专用汽车冷却总成选型设计探究

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摘要：冷却系统对专用车辆的正常工作起到非常重要作用，文中通过对一款飞机牵引车的冷却系统用散热器、中冷器、风扇等参数进行计算、选型和匹配方法研究，结合台架实测数据进行风扇总成的匹配选型，采用整车热平衡试验验证选型的可行性。对专用车辆的冷却系统选型设计起到一定的指导作用。

关键词：冷却系统；风阻-流量曲线；匹配曲线

0引言

专用车辆整车布置与传统商用车差异较大，具有空间小、散热空间相对密封等特点，专用车辆用冷却系统的匹配状态直接影响整车动力性、经济性等，合理选择中冷器、散热器和风扇总成非常重要。本文以一款飞机牵引车为例，研究冷却系统中冷器、散热器和风扇的匹配方法，通过整车热平衡试验，验证匹配方法的合理性。

1冷却系统总成选型设计

冷却系统（中冷器、散热器）的选型设计，主要是通过整车及发动机相关输入参数，计算系统选型所需的参数值（如散热量等），结合供方产品型谱进行选择。

1.1冷却系统设计参数输入

通过动力传动匹配，飞机牵引车采用康明斯QSB3.9-110-30发动机，汇总冷却系统总成设计相关输入参数，如表1、表2所示。校核冷却系统总成装配尺寸，空间尺寸为＜720mm×750mm×350mm。

1.2散热器选型

散热器选型是通过校核额定功率点和大转矩点两个工况的散热量、散热面积、冷却水循环量等参数选择，发动机冷却系统散热量Qw（kJ/s）计算公式为[1]式中：ηt为冷却系统的热量占燃料热能的百分比（取同类机型的统计量）；ge为燃油消耗率，kg/kW·h；Pe为发动机有效功率，kW；hu为燃料低热值，kJ/kg。牵引车配置的QSB3.9-110-30，最大功率点散热量QWp和大转矩点计算如下。散热量QWT为：QWp=ηtgePehu3600=0.22×19.5×4.187×104÷3600=49.9kJ/s；QWT=ηtgePehu3600=0.22×17.8×4.187×104÷3600=45.55kJ/s。式中：ηt=0.22（一般为0.18~0.25）,hu=4.187×104kJ/kg。按照经验公式，增压柴油机冷却系统散热量Qw=qPe。式中：q为0.5～0.6[2]，QW=48.6kJ/s，取值两者最大值49.9kJ/s根据热平衡方程，计算冷却水循环流量LW为LW=QWΔtrc=48÷（10×1×4.2×103）=0.00114m3/s。（2）式中：Δt为冷却水循环容许的温差，℃；r为冷却水的体积质量，kg/m3;c为水比热容，J/（kg·℃）。其中Δt=10℃（冷却水循环时容许温升），Cw=4.2×103J/kg·℃。散热器芯散热面积为S=QW/（K×Δt1）=49.9÷（0.08×42）=14.9m2。（3）式中：Δt1为液气平均温差，根据发动机的进出水温和冷却空气进出口温度差值确定；K为换热系数，一般取0.08kJ/（m2·s·℃）。结合实际应用环境（油泥、水垢等）影响因素，散热器散热面积取值为理论值的1.10~1.15倍[2]。通过理论计算，参照供方散热器型谱，选择S01102RC32F0500565A散热器，散热器参数如表3所示。

1.3中冷器选型

中冷器的选型主要参照进出口压缩空气温度、散热量和中冷器冷侧热面积等，然后按照供方中冷器的型谱定型。发动机实际所需散热量[3]:Q1=G1×CP1×（t1－t2）=0.16×1.009×100=16.14kW。（4）式中，Cp1为热空气的定压比热容，1.009×103J/（kg·℃）。冷侧空气流量为G2=Q1CP2（t4－t3）=16.14/（1.005×15）=1.07。（5）式中，Cp2为冷却介质的定压比热容，1.005×103J/（kg·℃）。散热器平均温差为Δtm=（Δtmat－Δtmin）/ln（Δtmat/Δtmin）=57.4°C。（6）式中：Δtmax=t1-t4=110℃；Δtmin=t2-t3=25℃。冷侧散热面积F为F=1000×1.2×Q1K×Δtm=3.97m2。（7）根据整车热平衡试验经验，中冷器散热能力比需要散热量Q1大15%~20%。K为中冷器结构传热系数，初选时取85W/（m2·℃）。参照供方中冷器型谱，选择Z01075CC50A0180442A中冷器，散热带散热面积为3.786m2，散热管散热面积为0.936m2，正面积为0.164m2，总面积为4.722m2，散热量为16~24kW具体结构参数如表4所示。

1.4风扇选型

牵引车散热系统布置在驾驶室后方，发动机工作散失的热量主要依靠风扇带走，选用硅油风扇具有降低发动机机械功耗的同时，对水温集聚变化响应也较好，即本文主要配置感温式硅油风扇。风扇选型设计要有3个前提条件[4]：冷却系统需要的冷却风量、冷却风道的全气路阻力、提供的风扇对应的特性曲线。冷却风扇通风量VL为VL=QWΔt2raCP。（8）式中：Δt2为散热器前后流动空气温度差，℃；ra为空气体积质量，kg/m3；Cp为空气的定压比热容，J/(kg·℃)。冷却空气需要量为VL=QWΔt2raCP=49.9÷（30×1.01×1.047）=1.6m3/s。（9）式中：Δt2=30℃（冷却空气进口/出口温度差，经验值），ra=1.01kg/m3,Cp=1.047kJ/(kg·K)。参照供方风扇型谱，选择两款硅油风扇，参数如表5所示。

1.5冷却总成与风扇匹配

风扇的选型是否合理，主要是考核风扇散热量大于中冷器和散热器等总成的风阻和散热量。中冷器和散热器等总成的风阻和散热量主要靠风洞试验获得，本文对选型后的中冷器和散热器进行试验，同时台架上设置接近整车装配环境，结合整车运行工况，测试散热器和中冷器对应的水阻和散热量参数，如表6所示，对模拟发动机运行在额定功率和大转矩点工况下，检测中冷器和散热器总成的风阻和风速曲线，如图1所示。将本文选定的两款风扇进行静压-风量测试，不同转速下风量曲线如图2和图3所示。通过MatLab绘制中冷器+散热器的风阻曲线，同时将风扇在额定工况和大转矩点工况的风量-静压对应匹配曲线对比分析,如图4和图5所示。通过对比试验曲线，在发动机工作在额定功率的工况下，在相同风阻625Pa，冷却系统所需的风量为3.4m3/s，实际环形风扇提供风量为5.5m3/s，开口风扇提供风量为6.2m3/s，两款风扇均能满足散热要求，在发动机工作在大转矩的工况下，冷却总成＞500Pa后，环形风扇提供的风量无法满足散热需求，在风阻750Pa,冷却系统需要风量为3.4m3/s，开口风扇提供风量为3.8m3/s,满足散热需求，风量超过需求值的11.8%。通过上述对比分析，采用开口硅油风扇（Z650W-11D），牵引车采用开口硅油风扇，同时从结构上开口风扇比环形风扇轴向尺寸小，满足布置空间要求，可有效缩短冷却系统轴向尺寸，更有利于其他总成布置。

2整车热平衡试验

通过理论计算和试验确定了冷却器总成，为了确保整车可靠性要求，还需要对样车进行热平衡试验。在环境温度＞30℃条件下，对牵引车散热系统进行热平衡试验，采用8×4自卸车进行负荷倒拖试验（车货总质量为45t），调整牵引车和拖车试验车运行车速稳定在5km/h，发动机分别在功率点、大转矩点附近工作，调整拖车状态，稳定车速后，水温稳定30min后开始测量，测量牵引车水温、进排气温度，评估中冷器是否满足要求，通过测量进出口压差12~15kPa，散热器温度差＜40℃，同时冷却液水温＜105℃，中冷后温度比环境温度≤35℃。通过整车热平衡试验，匹配的冷却系统总成满足要求。

3结语

本文对牵引车冷却系统进行了匹配设计，结合中冷器和散热器的风洞台架试验，合理选择了风扇。通过整机的热平衡试验，验证了选型的可行性，对后续其它专用车型设计起到了一定的指导作用。

[参考文献]

[1]贺航,郭浪,张鑫.汽车发动机冷却风扇选型方法[J].汽车工程师,2017(3):34-36.

[2]彭玉仙.3550轴距工程车散热器设计[C]//2015年第五届全国地方机械工程学会学术年会暨中国制造2025发展论坛论文集,2015.

[3]闵运东,刘治强.某大型客车中冷器设计计算[J].机械,2007(增刊1):19-20.

[4]黄海岭.某重型卡车冷却系统计算[J].汽车实用技术,2016(7):75-79.

作者:裴新才 马旭峰 马德平 单位:中国重汽集团青岛重工有限公司