非公路礦用自卸車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配研究

張 超 謝鳳群 王志行

（徐州徐工礦山機(jī)械有限公司，江蘇徐州221000）

0 引言

冷卻系統(tǒng)作為車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)的重要分系統(tǒng)，其功能是將受熱件傳導(dǎo)出來(lái)的熱量，及時(shí)散發(fā)到周?chē)h(huán)境中去，使發(fā)動(dòng)機(jī)在所有工況下都保持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)。良好的冷卻系統(tǒng)既要防止發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，也要防止冬季發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)冷。此外，在冷態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)起機(jī)之后，冷卻系統(tǒng)還要保證發(fā)動(dòng)機(jī)迅速升溫，盡快達(dá)到正常的工作溫度[1]。

礦用自卸車(chē)因使用工況極其惡劣，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的要求也更加苛刻：多塵環(huán)境下，有足夠的散熱能力；高溫、高寒和高海拔地區(qū)等特殊工況下，冷卻系統(tǒng)仍能正常工作[2]。因此，冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞對(duì)車(chē)輛的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性尤為重要。本文以某大型非公路礦用自卸車(chē)為例，對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了匹配計(jì)算。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)原理

非公路礦用自卸車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)一般為強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng)，由發(fā)動(dòng)機(jī)水套、水泵、節(jié)溫器、低溫散熱器、高溫散熱器、膨脹水箱、風(fēng)扇、冷卻管道等組成，如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成

如圖2所示，礦用發(fā)動(dòng)機(jī)多采用雙泵雙循環(huán)水冷系統(tǒng)。

高溫循環(huán)水冷系統(tǒng)中，冷卻水通過(guò)高溫水泵流經(jīng)機(jī)油冷卻器、發(fā)動(dòng)機(jī)缸套，將發(fā)動(dòng)機(jī)缸套的發(fā)熱量帶出，在經(jīng)過(guò)高溫節(jié)溫器時(shí)，當(dāng)水溫低于節(jié)溫器開(kāi)啟溫度，回到高溫水泵；當(dāng)水溫大于節(jié)溫器開(kāi)啟溫度，流經(jīng)高溫散熱器后，回到高溫水泵。

低溫循環(huán)水冷系統(tǒng)中，冷卻水通過(guò)低溫水泵流經(jīng)中冷器，將中冷器的發(fā)熱量帶出，在經(jīng)過(guò)節(jié)溫器時(shí)，當(dāng)水溫低于低溫節(jié)溫器開(kāi)啟溫度，回到低溫水泵；當(dāng)水溫大于低溫節(jié)溫器開(kāi)啟溫度，流經(jīng)低溫散熱器后，回到低溫水泵。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)循環(huán)示意圖

冷卻水將發(fā)動(dòng)機(jī)缸套和中冷器的發(fā)熱量帶出，在散熱器芯體內(nèi)部流動(dòng)后，和流過(guò)散熱器芯體外的冷空氣進(jìn)行熱交換。當(dāng)風(fēng)扇控制器控制的風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，散熱器的散熱能力增強(qiáng)，加速了冷卻水的冷卻。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配計(jì)算

車(chē)輛冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟[3]：（1）確定發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓系統(tǒng)等的散熱量；（2）確定所需冷卻水的流量；（3）確定風(fēng)扇風(fēng)量、轉(zhuǎn)速、直徑等數(shù)據(jù)；（4）確定高溫散熱器、低溫散熱器的散熱面積和芯體尺寸；（5）對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行匹配計(jì)算，確定冷卻系統(tǒng)工作點(diǎn)。最后，經(jīng)過(guò)比較對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。大型礦用自卸車(chē)的運(yùn)行工況以礦區(qū)的山路為主，道路條件較差，坡路多，另外車(chē)輛本身處于重載甚至超載的情況也很普遍，所以應(yīng)適當(dāng)增大安全系數(shù)，以保證車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)能夠長(zhǎng)期正常運(yùn)行。

2.1 基本參數(shù)

本文所設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)需滿足45℃高溫環(huán)境要求，只針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的散熱量進(jìn)行匹配研究，具體發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 某礦用發(fā)動(dòng)機(jī)HTC基本參數(shù)

2.2 冷卻空氣的體積流量

冷卻空氣的流量，即冷卻風(fēng)扇的供風(fēng)量qv，a，根據(jù)冷卻系統(tǒng)應(yīng)散發(fā)出去的熱量Qw，由熱平衡方程進(jìn)行計(jì)算[4]：

表2 某礦用發(fā)動(dòng)機(jī)LTC基本參數(shù)

式中，Qw為冷卻系統(tǒng)需帶走的熱量（kJ/h），為發(fā)動(dòng)機(jī)缸套冷卻液散熱量Qw1和中冷器冷卻液散熱量Qw2之和；Δta為冷卻空氣進(jìn)、出水散熱器的溫升，通常為20～30℃，取25℃；ρa(bǔ)為空氣的密度，45℃環(huán)境溫度下取1.11 kg/m3；cp，a為空氣定壓比熱容，可近似取1.005 kJ/（kg·℃）。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入，求得qv，a=48.4 m3/s，考慮到風(fēng)扇效率和損失，取儲(chǔ)備系數(shù)1.1，故實(shí)際冷卻空氣的流量為53.24 m3/s。

2.3 冷卻風(fēng)扇參數(shù)確定

礦用自卸車(chē)風(fēng)扇多采用發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，首先，依據(jù)整車(chē)布置及發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇中心高度參數(shù)等，確定風(fēng)扇傳動(dòng)比，確定額定轉(zhuǎn)速下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；其次，依據(jù)散熱器芯體的正面面積，確定直徑大?。蛔詈?，依據(jù)冷卻空氣流量和冷卻系風(fēng)道系統(tǒng)阻力確定風(fēng)扇靜壓和風(fēng)扇風(fēng)量，如圖3所示。

圖3 風(fēng)扇靜壓曲線

2.4 散熱器散熱面積的計(jì)算

散熱器作為整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的核心單元，其設(shè)計(jì)主要包括散熱面積計(jì)算、散熱器芯體、水室設(shè)計(jì)、膨脹水箱、導(dǎo)風(fēng)罩設(shè)計(jì)等。本文只介紹散熱面積計(jì)算。礦用自卸車(chē)散熱器芯體包括低溫散熱器芯體和高溫散熱器芯體，前后布置。實(shí)際計(jì)算中，忽略上、中、下水室的影響，只計(jì)算高溫芯體的散熱面積Sw1和低溫芯體的散熱面積Sw2。

式中，φw為儲(chǔ)備系數(shù)，一般取1.1；Kw為傳熱系數(shù)[W/（m2·K）]，可由公式（3）計(jì)算；Δtm為熱換介質(zhì)算數(shù)平均溫差（℃），可由公式（4）計(jì)算。

式中，αw為冷卻水的對(duì)流熱換系數(shù)[W/（m2·K）]；δ為材料厚度（m）；λ為材料熱導(dǎo)率[W/（m2·K）]；αk為空氣的對(duì)流熱換系數(shù)[W/（m2·K）]。

式中，tw1為散熱器進(jìn)水溫度（℃）；tw2為散熱器出水溫度（℃）；tk1為空氣進(jìn)入散熱器溫度（℃）；tk2為空氣流出散熱器溫度（℃）。

將相關(guān)參數(shù)代入公式（2）、（3）、（4），得出Sw1和Sw2。

3 熱平衡試驗(yàn)與結(jié)果

對(duì)搭載某發(fā)動(dòng)機(jī)的礦用自卸車(chē)進(jìn)行熱平衡負(fù)載試驗(yàn)，試驗(yàn)按照下列方案實(shí)施：測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度35℃，熱平衡試驗(yàn)為額定功率點(diǎn)工況，以電阻柵作為負(fù)載，原地滿功率加載測(cè)試。具體試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 熱平衡試驗(yàn)冷卻水溫度變化曲線

圖中，經(jīng)過(guò)大約55 min的時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)高溫冷卻水和低溫冷卻水均達(dá)到了平衡溫度，分別為89.5℃、61.2℃。根據(jù)公式可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際極限環(huán)境使用溫度LTA。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可判斷出設(shè)計(jì)滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某礦用自卸車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行匹配計(jì)算，可知當(dāng)極限環(huán)境溫度低于45℃時(shí)，散熱器芯體、風(fēng)扇的參數(shù)設(shè)計(jì)可滿足要求，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員提供了理論依據(jù)。

冷卻系統(tǒng)匹配計(jì)算是一個(gè)參數(shù)不斷優(yōu)化的過(guò)程，優(yōu)化的同時(shí)，也提高了整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性。