汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計及匹配試驗

賴煥萍，嚴(yán) 格

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

汽車動力系統(tǒng)可靠性的好壞，與發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的好壞有著直接的關(guān)系，好的冷卻系統(tǒng)可以把發(fā)動機(jī)和傳動裝置受熱件所傳導(dǎo)出來的熱及時散發(fā)到周圍環(huán)境中去，使發(fā)動機(jī)和傳動裝置獲得可靠和有效工作的熱狀態(tài)，既不過熱，也不過冷，既有良好的動力性和經(jīng)濟(jì)性，又有良好的工作可靠性。

汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的熱傳遞部件，主要有水泵、散熱器、風(fēng)扇和導(dǎo)風(fēng)罩，調(diào)節(jié)零件是節(jié)溫器。當(dāng)車輛在溫和和較冷的環(huán)境下運行時，冷卻系統(tǒng)的調(diào)節(jié)零件把冷卻介質(zhì)的溫度控制在希望的范圍內(nèi)；當(dāng)車輛在酷熱的環(huán)境下運行時，熱傳遞部件及調(diào)節(jié)零件又使冷卻介質(zhì)維持在規(guī)定的水平以下。

汽車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計的主要步驟為：

（1）確定冷卻系統(tǒng)的性能要求；

（2）確定發(fā)動機(jī)散熱量和冷卻液流量；

（3）選擇散熱器、風(fēng)扇等冷卻系統(tǒng)部件；

（4）冷卻系統(tǒng)試驗

下面是筆者在五菱某車型冷卻系統(tǒng)的匹配設(shè)計及試驗中的一點體會。在樣車試制的初期，出現(xiàn)了發(fā)動機(jī)水溫不能滿足設(shè)計要求的情況，本文針對此問題從設(shè)計計算到整車試驗，展開了相關(guān)論證。

1 冷卻系統(tǒng)的性能要求

車輛冷卻系統(tǒng)的性能要求，是基于車輛運行的最高環(huán)境溫度和在最惡劣冷卻條件下的行駛車速而規(guī)定的，主要有如下幾點：

（1）發(fā)動機(jī)出水口溫度與環(huán)境溫度的溫差限值TTD，這是設(shè)計來防止發(fā)動機(jī)冷卻液出口溫度超過其最高冷卻液溫度限值——當(dāng)車輛在最惡劣冷卻條件下運行時，可能遇到的發(fā)動機(jī)水溫。對大多數(shù)公路車輛來說，冷卻系統(tǒng)所遇到的最惡劣的狀態(tài)，發(fā)生在車輛滿載爬長坡時，此時發(fā)動機(jī)的熱負(fù)荷最大，且車輛的行駛速度相對較慢。

（2）最小爬坡車速，主要基于車輛的總質(zhì)量和發(fā)動機(jī)功率水平，其將影響冷卻試驗的空氣流量，最小爬坡車速一般為（8～10）km/h。

（3）限制環(huán)境溫度（LAT），就是在發(fā)動機(jī)冷卻液溫度達(dá)到車輛能運行的最高環(huán)境溫度。一般車輛設(shè)定為45℃，最高環(huán)境溫度限值=LAT+TTD。

因此，在冷卻系統(tǒng)試驗中，冷卻系統(tǒng)應(yīng)能達(dá)到發(fā)動機(jī)出水口溫度與環(huán)境溫度的溫差限值TTD的能力，才能滿足設(shè)計環(huán)境的應(yīng)用要求。

2 樣車?yán)鋮s系統(tǒng)試驗問題分析

要驗證整車?yán)鋮s系統(tǒng)是否能平衡發(fā)動機(jī)的熱量，即使通過了嚴(yán)密的計算,也還須對整車的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行試驗，才能最后確定冷卻系統(tǒng)的各零部件匹配的合理性。為此我們進(jìn)行了匹配設(shè)計后樣車的冷卻系統(tǒng)的試驗驗證，但驗證的結(jié)果發(fā)現(xiàn)并不能滿足設(shè)計要求，出現(xiàn)了水溫高的問題，針對這個問題我們展開了日下分析及驗證試驗：

2.1 滿載試驗時出現(xiàn)的問題

對兩臺試驗樣車進(jìn)行了滿載路試，出現(xiàn)了如下問題：

（1）在城市工況時，如果踩剎車多，停車起步多，則會水溫高；

（2）車速超過70 km/h時，水溫高；

（3）爬山時水溫高；

（4）發(fā)動機(jī)倉過熱，熱量散發(fā)不出去，特別是發(fā)動機(jī)倉蓋板，熱得都變形了。

問題的出現(xiàn)讓我們深思，水箱的選擇是足夠大了的，散熱量比最初設(shè)計的增加了23%，散熱面積比最初設(shè)計的增加了72.8%，迎風(fēng)面積比最初設(shè)計的增加了50%，居然還會出現(xiàn)水溫高的問題。

2.2 對問題的分析

針對以上問題，我們從冷卻風(fēng)道上思考，仔細(xì)觀察整車發(fā)動機(jī)倉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置，發(fā)現(xiàn)如下問題：

（1）導(dǎo)風(fēng)罩與散熱器不匹配。最初選擇的電子扇的最大外徑太小，水箱大部分散熱面積被導(dǎo)風(fēng)罩蓋住，在整車高速行駛時，由于導(dǎo)風(fēng)罩擋住了出風(fēng)口，對自然空氣流動有嚴(yán)重的影響，這嚴(yán)重影響了高速的空氣流動，無形中減少了水箱的散熱面積，所以導(dǎo)致了高速行駛時出現(xiàn)水溫高的現(xiàn)象；

（2）水箱布置中與冷凝器重疊過多，且兩者之間的間隙小，最小處僅為2～4 mm，這也嚴(yán)重地影響了水箱的散熱面積的正常發(fā)揮，影響了冷卻效果；

（3）水箱上安裝梁與水箱距離小，僅為0～5 mm，這也減少了水箱的散熱面積；

（4）發(fā)動機(jī)倉的排風(fēng)口小，排風(fēng)口面積小于水箱的進(jìn)風(fēng)口面積，排氣背壓大，熱風(fēng)難以排出去；

（5）水箱的進(jìn)風(fēng)面積小，前保險杠上的進(jìn)風(fēng)口離水箱的正面距離太近，有的地方幾乎與散熱器的進(jìn)風(fēng)口處為0距離，這嚴(yán)重地影響了冷卻效果；

（6）發(fā)動機(jī)倉內(nèi)的冷卻通風(fēng)無導(dǎo)流，發(fā)動機(jī)后的前隔板全部為直角，而且發(fā)動機(jī)后部離前隔板距離太近，最小處距離僅為40 mm，這嚴(yán)重地影響了冷卻風(fēng)經(jīng)過發(fā)動機(jī)后流往外部，影響了各種工況的通風(fēng)散熱。

3 對不合理結(jié)構(gòu)的分析及改進(jìn)試驗

3.1 對導(dǎo)風(fēng)罩與散熱器不匹配的改進(jìn)

針對 2.2 節(jié)中（1）、（2）、（3）導(dǎo)風(fēng)罩與散熱器不匹配的問題，進(jìn)行了如下計算：

（1）水箱的正面散熱芯子的面積為181 800 mm2，原配電子扇的導(dǎo)風(fēng)罩的面積為75 468 mm2，被遮擋住的部分為106 332 mm2，占水箱的正面散熱芯子的面積的58.5%；

（2）整車布置時，水箱與冷凝器重疊了60 mm×300 mm=18 000 mm2，占水箱的正面散熱芯子的面積的9.9%；

（3）整車布置時，水箱上部約有100 mm寬的地方?jīng)]有進(jìn)風(fēng)口，面積為45 450 mm2，占水箱的正面散熱芯子的面積的25%；

綜合起來，約有80%的散熱器沒有發(fā)揮作用，發(fā)揮作用的散熱器的散熱量的值僅占總散熱量的20%，當(dāng)整車在70 km/h行駛時，散熱器的散熱量只發(fā)揮了60×20%=12 kW。

這樣看來，整車在60 km/h行駛時，就達(dá)到了熱平衡；當(dāng)車速達(dá)到70 km/h時，一定會出現(xiàn)水溫高的問題。因為滿載時，發(fā)動機(jī)散發(fā)到冷卻系統(tǒng)的散熱量為17 kW，大于冷卻系統(tǒng)的吸熱量12 kW，熱平衡不好，難怪會出現(xiàn)高速70 km/h以上車速水溫高的問題。

為了證實導(dǎo)風(fēng)罩及重疊影響散熱效果，我們將不合理的導(dǎo)風(fēng)罩拆下，只裝了適合于305風(fēng)扇直徑的小導(dǎo)風(fēng)罩，水箱及其他部位無阻擋物，另外，調(diào)整了散熱器與冷凝器的重疊部位及水箱上部的0距離的橫梁，做了如下試驗，如表1所列。

表1 導(dǎo)風(fēng)罩與散熱器改進(jìn)試驗數(shù)據(jù)表

3.2 對發(fā)動機(jī)倉排風(fēng)口小的改進(jìn)

針對2.2中問題（4），經(jīng)計算，原設(shè)計發(fā)動機(jī)倉水箱側(cè)的通風(fēng)口的面積約為

34 960+45 000=79 960 mm2＜1 818 000 mm2（散熱器正面面積）。

所以造成熱風(fēng)出不去，必然會出現(xiàn)水溫高的現(xiàn)象；后將側(cè)板缺口開大，使出風(fēng)口面積為

34 960+170 100=205 060 mm2

試驗水溫有明顯的改善，試驗結(jié)果見表2。

表2 發(fā)動機(jī)倉排風(fēng)口改進(jìn)試驗結(jié)果表（單位：℃）

從表2可以看出，裝邊板和不裝邊板或裝半邊板的的水箱出風(fēng)口的溫度，差別很大，從62℃提高到了76℃，而且裝邊板的出風(fēng)口溫度一直維持在76℃不變，這說明了熱風(fēng)排不出去。水溫在高速及爬山時也不好，長期處于104～105℃（空調(diào)停止工作）范圍內(nèi)，通風(fēng)系統(tǒng)須要改進(jìn)。

試驗中發(fā)現(xiàn)，在原小電子扇外形的基礎(chǔ)上，加大電子扇功率及流量，效果不明顯，拆了邊板，雖然空氣流動好了些，但冷卻效果不明顯，水溫仍高，這是由于進(jìn)風(fēng)口的面積太小及電子扇的外徑和導(dǎo)風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)不匹配導(dǎo)致的。

說明了發(fā)動機(jī)倉的通風(fēng)口的面積的設(shè)計，對冷卻效果是有很大關(guān)系的。

3.3 對水箱進(jìn)風(fēng)口面積小的改進(jìn)

針對2.2中問題（5）水箱的進(jìn)風(fēng)口面積小的問題，經(jīng)計算，原設(shè)計中水箱前的進(jìn)風(fēng)口面積為33 929 mm2，占散熱器正面面積的18.6%。

汽車設(shè)計中明確規(guī)定，在車身設(shè)計時，應(yīng)盡量減少散熱器前的障礙物，一般散熱器的進(jìn)風(fēng)口的面積應(yīng)盡可能等于散熱器的正面面積，如果條件不允許，其有效進(jìn)風(fēng)面積應(yīng)大于60%的散熱器的芯部正面積，否則散熱器的功能就得不到發(fā)揮。經(jīng)計算，整車的進(jìn)風(fēng)口面積僅為18.6%，難怪整車在高速及爬坡時會出現(xiàn)水溫高的問題。

冷卻系統(tǒng)需要從風(fēng)扇處獲得的空氣流量值，取決于車輛行駛時冷卻系統(tǒng)可以獲得多少自然空氣流量。大多數(shù)高速公路車輛，均為前置式冷卻系統(tǒng)，能夠獲得足夠的自然空氣流，發(fā)動機(jī)工作時間的90%或更多的時間，均不需要風(fēng)扇工作。由于水箱為前置式，要想辦法充分利用迎面風(fēng)。

針對此問題，我們在整車的前保險杠上開了12個直徑為20 mm的進(jìn)風(fēng)口，水箱正面進(jìn)風(fēng)面積增加了6×3.14×10×10=1 885 mm2，并將散熱器與冷凝器重疊的地方移開，將水箱前上部的橫梁移開，使水箱有了一個稍好一點的進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)面積提高到了20%。

通過試驗，驗證了此舉效果很明顯，水溫降低了5℃，最高車速提高了10km/h，詳細(xì)試驗結(jié)果見表3。

表3 水箱進(jìn)風(fēng)口面積的改進(jìn)試驗結(jié)果表

從表3可以看出，當(dāng)車速達(dá)到90 km/h時，如果不開孔，發(fā)動機(jī)倉的溫度大于水箱出風(fēng)口的溫度，說明了發(fā)動機(jī)倉的空氣流動已形成了渦流。

以上試驗結(jié)果給了車身設(shè)計一個提示：水箱的進(jìn)風(fēng)面積，是對冷卻效果有至關(guān)重要作用的。經(jīng)與車身設(shè)計部門商量，在前保險杠上除開孔外，再加一大進(jìn)風(fēng)口，并將風(fēng)導(dǎo)向水箱上部，進(jìn)風(fēng)面積增加了49 360/2=24 680 mm2，這樣水箱的正面進(jìn)風(fēng)面積達(dá)到了33%，同時為最終設(shè)計的水箱選擇了匹配的電子扇及導(dǎo)風(fēng)罩，電子扇的功率為216 W，風(fēng)扇的直徑增加到Φ 370 mm，風(fēng)扇掃過的面積為107 521 mm2，占水箱正面面積的59%，導(dǎo)風(fēng)罩為匹配的導(dǎo)風(fēng)罩，這樣試驗的結(jié)果見表4至表8。

（1）開空調(diào)、城市工況（見表4）。

表4 開空調(diào)、城市工況試驗結(jié)果表

調(diào)整測量溫度點的試驗情況（見表5）。

表5 調(diào)整測量溫度點的試驗情況表

（2）關(guān)空調(diào)、高速工況的試驗情況（見表6）。

表6 關(guān)空調(diào)、高速工況試驗情況表

（3）開空調(diào)、高速工況的試驗情況（見表7）。

表7 開空調(diào)、高速工況的試驗情況表

（4）爬山工況的試驗情況（見表8）。

表8 爬山工況的試驗情況表

從本節(jié)（1）、（2）、（3）、（4）的試驗數(shù)據(jù)看，所匹配的電子扇、導(dǎo)風(fēng)罩及前保險杠開的進(jìn)風(fēng)口，是基本滿足整車?yán)鋮s系統(tǒng)的要求的。整車在低速及一般路面行駛時水溫正常，發(fā)動機(jī)倉的空氣流動在車速小于100 km/h是正常的。當(dāng)車速達(dá)到100 km/h時，發(fā)動機(jī)倉內(nèi)的空氣流動有渦流出現(xiàn)，因為當(dāng)車速上到100 km/h時，仍出現(xiàn)發(fā)動機(jī)倉的溫度大于水箱出風(fēng)口的溫度，所以導(dǎo)致在120 km/h時，水溫還往上升的結(jié)果。這與氣流速度越高、風(fēng)阻越大的理論是相符的。發(fā)動機(jī)倉的通風(fēng)效果還有待改進(jìn)，特別是由于風(fēng)扇出風(fēng)口無空氣導(dǎo)流道，高速時使冷卻風(fēng)無法排出，排氣背壓大。

從整車的布置結(jié)構(gòu)看，由于發(fā)動機(jī)后部離前隔板太近，且出風(fēng)口處是直角轉(zhuǎn)角，無通風(fēng)導(dǎo)流的設(shè)計，所以導(dǎo)致冷卻風(fēng)無法從后部通暢的排出，容易形成排氣背壓。

4 經(jīng)驗總結(jié)

從上面的設(shè)計計算及試驗分析，可以總結(jié)出如下經(jīng)驗：

4.1 冷卻系統(tǒng)的計算

匹配冷卻系統(tǒng)對于高速車應(yīng)以最大功率點為設(shè)計計算點，然后以最大扭矩工況點進(jìn)行校驗，確保冷卻系統(tǒng)的吸熱量大于或等于發(fā)動機(jī)傳給冷卻系統(tǒng)的熱量，但最后的結(jié)果均須用試驗來驗證；

對于不同的車型，計算時須根據(jù)發(fā)動機(jī)的負(fù)荷系數(shù)來選擇水箱及電子扇，α0應(yīng)根據(jù)發(fā)動機(jī)的負(fù)荷系數(shù)來定，負(fù)荷系數(shù)大則取大些，小則取小些；對于我們城市公交車，應(yīng)該以重負(fù)荷率為設(shè)計計算的基礎(chǔ)。

風(fēng)扇掃過的面積及電子扇的導(dǎo)風(fēng)罩的面積，最好能達(dá)到水箱正面面積的45%～60%，只有這樣，才能充分發(fā)揮水箱、風(fēng)扇的作用。

4.2 冷卻系統(tǒng)對整車其他系統(tǒng)的要求

（1）為了改善空氣流動阻力，應(yīng)減少空氣流動阻力，進(jìn)風(fēng)口的面積大小與冷卻系統(tǒng)的性能有很大關(guān)系，要充分利用，否則將無法發(fā)揮水箱的散熱功能。所以車身設(shè)計時，應(yīng)盡量減少散熱器前的障礙物，一般散熱器的進(jìn)風(fēng)口的面積，應(yīng)盡可能等于散熱器的正面面積，如果條件不允許，其有效進(jìn)風(fēng)面積應(yīng)大于60%的散熱器的芯部正面積，否則散熱器的性能就得不到發(fā)揮，還需加大散熱器的面積及電子扇的功率。

（2）排風(fēng)口須考慮降低排風(fēng)的背壓，排風(fēng)口一定要大于進(jìn)風(fēng)口，避免形成空氣渦流。為了減少風(fēng)扇后的排風(fēng)背壓，要加大發(fā)動機(jī)機(jī)艙中的排風(fēng)通道和排風(fēng)口面積，并組織氣流通暢排出。由于冷空氣進(jìn)入機(jī)艙后溫度上升，體積膨脹，故排風(fēng)口總面積應(yīng)大于風(fēng)扇葉片掃過的面積，排風(fēng)口應(yīng)向后或向下，以免增大車外噪音。

（3）風(fēng)扇距任何部件的距離，應(yīng)大于20 mm，以降低葉片的振動或噪音。

（4）從發(fā)動機(jī)出水口到散熱器進(jìn)水口軟管的直徑，必須大于發(fā)動機(jī)出水口的直徑，從散熱器來的軟管直徑，必須小于發(fā)動機(jī)冷卻水進(jìn)水口直徑。

（5）冷卻風(fēng)道最好加導(dǎo)流板。

5 結(jié)束語

總之，整車?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計計算，應(yīng)與計算機(jī)仿真和熱態(tài)模擬試驗相結(jié)合為方向，輔以必要的野外實車試驗，只有這樣，才能準(zhǔn)確可靠地匹配好車輛的冷卻系統(tǒng)。

[1]姚仲鵬，王新國.車輛冷卻傳熱[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.