有限空間下重卡工程車冷卻系統性能提升探討

劉鴻志，尚曉虎，王景新

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

有限空間下重卡工程車冷卻系統性能提升探討

劉鴻志，尚曉虎，王景新

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

重卡工程車往往在惡劣環境中運行，有部分大馬力自卸車在使用時存在水溫高的問題。文中以重型工程自卸車為例，通過建立Flowmaster模型對影響冷卻能力的參數進行識別，從整車冷卻系統匹配角度對該車進行了分析。由于受到發動機機艙空間較小和散熱器離地間隙要求較高的限制，在散熱器外形尺寸無法加大的情況下，本文對冷卻系統設計性能提升提出幾種方法進行探討，并對性能提升方法進行試驗驗證，證明這些方法是可行的。最后對冷卻系統性能提升方法的延伸應用提出建議。

重卡；冷卻系統；散熱器；中冷器；性能提升

CLC NO.: U464.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)03--

前言

汽車冷卻系統的功用，就是把發動機和傳動裝置受熱件所傳導出來的熱，及時散發到周圍環境中去，使發動機和傳動裝置獲得可靠而有效工作的熱狀態，既不過熱，也不過冷[1]。

國內市場上有部分重卡大馬力自卸車型時有反饋，在車輛運行時存在冷卻系統性能不足導致發動機水溫偏高的問題。經過調研發現這部分重卡車輛往往具有以下特點：

1、工作環境相對比較惡劣，如各種礦坑、工地、山區、海拔較高地區等特殊環境。

2、裝載質量過大。一般情況下，6×4自卸車載質量在25～40T，8×4自卸車的載質量在30～50T[2]，部分區域使用的自卸車載質量甚至遠超出上述所述。

3、施工時運行速度較低，大部分時間實際車速一般在40 ～60km/h，部分工況下車速甚至只有20km/h左右。

解決發動機水溫高傳統的做法就是加大散熱器芯體外形尺寸以提高冷卻系統性能[3]。當前一些重卡車型由于受到發動機艙空間小和散熱器離地間隙要求高的限制，散熱器外形尺寸無法加大，給冷卻系統設計帶來很大的困擾。本文針對這種情況下重卡冷卻性能提升過程中可能存在的問題以及優化的方法進行了探討。

1、冷卻系統的匹配分析

冷卻系統的匹配選型設計校核方法不同研究者如唐昊，葉茂盛，于恩中等論述中有一些細節上的差異[4，5,6]，雖然表述不同，但實際上并無本質上的區別。一般汽車冷卻系統設計可以按照圖1中所示流程進行：

發動機工作時燃料燃燒產生的熱量分為做功、排氣、散熱、其他損失，但傳統的1/3理論已經不能用來比較準確評估冷卻系統設計[7]。往往理論計算校核冷卻系統可以滿足整車，但是試驗結果來看，實際裝車時卻和理論數據出現不一致的情況，究其原因冷卻系統周邊假定條件并不理想。

樣車冷卻系統設計由于受到發動機機艙、車架、以及離地間隙的限制，不能以加大散熱器外形尺寸來提升冷卻性能，只能通過其他途徑來提升冷卻性能。

通過使用Flowmaster軟件建立該自卸車冷卻系統模型見圖2，從該模型中可以更簡單識別出有諸多參數都可能影響整車冷卻系統性能。

對于常規手段如加大散熱器外形尺寸、加大風扇直徑等本文不再討論，本文從影響冷卻性能的以下幾個方面進行初步探討：

1、散熱器結構；

2、冷卻模塊前方阻擋；

3、中冷器芯體高度對冷卻系統的影響；

4、護風罩和風扇對冷卻系統的影響；

5、風扇前端面與散熱器芯體后端間距。

2、冷卻性能提升措施研究

針對上述原因分析中的結果在原樣車上進行改進，具體措施如下：

2.1 散熱器結構改進

目前國內外重卡使用的散熱器主要是鋁制芯體管帶式散熱器。雖然都是管帶式散熱器，但是各散熱器制造廠家各自專利保護，散熱管和散熱帶差異化導致芯體結構形式不盡相同。相同外形尺寸的散熱器因為芯體結構不同導致性能有較大的差異。目前市場上重卡使用的散熱器芯體結構種類較多，主要有雙排單縫高頻焊管、單排或雙排B型擠壓管、單排沙漏管等。而同一種結構的散熱器芯體又由于制造工藝差別問題導致散熱能力相差甚大。下面通過實驗數據對表1中幾種典型的芯體進行比較：

表1 三種不同管型芯體參數

從圖3中風筒實驗結果的數據可知，在150L/min、220 L/min、290L/min三種的水流量和對應五中風速下，沙漏管芯體散熱系數較其他兩種芯體高出很多。可見使用該管型的散熱管制作散熱器芯體可以在相同外形尺寸下有效提升單體的性能，目前此管型也逐漸受到國內散熱器生產廠商追捧，一些廠商已經上馬沙漏管的制管機。

國外一些散熱器供應商開發出麻點管，即在原來散熱管光滑表面進行打凸，通過對打凸點結構和分布設計，這種管型可以在管內流速較低時發揮更好的散熱效果，但在管內流速較高時與正常管型趨于一致。

還有一些散熱器供應商進行高密度散熱器芯體設計。這種高密度散熱器芯體主要是減小散熱管的尺寸和散熱帶的波高，使得相同外形尺寸下散熱器散熱面積增加，從而提升散熱器的性能。該結構的散熱器對冷卻風扇的靜壓要求較高，否則散熱器性能很難發揮到最佳。

2.2 冷卻模塊前方阻擋

國內很多車輛的冷卻模塊前方有駕駛室前支撐的翻轉軸或者車架前端橫梁等阻擋物，這些冷卻模塊前方的阻擋物往往在冷卻系統設計時被忽略，但實際上對冷卻模塊性能的發揮有一定的影響。圖4為氣流通過鈍體阻擋物繞流的情況，如果冷卻模塊布置在圖4中a到b段的尾流區域，由于此部分芯體在尾流區域得不到良好的冷卻，整個冷卻模塊的冷卻效果則會隨著與阻擋物間距的大小有不同程度的下降。

從上述分析可知，解決此問題有兩個途徑：

1）在整車總布置設計之初就避免在冷卻模塊前方布置其他零部件，國外很多高端重卡均是如此。

2）如果冷卻模塊前方不可避免地要布置其他零部件等阻擋物，那么這些阻擋物尺寸設計要盡可能緊湊，并且冷卻模塊布置要在阻擋物尾流區域之后。

2.3 中冷器芯體高度對冷卻系統的影響

在散熱器不變的情況下，對中冷器芯體高度對冷卻系統的影響進行試驗驗證。驗證結果如圖5所示，當中冷器芯體高度從832mm減至762mm時，中冷器的效率提高1.7%，進氣溫升降低1.2℃，冷卻常數降低8.7，風扇后溫升升高了6.9℃。說明在保證中冷器性能的情況下，合理減少中冷器尺寸，對冷卻模塊風阻的影響呈減小趨勢。

散熱器和中冷器有時候并非模塊化設計，兩者可能分別進行設計。這時候要避免中冷器設計采用較大的外形尺寸，雖然中冷器的散熱性能非常好，但是散熱器負荷可能會大幅增加，導致冷卻系統性能惡化。

在國內外主流重卡產品中，冷卻模塊布置大多如圖6所示，中冷器和散熱器依次串聯在一起，中冷器布置在動壓頭較高的一側，圖中風扇為吸風式風扇。

中冷器和散熱器之間的間隙t的處理不當也會影響冷卻系統的性能，若t過大，則中冷器和散熱器之間氣流可能會產生橫向流動[8]，影響整個冷卻系統通風的流暢性。所以中冷器和散熱器盡可能靠近，并且兩者之間周圍盡量密封處理。

2.4 護風罩和風扇對冷卻系統的影響

上個世紀風扇主要是開口風扇，與之匹配傳統護風罩有文杜里式、環式、箱式等形式。當前環形風扇逐漸占據主流地位，從國內外重卡來看，可以把護風罩簡單分為剛性和柔性兩種（圖7）。

考慮到發動機風扇和剛性風罩之間有相對運動，剛性風罩與發動機風扇徑向間隙t一般推薦20～25mm；而柔性風圈由于護風圈和發動機為剛性連接，護風罩和護風圈之間用柔性圈連接，護風圈和風扇之間沒有相對運動，兩者徑向間隙t可以做到5～8mm。雖然柔性風罩吸風效率較高，但是由于生產制造比較復雜，成本遠高于剛性風罩，使用較少；而剛性風罩因制造簡單，成本較低等優勢被普遍使用。

現在市場上U型嘴護風罩[9]搭配環形風扇的方式已有整車廠使用。這種方式可以有效減少氣流通過風扇后在風罩出口處的逆流和渦流情況。

通過轉轂熱平衡試驗對剛性風罩和U型嘴護風罩進行對比驗證，從測試結果（圖8）可見U型嘴護風罩相對于原來普通剛性風罩對提升冷卻系統系能有顯著作用。

U型嘴護風罩和環形風扇配合尺寸關系對性能發揮程度影響不可忽視。經轉轂測試結果顯示， 當U型嘴護風罩和環形風扇軸向和徑向間隙按照圖9所示進行控制時，較普通剛性風罩可以有效提升風扇效率10%以上。

空氣密度一定時，風扇風量Q與風扇直徑D、風扇轉速n之間存在如下的關系。

式中：K——比例系數

風扇提供的風量主要與風扇的型式、直徑、轉速、葉片形狀、葉片安裝角及葉片數目有關。針對散熱器散熱能力基本滿足使用要求的特點，考慮到盡量使用現生制造工藝，可以采用改變風扇結構和形狀方法，增大風扇的風量。

2.5 風扇前端面與散熱器芯體后端面間距

風扇安裝在發動機上，美國康明斯應用工程資料推薦風扇前端面和散熱器芯體后端面的間距為50mm～150mm, 但是由于整車布置空間限制此間距有時候設計的很小，本車原設計間距為100mm。根據散熱器芯體后端面和風扇前端面的間距與前面風速的關系（圖5）可以看出在50～150mm的范圍內此間距值越大，風扇吸風性能越好。

基于圖10曲線，將兩者間距從100mm調整至119mm。從測試結果(圖11)可以看出，這兩種不同的間距對風速的影響從發動機轉速由高到低風速隨之逐漸提高，而且在1100rpm時風速可提高75%左右。

3、總結

對于布置空間非常緊張的重卡冷卻系統來說, 整車冷卻系統匹配優化總是涉及到諸多因素，但是由于實現的難易程度，往往會忽略掉一些因素。同時又因為冷卻系統的工作環境不可預估性，理論分析往往只能輔助工作，最終還是需要通過試驗優化的方式來達到系統匹配最優。

通過上述對影響冷卻性能的以下幾個方面的分析研究，總結如下：

（1）散熱器在不加大外形尺寸的情況下，選用新技術狀態的芯體結構，如高密度管芯體、沙漏麻點管芯體等可以不同程度的提升冷卻系統性能。

（2）冷卻模塊前方阻擋。盡量減少冷卻模塊前方的阻擋，必要時可以將冷凝器從冷卻模塊前方移開，如有阻擋物則盡可能將冷卻模塊與阻擋物間距加大。

（3）中冷器尺寸問題。在冷卻模塊設計時，中冷器的尺寸在保證性能的情況下盡可能的小，以避免給散熱器帶來過多的熱負荷。

（4）使用U型嘴護風罩和環形風扇，在兩者徑向和軸向間隙尺寸配合合理的情況下，對冷卻系統性能提升有顯著地效果。

（5）風扇前端面和散熱器后端面之間的距離對風速的影響在低速時影響較大，有條件的情況下在合理范圍內，盡量加大兩者間距。

（6）本文中討論影響重卡冷卻系統性能提升的幾個方面因素通過風筒試驗臺或者整車轉轂驗證進行了大量的試驗驗證，因此文中冷卻系統性能提升的方法和結論對相關產品開發具有一定的借鑒意義，對于中、輕型卡車、輕型客車等設計開發也具有一定的參考價值。

[1] 王望予.汽車設計[M].第3版.機械工業出版社，2003：16-18.

[2] 謝開泉，胡潔敏.重型自卸車使用工況特點分析及對應選擇[J]. 裝備制造技術. 2008.(10)∶114-115.

[3] 陳剛，鄒琳，劉鴻志.重型牽引車冷卻系統水溫過熱分析與改進[J].合肥工業大學學報（自然科學版）.2007.( 30(z1))：22～25.

[4] 唐昊.重型牽引車散熱系統研究與優化[J]. 汽車實用技術.2013.(8)：63～66.

[5] 葉茂盛. 通過熱平衡試驗探討冷卻系統的設計改善[J]. 合肥工業大學學報（自然科學版）.2007.( 30(z1))：26～32.

[6] 于恩中．汽車冷卻系的設計計算方法研究[J].中國科技信息.2007. (4)：79～80.

[7] 錢金山.發動機冷卻系統開發探討[J].內燃機與配件.2013. (3)：7～8.

[8] 王兆煖.散熱器、中冷器和風扇的選型校核計算[J].柴油機設計與制造.2009.(4)∶第16卷20～31.

[9] 尚曉虎，劉鴻志.某自卸車冷卻系冷卻能力不足的優化設計[J].汽車實用技術.2014.(1)：70～74.

Heavy Truck Cooling System Performance Improvement in The Limited Space

Liu Hongzhi, Shang Xiaohu, Wang Jingxin
(Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601)

Heavy engineering truck tend to run in the bad environment, The coolant temperature is usually very higher than acceptance requirement in some large power dump truck . With heavy engineering dump truck as an example in this paper, establishing cooling system model by Flowmaster to distinguish cooling parameters. To analyze the total cooling system from the matching angle. Due to engine room less space and the limitation of the radiator to demand higher off the ground clearance, in the case of radiator dimension can't increase, in this paper, several methods about the cooling system design performance improvement were discussed and confirmed, proved that the method is feasible. Finally, the application and extension of the cooling system performance improvement methods are suggested.

heavy truck; cooling system; radiator; CAC; Performance Improvement

U464.2

A

1671-7988(2015)03--

劉鴻志，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心。