某重型卡車冷卻系統(tǒng)計算

黃海嶺

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某重型卡車冷卻系統(tǒng)計算

黃海嶺

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介紹了某型卡車水冷冷卻系統(tǒng)結構，該系統(tǒng)為獨立式冷卻系統(tǒng)，匹配液力變矩器，并且采用溫控-液驅風扇；并對此類型的冷卻系統(tǒng)的匹配計算做理論說明和驗證。

冷卻系統(tǒng)；計算方法；許用環(huán)境溫度

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-75-05

引言

冷卻系統(tǒng)是保證發(fā)動機在最適宜的工作溫度下工作，不會出現(xiàn)過冷或過熱的現(xiàn)象，一般在90度左右，過冷時發(fā)動機內部的潤滑油粘度大，摩擦消耗的功率多，過熱時會破壞潤滑油的形成的潤滑層，加速零部件磨損，影響使用壽命。

隨著汽車冷卻系統(tǒng)試驗數據庫的不斷積累和完善，冷卻系統(tǒng)從現(xiàn)有的零部件進行匹配選型計算，以縮短開發(fā)周期。

1、系統(tǒng)設計原理

1.1 冷卻系統(tǒng)原理如圖1。

1.2 全流式冷卻系統(tǒng)

匹配液力變矩器或液力緩速器的車輛，需要對變速箱或緩速器的液壓油進行冷卻，通常需要發(fā)動機的冷卻水全部流過油冷換熱器。該方案將變速箱油冷卻器串聯(lián)進發(fā)動機的小循環(huán)內，發(fā)動機冷卻水流經發(fā)動機水套后全部進入變速箱油卻器，再進入調溫器室，調溫器根據水溫調節(jié)大小循環(huán)的比例。這樣就實現(xiàn)了全流式的變速箱冷卻。

圖1 冷卻系統(tǒng)原理圖

1.3 溫控-液驅冷卻風扇

1.3.1 簡述

溫控-液驅風扇冷卻系統(tǒng)與風扇的傳統(tǒng)機械驅動方式相比，安裝位置靈活，調速簡單，工作可靠，功率利用率高，而且風扇轉速與發(fā)動機轉速無關，系統(tǒng)可以在任一發(fā)動機轉速下根據發(fā)動機冷卻水液壓油的溫度自動調節(jié)風扇的轉速，以使發(fā)動機在最佳溫度下工作，使整個動力傳動系統(tǒng)具有更高的效率。

圖2 冷卻系統(tǒng)水路原理圖

圖3 冷卻系統(tǒng)水路連接示意圖

1.3.2 系統(tǒng)方案

如圖3所示，該冷卻系統(tǒng)風扇為獨立式溫控液壓驅動，水冷風扇和中冷風扇分別有各自換熱器專用的液壓馬達及風扇，滿足了各換熱器各自的散熱特性要求，二者不再相互影響。其中冷卻風扇（水冷）-6為執(zhí)行元件之一，該液壓回路液壓泵-2為負載反饋式變量泵，其由汽車變速箱取力器獲得動力，發(fā)動機ECU采集的水溫信號通過CAN總線傳送給液壓系統(tǒng)控制器，輸出的電信號控制電液-比例電磁閥Y81A的開度，實現(xiàn)流量輸出的變化，使風扇轉速根據發(fā)動機水溫無級調整。

圖4 液壓系統(tǒng)原理圖

2、計算說明

2.1 散熱器性能參數估算

2.1.1 計算依據

散熱器的設計注重的是散熱器參數與冷卻系統(tǒng)總體的匹配，設計時，除了冷卻系統(tǒng)對散熱器設計要求（設計輸入）都已確定外，還要求有可供選用的散熱器傳熱與阻力曲線。

散熱器選型設計要求包括以下內容：

（1）發(fā)動機相關參數：主要有標定點（功率點、扭矩點）燃油消耗散熱量、水泵參數等；

（2）液力變矩器散熱量參數；

（3）設計指標要求（許用環(huán)境溫度），本車型按46℃；

（4）風扇風量-轉速參數；

2.1.2 計算過程

1）冷卻系統(tǒng)需求散熱量計算

a.發(fā)動機需求散熱量

表1

b.液力變矩器需求散熱量

表2

c.冷卻水流量計算

表3

發(fā)動機水泵水流量：

表4

從水流量計算結果可以看到，功率點及扭矩點工況下需求的水流量與發(fā)動機提供的水泵參數比較，均可以滿足要求。

d.冷卻空氣流量計算

表5

e.散熱面積計算及正面積計算

表6

從計算結果可以看出，正面積/發(fā)動機功率=0.0029m2/kW,散熱面積/發(fā)動機功率=0.20m2/kW。

現(xiàn)有散熱器散熱面積計算及正面積的計算。

表7

從計算結果看出，標桿車散熱器的散熱面積可基本滿足設計要求，正面積不滿足，限于空間限制無法增大正面積。

2.2 冷卻系統(tǒng)性能校核

2.2.1 風扇選型校核計算

（1）確定冷卻系統(tǒng)所需風量（這里以功率點作為計算工作點）；

從上面的計算中可知，功率點需求風量為8.26m3/s （495600L/min）。

（2）冷卻風道的全氣路阻力曲線（即風扇所需提供的靜壓頭）

對于冷卻風道的全阻力曲線，此處以散熱器的風阻-風流量曲線來進行估算，忽略風道的影響。

表8 散熱器風阻-風流量數據

（3）選用704環(huán)形風扇特性曲線（2400r/min轉速下的壓力與流量的關系）。

表9 風流量-風阻曲線

表10 2400r/min條件下風扇風量-靜壓曲線

將表9和表10數據曲線擬合后，兩曲線交點，即為功率點條件下風量-風阻值，其值為（7.16,1.13），即功率點風量為7.16m3/s、靜壓為1.13kPa，即實際風量低于設計值，以系統(tǒng)冷卻能力為準。

2.2.2 散熱器能力校核

（1）散熱器水阻

表11 散熱器水阻-水流量數據

（2）水泵在3920r/min時的試驗數據（功率點）

水泵水阻-水流量數據

表12

根據發(fā)動機標定功率點水流量值為500L/min，即散熱器功率點條件下水流量-水阻為（500,19.185），即功率點水阻值為19.185kPa＜50kPa，滿足要求。

（3）散熱能力校核

散熱器的散熱量計算公式如下：

由散熱器性能試驗數據換算后代入常量，根據公式2列出K值計算表：

表13

由此可得到在4m/s、6m/s、8m/s風速下的風速-K值曲線：

圖5

那么，功率點風量為7.16m3/s工況下，對應的風扇風速為10.97m/s時，水流量-K值表如下：

表14

作出水流量-K值曲線圖，在曲線上找到功率點500L/min的流量時的K值。

由表可知，功率點K值為166.38W/(m2.℃)。

表15

所以散熱器散熱量為：

=351340.6293W＞248.83462×1.3=323.485kW

同理，可得到扭矩點的相關參數如下：

表16

所以散熱器散熱量為：

=328304.3987W＞228.90164×1.3=297.572132kW

該冷卻系統(tǒng)匹配的散熱器散熱能力可以滿足散熱要求。

2.2.3 冷卻系統(tǒng)能力校核（極限許用環(huán)境溫度）

由散熱器的散熱公式：

其中， tw1＝105℃，當Qw為功率點散熱量時，即Qw=323.485kW，計算得到ta1=105-55.24=49.76℃，大于軍標要求的46℃值，滿足設計要求；

當Qw為扭矩點散熱量時，即Qw=297.572132kW，計算得到ta1=105-54.38=50.62℃，大于軍標要求的46℃值，滿足設計要求。

2.2.4 計算結論

（1）該理論計算忽略了冷卻系統(tǒng)風道阻力及水循環(huán)水路阻力，實際的風扇靜壓和水阻要大于計算值，可根據實際阻力值修正阻力參數；

（2）通過計算，該冷卻系統(tǒng)功率點許用環(huán)境溫度為49.76℃，扭矩點為50.62℃，均可滿足指標要求；

（3）散熱器的散熱面積可滿足設計要求，正面積不滿足，限于空間限制無法增大正面積，建議可增加芯后，增大散熱面積。

3、結論

本文闡述了一種獨立式溫控-液驅冷卻系統(tǒng)的技術路線及計算驗證方法。溫控-液驅風扇控制系統(tǒng)布置靈活、控制精確，在冷卻系統(tǒng)的應用上具有廣闊的前景，本文論述的冷卻系統(tǒng)計算方法是基于現(xiàn)有散熱元件的一種逆向計算手段，對于冷卻系統(tǒng)的方案設計具有指導意義。

[1] 汽車工程手冊編輯委員會.汽車工程手冊：設計篇[M].北京：人民交通出版社，2001:181-191.

[2] 王益群,高殿榮. 液壓工程師技術手冊. 機械工業(yè)出版社, 2010.

[3] 姚仲鵬,王新國. 車輛冷卻傳熱.北京:北京理工大學出版社,2001.

A heavy truck cooling system calculation

Huang Hailing
( Anhui Jianghuai automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This article describes a certain type of truck cooling water cooling system structure, the system is independent cooling system, matching torque converter, and using temperature - hydraulic fan drive; and this type of match do Cooling System theoretical description and verification.

cooling system; calculation method; the allowable ambient temperature

U467.3

A

1671-7988(2016)07-75-05

黃海嶺，就職于安徽江淮汽車股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.024