專用汽車冷卻總成的選型設計研究

裴新才， 馬旭峰， 馬德平

（中國重汽集團青島重工有限公司，山東 青島 266111）

0 引言

專用車輛整車布置與傳統商用車差異較大，具有空間小、散熱空間相對密封等特點，專用車輛用冷卻系統的匹配狀態直接影響整車動力性、經濟性等，合理選擇中冷器、散熱器和風扇總成非常重要。本文以一款飛機牽引車為例，研究冷卻系統中冷器、散熱器和風扇的匹配方法，通過整車熱平衡試驗，驗證匹配方法的合理性。

1 冷卻系統總成選型設計

冷卻系統（中冷器、散熱器）的選型設計，主要是通過整車及發動機相關輸入參數，計算系統選型所需的參數值（如散熱量等），結合供方產品型譜進行選擇。

1.1 冷卻系統設計參數輸入

通過動力傳動匹配，飛機牽引車采用康明斯QSB3.9-110-30發動機，匯總冷卻系統總成設計相關輸入參數，如表1、表2所示。校核冷卻系統總成裝配尺寸，空間尺寸為＜720 mm×750 mm×350 mm。

表1 QSB3.9-C110-30發動機冷卻系統總成設計輸入參數1

表2 QSB3.9-C110-30發動機冷卻系統總成設計輸入參數2

1.2 散熱器選型

散熱器選型是通過校核額定功率點和大轉矩點兩個工況的散熱量、散熱面積、冷卻水循環量等參數選擇，發動機冷卻系統散熱量Qw（kJ/s）計算公式為[1]

式中：ηt為冷卻系統的熱量占燃料熱能的百分比（取同類機型的統計量）；ge為燃油消耗率，kg/kW·h；Pe為發動機有效功率，kW；hu為燃料低熱值，kJ/kg。

牽引車配置的QSB3.9-110-30，最大功率點散熱量QWp和大轉矩點計算如下。

式中：ηt=0.22（一般為0.18～0.25）,hu=4.187×104kJ/kg。

按照經驗公式，增壓柴油機冷卻系統散熱量Qw=qPe。

式中：q為0.5～0.6[2]，QW=48.6 kJ/s，取值兩者最大值49.9 kJ/s

根據熱平衡方程，計算冷卻水循環流量LW為

式中：Δt1為液氣平均溫差，根據發動機的進出水溫和冷卻空氣進出口溫度差值確定；K為換熱系數，一般取0.08 kJ/（m2·s·℃）。結合實際應用環境（油泥、水垢等）影響因素，散熱器散熱面積取值為理論值的1.10～1.15倍[2]。

通過理論計算，參照供方散熱器型譜，選擇S01102RC32F0500565A散熱器，散熱器參數如表3所示。

表3 散熱器參數

1.3 中冷器選型

中冷器的選型主要參照進出口壓縮空氣溫度、散熱量和中冷器冷側熱面積等，然后按照供方中冷器的型譜定型。

根據整車熱平衡試驗經驗，中冷器散熱能力比需要散熱量Q1大15%～20%。K為中冷器結構傳熱系數，初選時取85 W/（m2·℃）。

參照供方中冷器型譜，選擇Z01075CC50A0180442A中冷器，散熱帶散熱面積為3.786 m2，散熱管散熱面積為0.936 m2，正面積為0.164 m2，總面積為4.722 m2，散熱量為16～24 kW具體結構參數如表4所示。

表4 中冷器參數

1.4 風扇選型

牽引車散熱系統布置在駕駛室后方，發動機工作散失的熱量主要依靠風扇帶走，選用硅油風扇具有降低發動機機械功耗的同時，對水溫集聚變化響應也較好，即本文主要配置感溫式硅油風扇。

風扇選型設計要有3個前提條件[4]：冷卻系統需要的冷卻風量、冷卻風道的全氣路阻力、提供的風扇對應的特性曲線。

冷卻風扇通風量VL為

式中：Δt2=30 ℃（冷卻空氣進口/出口溫度差，經驗值），ra=1.01 kg/m3, Cp=1.047 kJ/(kg·K)。

參照供方風扇型譜，選擇兩款硅油風扇，參數如表5所示。

表5 風扇參數

1.5 冷卻總成與風扇匹配

風扇的選型是否合理，主要是考核風扇散熱量大于中冷器和散熱器等總成的風阻和散熱量。中冷器和散熱器等總成的風阻和散熱量主要靠風洞試驗獲得，本文對選型后的中冷器和散熱器進行試驗，同時臺架上設置接近整車裝配環境，結合整車運行工況，測試散熱器和中冷器對應的水阻和散熱量參數，如表6所示，對模擬發動機運行在額定功率和大轉矩點工況下，檢測中冷器和散熱器總成的風阻和風速曲線，如圖1所示。

圖1 中冷器和散熱器風阻

將本文選定的兩款風扇進行靜壓-風量測試，不同轉速下風量曲線如圖2和圖3所示。

圖2 環形風扇

圖3 開口風扇

通過MatLab繪制中冷器+散熱器的風阻曲線，同時將風扇在額定工況和大轉矩點工況的風量-靜壓對應匹配曲線對比分析,如圖4和圖5所示。

圖4 匹配額定功率點

圖5 匹配大轉矩點

通過對比試驗曲線，在發動機工作在額定功率的工況下，在相同風阻625 Pa，冷卻系統所需的風量為3.4 m3/s，實際環形風扇提供風量為5.5 m3/s，開口風扇提供風量為6.2 m3/s，兩款風扇均能滿足散熱要求，在發動機工作在大轉矩的工況下，冷卻總成＞500 Pa后，環形風扇提供的風量無法滿足散熱需求，在風阻750 Pa,冷卻系統需要風量為3.4 m3/s，開口風扇提供風量為3.8 m3/s,滿足散熱需求，風量超過需求值的11.8%。

表7 風洞試驗參數

通過上述對比分析，采用開口硅油風扇（Z650W-11D），牽引車采用開口硅油風扇，同時從結構上開口風扇比環形風扇軸向尺寸小，滿足布置空間要求，可有效縮短冷卻系統軸向尺寸，更有利于其他總成布置。

2 整車熱平衡試驗

通過理論計算和試驗確定了冷卻器總成，為了確保整車可靠性要求，還需要對樣車進行熱平衡試驗。在環境溫度＞30 ℃條件下，對牽引車散熱系統進行熱平衡試驗，采用8×4自卸車進行負荷倒拖試驗（車貨總質量為45 t），調整牽引車和拖車試驗車運行車速穩定在5 km/h，發動機分別在功率點、大轉矩點附近工作，調整拖車狀態，穩定車速后，水溫穩定30 min后開始測量，測量牽引車水溫、進排氣溫度，評估中冷器是否滿足要求，通過測量進出口壓差12～15 kPa，散熱器溫度差＜40 ℃，同時冷卻液水溫＜105 ℃，中冷后溫度比環境溫度≤35 ℃。通過整車熱平衡試驗，匹配的冷卻系統總成滿足要求。

3 結語

本文對牽引車冷卻系統進行了匹配設計，結合中冷器和散熱器的風洞臺架試驗，合理選擇了風扇。通過整機的熱平衡試驗，驗證了選型的可行性，對后續其它專用車型設計起到了一定的指導作用。