天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)校核

李恩光，黃娜

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

測(cè)試試驗(yàn)

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)校核

李恩光，黃娜

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的作用是使發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度在所有工況下均保持在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。冷卻系統(tǒng)不僅要防止發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，也要防止發(fā)動(dòng)機(jī)過冷。本文主要是對(duì)某重卡車型的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了校核計(jì)算，為整個(gè)車型的匹配計(jì)算提供數(shù)據(jù)支持。

散熱器；散熱量；散熱表面積；燃料消耗率；低熱值

CLC NO.: U464.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-96-03

前言

在我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的過程中，重型卡車已經(jīng)成為工程建設(shè)、物流運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，而大部分車型都會(huì)長期處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)高溫現(xiàn)象頻出不窮，這樣就對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求，本文從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，通過系統(tǒng)計(jì)算校核，保證發(fā)動(dòng)機(jī)匹配合理，從根源上消除發(fā)動(dòng)機(jī)高溫等問題。

1、車型信息及系統(tǒng)計(jì)算

該車型為一款半掛牽引車，匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)為380馬力天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，型號(hào)為WP12NG380。在冷卻系統(tǒng)計(jì)算過程中，選用散熱器、風(fēng)扇必須確定冷卻系統(tǒng)應(yīng)該散走的熱量[1]，但由于它受很多復(fù)雜因素的影響，很難精確計(jì)算，在初步設(shè)計(jì)時(shí)按下式估算：

式中：

QW——冷卻系統(tǒng)的散熱量，kJ/s；

A——傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比，A=0.18～0.25，取A=0.20；

ge——內(nèi)燃機(jī)燃料消耗率，kg/kW.h；

Ne——內(nèi)燃機(jī)功率，kW；

hn——燃料低熱值，可近似取hn=50586 kJ/kg；(天燃?xì)?

WP12NG380發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)及散熱量QW，見表1。

表1

2、散熱器的選擇

① 散熱器的散熱量等于冷卻系統(tǒng)的散熱量QW，冷卻空氣量Va等

于流過散熱器的空氣量[2]，其計(jì)算公式如下：

式中：

Va——冷卻空氣理論需要量，m3/s；

Δta——空氣進(jìn)入散熱器以前與通過散熱器以后的溫度差，°C，取Δta＝25°C；

γa——空氣的重度，γa=1.01 kg/m3；

CP——空氣定壓比熱，Cp=1.047 kJ/kg·°C。

② 根據(jù)冷卻空氣量Va，計(jì)算散熱器的正面積：

式中：

FR——散熱器的理論正面積，m2；

νa—散熱器正面前的空氣流速，νa=8m/s～10m/s，取νa＝9m/s。

③ 散熱器的散熱表面積：

式中：

F——散熱器的理論散熱表面積，m2；

KR——傳熱系數(shù)，KR=0.069 kJ/ m2·s·°C～0.117kJ/ m2·s·°C，取KR＝0.099 kJ/ m2·s·°C；

Δt——散熱器中冷卻液和冷卻空氣的平均溫差，°C，取Δt＝40°C。

計(jì)算結(jié)果，見表2。

表2

④ 選用的散熱器參數(shù)見表3

表3

3、風(fēng)扇的選擇

①風(fēng)扇的扇風(fēng)量應(yīng)該等于散熱器的冷卻空氣量Va，而冷卻空氣量Va又由散熱器的散熱量決定[3]。所以，扇風(fēng)量可由公式（3） 得：

②計(jì)算風(fēng)扇的壓力

式中：

ΔPR—散熱器的阻力，ΔPR＝100～500Pa，取ΔPR＝500Pa；

ΔP1—除散熱器以外的所有空氣通道的阻力，ΔP1= (0.4～1.1) ΔPR, 取ΔP1＝1.0ΔPR

將相關(guān)參數(shù)代入式（7)得：

所以p=ΔPR+ΔP1＝1000Pa。

③計(jì)算風(fēng)扇的外徑D2

風(fēng)扇輪葉掃過的環(huán)面積等于散熱器芯部正面積的45%～60%,風(fēng)扇葉輪內(nèi)徑與外徑之比通常取D1/D2＝0.28～0.36。

將相關(guān)參數(shù)代入式（8)得：

④計(jì)算風(fēng)扇外徑D2處的圓周速度

式中：

n—發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min)，取n=2200 r/min；

i—風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)速比，取i=1.26。

將相關(guān)參數(shù)代入式（9)得：

U2=72.1m/s～98.2m/s

⑤計(jì)算風(fēng)扇的消耗功率

式中：

η—風(fēng)扇的總效率，η＝0.3～0.5，取η=0.5。將相關(guān)參數(shù)代入式（10)得：

根據(jù)本車的實(shí)際情況，考慮到風(fēng)扇在安裝時(shí)的位置及增大扇風(fēng)量，風(fēng)扇外徑掃過的環(huán)行面積占散熱器芯子正面面積的45%～60%，采用直徑定為670mm的吸風(fēng)風(fēng)扇。

風(fēng)扇的參數(shù)見表4。

表4

4、結(jié)論

通過上述分析計(jì)算可以看出，該車型所選用的散熱器、風(fēng)扇能夠滿足380馬力天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)（WP12NG380）在各種環(huán)境及工況下對(duì)冷卻量的需求。

[1] 余志生.汽車?yán)碚?機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì).清華大學(xué)出版社，2001.

[3] 郭新民.自控電動(dòng)冷卻風(fēng)扇在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用.內(nèi)燃機(jī)工程，1993(1 )：79-82.

表4 仿真計(jì)算數(shù)據(jù)

綜合以上分析得出，上述所匹配的三款動(dòng)力總成

表5 柴油車輛第二階段油耗限值NEDC 綜合油耗均滿足GB 20997－2007《輕型商用車輛燃料消耗量限值》；與標(biāo)桿車試驗(yàn)值相比，三款動(dòng)力總成中的動(dòng)力性基本能達(dá)到標(biāo)桿車水平，最高檔等速油耗優(yōu)于標(biāo)桿車，但NEDC 綜合油耗均差于標(biāo)桿車；為了達(dá)到標(biāo)桿綜合油耗目標(biāo)，建議要嚴(yán)格控制整車重量和滑行阻力，同時(shí)優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)怠速油耗和燃油消耗率。

表5 柴油車輛第二階段油耗限值

3.3 成本和重量

根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比，動(dòng)力總成成本高低順序分別為2.8L+ 6MT＜2.0CTI+6MT＜2.7CTI+6MT；而動(dòng)力總成重量大小順序分別為2.0CTI+6MT＜2.8L+6MT＜2.7CTI+6MT。

建議：中低端市場(chǎng)以成本為主，可匹配2.8L+6MT；高端市場(chǎng)以動(dòng)力性與排放為主，可匹配2.7 CTI+6MT，但同時(shí)要考慮前懸加長方案可行。

4、結(jié)論

通過以上綜合分析，建議該載貨汽車優(yōu)先匹配2.8L+ 6MT動(dòng)力總成，在正向數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)時(shí)同時(shí)考慮發(fā)艙能布置其它兩款發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性，做好發(fā)艙通用化設(shè)計(jì)工作。匹配2.8L+6MT動(dòng)力總成，若偏向經(jīng)濟(jì)性，建議后橋主減速比可選擇3.273。

本文介紹了某整車動(dòng)力匹配設(shè)計(jì)分析研究的思路，同時(shí)利用某軟件建立了整車仿真模型，可匹配不同動(dòng)力總車以及后橋主減速比等進(jìn)行整車性能計(jì)算分析研究，能很好地指導(dǎo)某款車型平臺(tái)化開發(fā)，同時(shí)為后續(xù)變型產(chǎn)品開發(fā)節(jié)約了成本和縮短了研發(fā)周期等。

參考文獻(xiàn)

[1] 余志生《汽車?yán)碚摗窓C(jī)械工業(yè)出版社2000.

[2] 林學(xué)東《汽車動(dòng)力匹配技術(shù)》中國水利水電出版社2010.1.

[3] GB 20997－2007 《輕型商用車輛燃料消耗量限值》.

Calculation of cooling system of natural gas engine

Li Enguang, Huang Na
（Shaanxi Heavy Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200）

The engine cooling system is the role of the engine temperature at all operating conditions were maintained in the proper range.Cooling system should not only prevent engine overheating, but also to prevent a cold engine.This paper is mainly the engine cooling system of a certain truck models are calculated and checked, For the calculation of matching models provide data support.

Radiator; Heat dissipating capacity; The radiating surface area; Fuel consumption rate; Low calorific value

U464.9

A

1671-7988(2015)01-96-03

李恩光，就職于陜西重型汽車有限公司。