商用車高溫環境適應性研究

關鍵詞：大功率；高溫；串聯冷卻；熱平衡

0 引言

隨著國內商用車技術的持續進步，商用車出口市場正不斷擴大。大功率發動機因其經濟性和高效性，已經贏得了用戶的廣泛認可。目前，國內的商用車發動機功率已達到441 kW（600 PS）。鑒于非洲地區的使用環境溫度高達55 ℃，發動機高溫散熱性能的合理設計顯得尤為重要。即使一臺發動機具有良好的性能，若缺乏與之合理匹配的散熱系統，其性能也無法得到充分發揮，嚴重時甚至會出現發動機因高溫而“開鍋”，影響車輛的正常行駛。高溫適應性的核心在于，車輛所匹配的冷卻系統需具備足夠的散熱能力，以確保能夠帶走發動機產生的全部熱量。基于散熱能力增強的需求，主機廠在匹配過程中面臨的一大難點在于動力艙布置的有限性。如何在有限的空間內滿足散熱器面積的不斷加大，同時克服駕駛室地板通道和車架寬度的限制，成為主機廠亟待解決的問題。這些限制往往導致大功率發動機車型無法滿足高溫環境下的使用需求。因此，開發適用于高溫環境的商用車冷卻系統，以滿足高溫地區的市場需求，顯得尤為重要。

國內商用車主機廠針對大功率發動機，通過開發匹配平地板駕駛室，嘗試通過增加散熱器的寬度來擴大散熱面積。但根據GB 1589-2016 的規定（ECE 法規標準亦有相同要求），整車寬度需小于2 550 mm。這一限制，加之駕駛室地板通道以及車架寬度的約束，使得單個冷卻模塊的散熱面積也受到了限制。目前，僅能滿足最高環境溫度低于46 ℃的需求。

1 滿足高溫環境使用的冷卻系統模型設計

常規冷卻系統（ 圖1） 中，冷卻液從膨脹水箱加入，隨后在水泵的作用下，在發動機內部吸收熱量。節溫器負責調節冷卻液的循環路徑，使其進行大循環或小循環，從而實現對發動機工作溫度的調節。發動機和散熱器內殘留的空氣，會通過管路排放到膨脹水箱中，以防止發動機局部過熱[1]。

由于動力艙尺寸的限制，無法匹配大容積的散熱器。因此，當車輛配備大功率發動機后，無法滿足在50 ℃以上高溫環境下的使用需求。為了解決這一問題，本文提出了串聯散熱器模型（ 圖2），并將副散熱器柔性布置在駕駛室后部或者底盤車架兩側（ 圖3）。

串聯散熱器冷卻系統的工作原理如下：冷卻液從膨脹水箱加入，并在水泵的作用下，在發動機內吸收熱量，然后在節溫器的調節下，冷卻液進行大循環或小循環，以調節發動機的工作溫度。在大循環中，冷卻液首先流經主散熱器，隨后流向副散熱器，最后返回水泵，完成整個循環。發動機和2 個散熱器內殘留的空氣，會通過管路排放到膨脹水箱中，以防止發動機局部過熱。

之所以讓冷卻液先流經主散熱器再流向副散熱器，主要是考慮到主散熱器離發動機較近，而副散熱器離發動機較遠。這樣的設計可以減少冷卻系統管路的長度，降低管路內阻，從而提高散熱效率。

2 滿足高溫環境使用的冷卻系統的實施

某型車輛發動機功率選型確定為353 kW（480 PS），要求能在環境溫度55 ℃以上的條件下正常工作。根據前期的實驗驗證結果，即使采用最大面積的散熱器（ 芯子尺寸：高1 000 mm×寬748 mm× 厚40 mm），也只能滿足環境溫度50 ℃的使用需求。因此，必須采用串聯散熱器的冷卻系統，并將副散熱器布置在駕駛室后面、車架上方（ 圖3）。其中，主散熱器采用曲軸輸出風扇進行冷卻，而副散熱器則采用電子風扇進行冷卻。為了模塊的通用化，主散熱器和副散熱器采用了相同規格的零件。經過分析計算，該方案可以滿足環境溫度60 ℃的使用要求，從而確保在55 ℃以上的環境溫度下也能正常使用。

2.1 副散熱器風扇的選擇

在選擇副散熱器冷卻風扇時，有2 種方案：一種是液壓驅動，另一種是電驅動。綜合考慮成本和布置因素，電驅動方案（ 副水箱電驅動風扇350 W×4） 被認為是最直接和可行的。從發動機所匹配的發電機（ 一般為5.4 kW） 的功率來看，這一方案也是完全可以滿足的。

2.2 水泵的選擇

由于增加了一個副水箱，水泵的揚程能否滿足功能要求變得至關重要，因為它直接決定了冷卻系的冷卻效能。根據水泵揚程等于水路總阻力損失的原理，這些阻力損失通常是通過實驗測量或經驗得出的。在額定功率下，水泵的揚程接近30 m ；而在最大轉矩下，水泵的揚程接近16 m。通過對比數據可知，在額定功率（ 最高轉速） 時，水泵的揚程完全能夠滿足使用要求；而在最大轉矩時，水的泵揚程也剛好達到使用要求。

2.3 關注副散熱器的熱風回流問題

副散熱器布置在駕駛室后部或車架側面，由于不像駕駛室底部那樣形成空氣單向流動的動力艙，因此容易出現熱風回流現象，從而影響副散熱器的冷卻效果。為了解決這一問題，需要在副散熱器的后部設置防止熱空氣回流的導風罩。經過測試，在散熱能力滿足的情況下，加裝導風罩可以提升冷卻系統的環境適應能力2～ 5 ℃ [2]。

3 熱平衡試驗驗證

為了驗證所設計的主、副散熱器串聯冷卻系統是否與設計預期相符，以及是否能在環境溫度高達55 ℃的條件下正常工作，我們依據GB/ T 12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》的規定，決定在帶有環境艙的汽車風洞實驗室中進行試驗驗證（ 圖5）。由于道路試驗存在場地選擇困難、安全性問題以及試驗結果一致性較差等弊端，因此本試驗選擇了更為可控和安全的實驗室環境。

根據整車的實際使用情況，我們選定了多個測試點進行試驗。試驗過程中，分別按照最大轉矩點和最大功率點的工況進行了測試，并記錄了中冷進出氣溫度、中冷進出氣壓力以及主、副散熱器的進、回水溫度等關鍵數據，并在相應位置布置了壓力和溫度傳感器。

試驗在高溫試驗室內進行，當試驗室溫度達到規定的55℃時開始試驗。首先進行最大功率點（ 轉速2 100 r/min） 的測試，當發動機出水溫度達到105 ℃時，整車冷卻系統同樣達到了熱平衡狀態。

隨后對發動機最大轉矩點（ 發動機轉速1 500 r/min） 進行測試，當發動機出水溫度達到107 ℃時，整車冷卻系統達到了熱平衡。

根據在環境溫度55 ℃條件下的臺架試驗結果，計算車輛散熱系統的極限使用環境溫度（LAT）。計算公式如下：

根據發動機參數表和臺架試驗結果，經過計算，可以得出LAT 在最大功率點時為60 ℃，在最大轉矩點時為58 ℃。因此，該散熱系統可以滿足環境溫度高達58 ℃的使用需求，計算結果見表1。

通過上述分析，我們可以得出結論：所設計的車輛散熱系統完全能夠滿足環境溫度55 ℃的使用指標要求。

4 結論及建議

在當前車輛大功率化的發展趨勢下，針對在熱區使用，特別是需要在高溫55 ℃以上環境中運行的車型，在現有駕駛室動力艙及車架限制的前提下，采用串聯散熱器形式的冷卻系統被證實是切實可行的。這種總體布置設計，不僅具有柔性化和模塊化的特點，還顯著提升了整車的可靠性、維修便利性和環境適應性，同時確保了整車成本的有效控制。

在設計過程中，我們應重點關注以下幾個關鍵點：

⑴副散熱器冷卻風扇動力的選擇至關重要。當所需功率較小時，電子風扇是一個可行的選擇；而當所需功率較大時，則需要考慮使用液壓風扇（ 其動力由發動機提供）。

⑵由于系統中增加了副散熱器，我們必須對水泵的揚程進行嚴格的校核，以確保冷卻液能夠保持足夠的流速，從而滿足冷卻需求。

⑶由于副散熱器的布置位置特殊，我們還需特別關注熱風回流問題。必須采取有效的措施來防止熱風回流，以確保冷卻系統的效率。

本研究在理論分析中預測冷卻系統可以滿足60 ℃環境的使用需求，而在實際測試中，我們發現在最大轉矩點時，系統僅能滿足58 ℃環境的使用，存在2 ℃的誤差。我們初步認為，這是由于在最大轉矩點時水泵的揚程不足所導致的。由于無法選擇具有更大揚程的發動機水泵，我們計劃在后續研究中探索選用或串聯其他水泵的可能性，并對其進行進一步的分析和驗證。