發(fā)出滿足整車路況需要的冷卻系統(tǒng)，最后進(jìn)行整車熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證 。旨在為客車?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型提供一種思路。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng);散熱器;中冷器;熱平衡

Abstract： In this paper， we take a bus of euro 6 regulation as an example. According to the vehicle layout task， we developed a cooling system for all kinds of road conditions by designing the overall layout of the cooling system. We calculated system performance requirements and select the key parts， especially the radiator， intercooler and fan. Finally， we carried out a heat balance test to verify the accuracy with the purpose of providing a way to design cooling system.

Keywords： Cooling system; Radiator; Intercooler; Heat balance

前言

在我國快速發(fā)展的階段，客車在城際城間的運(yùn)輸中起著非常重要的作用。不同的氣候、不同海拔地區(qū)以及長期的超負(fù)荷運(yùn)行，尤其是在應(yīng)對(duì)歐六國六等更加嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，廣泛匹配渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的超高溫問題層出不窮，這就對(duì)冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求。本文通過詳細(xì)的系統(tǒng)傳熱計(jì)算，布置與選型的設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證，在節(jié)能減排的同時(shí)，設(shè)計(jì)出滿足實(shí)際需求的冷卻系統(tǒng)。

1 整車信息及系統(tǒng)總布置設(shè)計(jì)

該客車為一款50座的旅游車，整車重18000kg，空載12000kg，外形尺寸為 11980×2500×3480mm，最高車速110 km/h，平均車速80 km/h，使用地理位置為華南地區(qū)（香港），海拔高度40m，車輛應(yīng)用地區(qū)最高環(huán)境溫度40℃。該車動(dòng)力匹配ZF 6檔自動(dòng)變速箱帶液力緩速器。綜合總布置要求及現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)條件，擬定冷卻系統(tǒng)布置原理圖如圖1所示。

2 散熱器性能計(jì)算與選型

目前，汽車上應(yīng)用較為廣泛的散熱器為管式散熱器，主要結(jié)構(gòu)類型包括管片式和管帶式兩類，管帶式是最為常見的結(jié)構(gòu)，它有著優(yōu)異的各方面綜合性能。其整體構(gòu)造由扁平的水管和波浪形散熱翅片焊接在一起，如圖2所示。相比較于管片式散熱器，在相同工藝條件下，有研究表明管帶式散熱器散熱面積可增加12%。此外，由于散熱帶上附有百葉窗結(jié)構(gòu)，它可以擾斷空氣在帶面上的粘性層，擴(kuò)大紊流作用，提高散熱器散熱效率，在散熱芯子同等面積的情形下，管帶式散熱器的散熱能力可提高10%，成本下降約15%[1]。

該車散熱器設(shè)計(jì)的散熱量應(yīng)等于冷卻系統(tǒng)的散熱量，即為發(fā)動(dòng)機(jī)水套的熱量加上液力緩速器的熱量[2]。水套的散熱量175KW由發(fā)動(dòng)機(jī)廠家技術(shù)協(xié)議提供，發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)性能參數(shù)如表1所示，同時(shí)根據(jù)該車匹配的ZF6檔自動(dòng)變速箱協(xié)議提供的液力緩速器的散熱量42KW，考慮到散熱器實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)受到水垢污染和油泥堵塞等，散熱能力會(huì)隨使用時(shí)間的增長而下降。散熱器散熱能力應(yīng)有所儲(chǔ)備，即散熱器最大散熱量Qmax應(yīng)大于冷卻系統(tǒng)散熱量Qw，取儲(chǔ)備系數(shù)為φw=1.1。

對(duì)于散熱器散熱面積的計(jì)算[3][4]，此計(jì)算中忽略掉上下水室所散發(fā)的熱量，散熱面積Fw（m2）的計(jì)算公式如（1）所示：

對(duì)于散熱器傳熱系數(shù)K的計(jì)算[5]，由于傳熱系數(shù)K受結(jié)構(gòu)及制造工藝的影響，一般為70 W/（m2·K）—117 W/（m2·K）之間，具體計(jì)算如公式（3）：

Hw-熱流體與壁面表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，當(dāng)管內(nèi)冷卻液流速為0.2-0.8m/s 時(shí)，Hw 約2326-4942W/（m2·K），冷卻管內(nèi)冷卻液流速盡量高，但不要超過0.8米/秒，取為4942 W/（m2·K）;

Ha-冷流體與壁表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，該值主要取決于空氣流過散熱器的速度，Ha 可取70-112W/（m2·K），取值112 W/（m2·K）;

δc-散熱管壁厚，鋁質(zhì)散熱器一般δc =0.15-0.2mm;

γc-散熱管導(dǎo)熱系數(shù)，純鋁導(dǎo)熱系數(shù)為230 W/（m·K）;

根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算出K值為104.2W/（m2·K）。

綜上各式所得結(jié)果，代入（1）式中計(jì)算出散熱器散熱面積為Fw=56.6 m2。

散熱器的散熱量等于冷卻系統(tǒng)的散熱量，冷卻空氣量Va等于流過散熱器的空氣量[6]，其計(jì)算如公式（4）：

結(jié)合供應(yīng)體系內(nèi)現(xiàn)有散熱器廠家的技術(shù)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝狀況，選擇鋁散熱器總面積57 m2正面積0.95m2。芯子尺寸（mm）959*990*70，散熱帶開窗，峰高10.3mm，峰距4mm;紊流片Z型，峰高2.2mm，峰距9mm;冷卻管高2.5mm。

3 中冷器性能計(jì)算與選型

該車所選中冷器結(jié)構(gòu)與散熱器同為管帶式結(jié)構(gòu)。其散熱面積的計(jì)算邏輯與散熱器是一致的[9][10]。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)廠家臺(tái)架實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)注明，在25℃的測試環(huán)境時(shí)，增壓后熱空氣流量為0.335kg/s，中冷器進(jìn)氣溫度為174℃，要求中冷器的散熱量至少為47KW，中冷后溫升不大于20℃。首先根據(jù)熱平衡，Q=G1×CP1×（tm1-tm2），G1為熱空氣流量0.335kg/s，Cp1為熱空氣的定壓比熱，取值1.009*103 J/KG·℃，代入數(shù)值求解tm2為35℃。對(duì)于中冷器△t*m值的求解，一般采用對(duì)數(shù)平均溫差法[16]，如公式（6）所示：

將參數(shù)代入公式（6），計(jì)算出其對(duì)應(yīng)的冷卻介質(zhì)對(duì)數(shù)平均溫差為△t*m=47℃。借鑒廠家同種類型中冷器的相關(guān)臺(tái)架數(shù)據(jù)，一般中冷器的傳熱系數(shù)[7]在（50-60）W/（m2·K）之間，取中冷器的傳熱系數(shù)為55 W/（m2·K），將數(shù)值代入公式（1）、（5），分別計(jì)算出散熱面積為? =20 m2;正面積為? =0.45 m2。

根據(jù)廠家現(xiàn)有狀況選擇中冷器總面積23 m2，正面積0.69 m2;芯子尺寸（mm） 730*945*62，散熱帶矩形，峰高8.9mm，峰距4mm;紊流片齒型錯(cuò)開，峰高9.2mm，峰距5mm;冷卻管高10mm。

4 液壓風(fēng)扇系統(tǒng)性能計(jì)算與選型

PR為散熱器阻力，根據(jù)散熱器廠家的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，一般來說△PR =100Pa-500Pa之間，取△PR =500Pa;

P1是除開散熱器以外的所有空氣通道的阻力，△P1=（0.4-1.1）△PR，由于中冷器疊放在散熱器前方，取△P1=1.0△PR;

將相關(guān)參數(shù)代入（6）式中得出風(fēng)扇的壓力P=1000Pa。

計(jì)算風(fēng)扇的外徑D2，一般風(fēng)扇輪葉掃過的環(huán)面積等于散熱器芯部正面積的45%-60%，風(fēng)扇葉輪內(nèi)徑與外徑之比通常范圍取D1/ D2=0.28-0.36，即：

則D2=（0.79—0.93）m，將相關(guān)參數(shù)代入式中得D2=0.75-0.88m之間。

計(jì)算風(fēng)扇外徑處的圓周速度：

風(fēng)冷卻器：總面積8 m2，正面積0.15 m2;芯子尺寸（mm） 150*980*63，散熱帶波浪型，峰高10.3mm，峰距6mm;紊流片Z型，峰高3mm，峰距5mm。

由于該冷卻系統(tǒng)不含水暖，故膨脹水箱的容積約占整個(gè)系統(tǒng)冷卻液總?cè)萘康?6%，實(shí)際膨脹水箱采用總?cè)莘e18L的矩形，蒸氣閥開啟壓力（正壓）45-58KPa，其它附件如護(hù)風(fēng)罩選用廠家自配的箱式護(hù)風(fēng)圈。

5 熱平衡試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方法

采用康明斯應(yīng)用工程21.52標(biāo)準(zhǔn)，使用負(fù)荷拖車方法，試驗(yàn)車后面連接負(fù)荷拖車，利用拖車給試驗(yàn)車輛加載，達(dá)到試驗(yàn)車全負(fù)荷的效果，進(jìn)行扭矩點(diǎn)和功率點(diǎn)狀態(tài)下熱平衡試驗(yàn)，車速數(shù)值獲取來自CAN總線。

5.2 試驗(yàn)條件

環(huán)境溫度：21-38℃;迎面風(fēng)速：外界環(huán)境自然風(fēng)速;節(jié)溫器：強(qiáng)制全開;風(fēng)扇：強(qiáng)制直連;排氣排出方式：自然排氣; 最高允許出水溫度：107℃;

5.3 試驗(yàn)工況

額定功率點(diǎn)（1255 N·m /2100rpm）;最大扭矩點(diǎn)（1600 N·m /1400rpm）。

5.4 測試設(shè)備

NI測試設(shè)備;K型溫度傳感器;電流型壓力傳感器。

利用拖車對(duì)裝備該歐六發(fā)動(dòng)機(jī)的客車進(jìn)行整車熱平衡試驗(yàn)，測量該車的冷卻系統(tǒng)在最大扭矩點(diǎn)和額定功率點(diǎn)的熱平衡參數(shù)，考核整車?yán)鋮s系統(tǒng)在發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率點(diǎn)和最大扭矩點(diǎn)的冷卻常數(shù)。試驗(yàn)時(shí)將各溫度傳感器安裝在事前焊接好的測試接頭上，連接好數(shù)據(jù)線，啟動(dòng)車輛待達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)后開始記錄數(shù)據(jù)。

發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率點(diǎn)下，散熱器熱平衡試驗(yàn)曲線如圖3所示，中冷器熱平衡試驗(yàn)曲線如圖4所示。

發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)下，散熱器熱平衡試驗(yàn)曲線如圖5所示，中冷器熱平衡試驗(yàn)曲線如圖6所示。

試驗(yàn)結(jié)果，取各工況點(diǎn)穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)如表2所示：

根據(jù)熱平衡曲線圖及試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)論：

（1）功率點(diǎn)極限使用環(huán)境溫度LAT=最高允許出水溫度（107℃）-冷卻常數(shù)（54.5℃）=52.5℃，符合要求（第2類使用區(qū)域功率點(diǎn)LAT應(yīng)不低于41℃）;扭矩點(diǎn)LAT為（107-69.8）℃=37.2℃，符合要求（第2類使用區(qū)域扭矩點(diǎn)LAT應(yīng)不低于36℃）。

（2）中冷器的冷卻效率為（213.7-47.3）/（213.7-34.3）=92.8%（扭矩點(diǎn)），（190.8-41.7）/（190.8-32.1）=93.9%（功率點(diǎn)），大于90%，符合要求。中冷出氣溫度與環(huán)境溫度的差值最大為13℃（功率點(diǎn)）小于20℃，符合要求。中冷器進(jìn)出氣壓差最大值為4.1kpa（功率點(diǎn)）≤13.5kpa，符合要求。

6 結(jié)束語

熱平衡試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，此車型冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路以及選型的部件能夠滿足車輛在指定區(qū)域相應(yīng)工況中使用。冷卻系統(tǒng)熱管理是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及因素較多。改進(jìn)措施如中冷器散熱片增加百葉窗結(jié)構(gòu)[8]，一般而言對(duì)于管帶式換熱器，適當(dāng)改變散熱管內(nèi)紊流片的尺寸，如增加波高，減少波距等措施有利于增強(qiáng)散熱效果[12]，但同時(shí)會(huì)存在加大流體阻力的問題，對(duì)于系統(tǒng)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)有待于進(jìn)一步研究。

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