王 輝
(安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司,安徽 合肥 230601)
根據(jù)國家工信部和交通部最新發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn),客車燃料消耗限值進(jìn)一步降低,單靠發(fā)動機本身的節(jié)油技術(shù)已經(jīng)很難達(dá)到法規(guī)要求,必須采用其他節(jié)油手段。前置發(fā)動機客車普遍采用發(fā)動機自帶的機械風(fēng)扇進(jìn)行冷卻,即使采用硅油離合器或電磁離合器,在離合器耦合后消耗發(fā)動機功率基本同直連風(fēng)扇一致,最高可達(dá)到發(fā)動機功率的 5%以上。而采用電子風(fēng)扇的智能冷卻系統(tǒng)在后置客車上已經(jīng)得到了普遍驗證,有很好的節(jié)油效果,文章將以某款前置客車為例,主要從性能方面探討電子風(fēng)扇在前置客車?yán)鋮s系上應(yīng)用的可能性及設(shè)計思路,電子風(fēng)扇控制系統(tǒng)不在本文討論范圍內(nèi)。
設(shè)計目標(biāo)為在限定的冷卻系統(tǒng)邊界尺寸下,選擇適當(dāng)?shù)碾娮语L(fēng)扇,保證冷卻性能滿足發(fā)動機要求。
發(fā)動機相關(guān)參數(shù)如下(表1):
此客車原冷卻系統(tǒng)設(shè)計時已考慮了車架寬度、發(fā)動機艙高度、駕駛室踏板位置及整車接近角等相關(guān)因素,在此基礎(chǔ)上還要考慮電子風(fēng)扇的合理布置,盡可能少留死角,因此冷卻模塊芯部按正方形設(shè)計,總寬和總高在原散熱器基礎(chǔ)上適當(dāng)變化,電子風(fēng)扇后方要與發(fā)動機留出足夠距離以盡量減少排風(fēng)阻力,最終得出適合該車的冷卻系統(tǒng)的邊界尺寸為700mm×625mm×240mm(高×寬×厚),芯部尺寸為580mm×580mm(高×寬),與現(xiàn)有散熱器保持一致。
表1 發(fā)動機參數(shù)
通過整車用電量計算,除了電子風(fēng)扇外整車最大用電量為126.37A,整車電壓為12V系統(tǒng),發(fā)動機最大可匹配發(fā)電機參數(shù)為 14V/200A,因此電子風(fēng)扇的總電流應(yīng)不大于 200-126.37=73.63(A),總功率不大于14×73.63=1030.82(W)。
結(jié)構(gòu)設(shè)計包含兩個部分,第一是冷卻模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計,應(yīng)綜合考慮散熱性能、可靠性、成本、布置方便性等,第二是電子風(fēng)扇的尺寸選擇和布置,應(yīng)掃過盡可能多的散熱器正面積。
由于整車采用的發(fā)動機為渦輪增壓柴油發(fā)動機,因此冷卻模塊應(yīng)包含散熱器和中冷器,散熱器按結(jié)構(gòu)可選擇管帶式或封條式,管帶式性能好,成本低,封條式可靠性高,但風(fēng)阻較大,成本較高。中冷器則為管帶式。按布置方式散熱器與中冷器可采用并聯(lián)布置或串聯(lián)布置,后置客車空間充足,普遍采用并聯(lián)布置,可最大限度降低風(fēng)阻,提高散熱效率,前置客車一般采用串聯(lián)布置,更方便管路連接。
電子風(fēng)扇按扇葉直徑常用的有225mm、255mm、280mm、305mm、355mm、385mm、405mm等, 其對應(yīng)的可布置數(shù)量和扇葉掃過面積對比如下:
表2 風(fēng)扇對比
可以看出四只直徑 255mm的風(fēng)扇掃過面積最大,其次是兩只直徑305mm風(fēng)扇,布置后的效果如圖1。
很明顯四只風(fēng)扇的布置更加合理,而兩只風(fēng)扇只能對角布置,兩外兩角存在較大死區(qū),不利于散熱,因此選擇采用4只扇葉直徑255mm的電子風(fēng)扇。
圖1 風(fēng)扇布置示意圖
首先按現(xiàn)有串聯(lián)式的散熱器和中冷器進(jìn)行風(fēng)量的估算,初選出符合要求的的電子風(fēng)扇,再將該電子風(fēng)扇的數(shù)據(jù)代入到模型中,用分析軟件詳細(xì)計算各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的冷卻性能。
已知發(fā)動機功率點和扭矩點所需的水箱散熱功率,中冷器所需散熱功率可用下式計算:
其中 Q=散熱功率,kW
Ga=空氣流量,kg/h
Ca=空氣定壓比熱,約為1.009×103J/kg·℃
Δt=進(jìn)出氣溫差,℃
計算出功率點和扭矩點所需中冷器散熱功率分別為21.2 kW和8.79kW。
目前所用的散熱器芯子尺寸 580mm×580mm×40mm(高×寬×厚),臺架性能參數(shù)如下:
表3 散熱器性能參數(shù)
中冷器芯子尺寸 540mm×296mm×50mm(高×寬×厚),臺架性能數(shù)據(jù)如下:
表4 中冷器性能參數(shù)
根據(jù)插值法計算出功率點和扭矩點散熱器和中冷器分別需要的風(fēng)量數(shù)據(jù)和風(fēng)阻數(shù)據(jù)如下:
表5 匹配風(fēng)量點
中冷器正面積約散熱器正面積的一半,即兩只風(fēng)扇吹過散熱器和中冷器重合部分,兩只風(fēng)扇吹過未重合部分。未重合部分所需風(fēng)速不低于2.09 m/s,所需風(fēng)量不低于2531m3/h,風(fēng)阻91Pa,則所需單只風(fēng)扇的性能為在風(fēng)阻91Pa時風(fēng)量不低于2531/2=1265.5(m3/h)。
重合部分所需風(fēng)速不低于 4.71m/s,總風(fēng)量不低于 2710 m3/h。計算風(fēng)速4.71m/s時的散熱器風(fēng)阻約230Pa,則散熱器與中冷器重合后的總風(fēng)阻為 230/2+286=401Pa,即所需單只風(fēng)扇在風(fēng)阻401Pa時風(fēng)量不低于2710/2=1355(m3/h)。
根據(jù)以上設(shè)計和計算結(jié)果,選擇匹配的電子風(fēng)扇性能參數(shù)如圖所示:
試驗電壓13V
圖2 電子風(fēng)扇性能曲線
與計算所需的電子風(fēng)扇性能參數(shù)對比如下:
表6
根據(jù)散熱器、中冷器、風(fēng)扇相關(guān)參數(shù)建立KULI模型并進(jìn)行仿真計算,計算結(jié)果如下:
表7 理論計算結(jié)果
該前置客車在現(xiàn)有邊界條件下采用串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)和電子風(fēng)扇,散熱器性能可以滿足要求,且有較大余量,中冷器性能不達(dá)標(biāo),在極限情況下(指整車用電器全部開啟,電子風(fēng)扇滿載工作)發(fā)電機發(fā)電量不能滿足整車用電量需求,會導(dǎo)致蓄電池虧電。因此采用電子風(fēng)扇的智能冷卻系統(tǒng)在前置發(fā)動機客車上可以實現(xiàn)搭載,但實際應(yīng)用還需要更進(jìn)一步的優(yōu)化和匹配,如減少中冷器厚度以減少風(fēng)阻,根據(jù)整車實際運行情況,針對性的設(shè)計風(fēng)扇控制策略等。