柴油机冷却系统整车匹配试验研究-燃烧开发及性能优化.docx

潍柴动力技术中心设计十一室 柴油机冷却系统整车匹配试验研究田红霞（潍柴动力股份有限公司 技术中心设计十一室）摘要：本论文介绍和分析了目前常用的几种冷却系统优化手段，并结合试验数据说明各种优化方案的效果。 关键词：匹配试验、冷却系统 4 / 4前言降低排放和提高燃油经济性一直都是各整车厂与零部件供应商的追求目标。随着环保法规的日益严格和发动机功率潜力的深层挖掘，增压中冷技术的广泛应用以及冷却EGR废气处理技术的使用，均使原有的汽车冷却系统散热功率明显提高。现代交通的便利，车辆运行地域的扩展，又使得发动机运行环境变得更加复杂。现在，如何使发动机工作在最适宜的温度85 95 ，已经是目前汽车冷却系统开发的一个重点。柴油机冷却系统整车匹配优化的主要方法有：改变散热器总散热面积，迎风面积，形状与结构尺寸；改变柴油机水泵流量、转速；改变风扇直径，风扇转速、以及风扇角度；护风罩形式，风扇与散热器之间的距离以及膨胀水箱高度。本文依据现代热管理的理念对这几种方法进行了具体的描述，并进行了实验研究，对各方法的效果进行了对比。小循环大循环图1 目前商用车冷却系统示意图1 试验用柴油机技术规格表1柴油机技术规格参数单位技术要求标定功率/转速kW/(r/min)309/2200大扭矩转速r/min1500柴油机出水温度80952 散热器优化散热器是冷却系统中的重要部件，其主要作用是对发动机进行强制冷却，以保证发动机能始终处于最适宜的温度状态下工作，以获得最高的动力性、经济性和可靠性。散热器的总散热面积、芯子的迎风面积、结构形状和结构尺寸对整车冷却系统能力均有较大影响。受发动机舱空间尺寸的限制，散热器的迎风面积没有增大的空间。现就总散热面积对冷却能力的影响进行实验研究。方案2散热面积比方案1增加了5.20m2，冷却效果明显较好；方案4虽然散热面积有了大幅增加，但是风通过阻力增加较大，散热效果反而不如方案3；供应商柴油机进、出水温度高，温差小，冷却水带走热量过小，散热器形状、结构与传热能力明显较差。表2 散热器参数明细表供应商方案散热面积m2备注A方案134.80形状与结构相同，传热系数相同方案240.00B方案347.36形状与结构相同，传热系数相同方案440.00图2 冷却水带走热量占总热量的百分比图3 柴油机出水温度图4 极限使用环境温度注：极限环境使用温度计算公式：LAT= T max 1/2T (T test. T ambient )式中：T max ：最高允许出水温度；T ：柴油机进出水温差；T test ；测量得到的最高稳定出水温度；T ambient :；试验时的环境温度；公路用车：轻载38、中载41、重载 46。 水泵优化水泵的功用是对冷却液加压，以保证其在冷却系统中循环流动。水泵流量、转速增加有助于提高冷却效率，但是消耗功率同时也增加了，如图5所示水泵性能曲线，一旦过了泵效率泵最高点，增加水泵流量与转速不但会多消耗功率，而且也不再增加冷却系统带走的热量了。图5 水泵性能曲线如表3所示配置1水泵转速增加了267r/min, 极限使用环境温度提高了1.4。表 水泵优化实验数据配置水泵/曲轴转速比极限使用环境温度配置11.83244.1配置21.65442.74 风扇优化冷却风扇首先要满足冷却系统对风量和压头的需要；同时要消耗功率小、风扇效率高，且有较宽的高效率区。为降低风扇冬季消耗功率，很多汽车使用带硅油或电子离合器的风扇，电控风扇。风扇直径变化对冷却系统的影响是非常明显的，如表4，风扇直径增大40mm，柴油机高速高负荷时极限使用环境温度增加了10，代价就是功率多消耗了6.3kW。风扇直径尽可能与散热器芯子迎风尺寸基本相同，以便风扇扫过的面积尽可能大地覆盖散热器芯子的迎风面积，使气流全面地通过散热器，所以汽车冷却风扇直径与散热器迎风面积一样，均受发动机舱空间大小限制，往往没有多少余地。表4 不同直径风扇对比实验数据风扇直径mm680654640转速r/min220015002200150022001500功率kW289.8257.8294.0261.0296.1261.1油耗率g/(kWh)228.2201.5224.8198.9223.4199.3出水温度92.792.695.595.698.596.2进水温度85.984.888.088.090.888.1环境温度52.755.150.248.752.243.4有用功的热量占总热量的百分比%34.540.535.041.035.241.0冷却水带走热量占总热量的百分比%22.222.424.221.924.023.3极限使用环境温度55.348.649.647.045.643.8风扇转速提高能有效增加冷却系统带走热量，但同时整机噪声、经济性均增加，如表5、图6所示。需要注意的是风扇叶尖的圆周速度也不宜过高，应不大于91 m/s，后置客车不大于100 m/s，否则对风扇噪声和强度都不利。5 其它5.1 护风罩表5 不同转速风扇噪声对比实验数据柴油机转速r/min风扇转速差r/min5工况噪声测量声压差 dB(A)123452200490.4-1.0-0.2-0.30.0200044-1.2-3.3-1.30.7-0.9180040-0.5-2.5-1.8-0.4-0.8160035-0.7-2.4-1.2-0.5-0.4150031-0.9-2.8-1.9-1.5-0.8140027-1.5-1.1-1.4-1.9-0.2120022-2.1-2.1-1.0-2.6-1.1100049-1.8-0.6-0.8-3.4-2.3图 6 风扇转速对经济型的影响风扇护风罩是为了提高风扇的冷却效率，使通过散热器芯部的气流均匀分布，并减少发动机舱内热空气回流而设计的，对于前置发动机，风扇护风罩的设计分整体式和分开式两种；对于后置式发动机，一般都采用整体式。分开式护风罩两部分之间有相对运动，必须用帆布圈柔性密封连接。护风罩与风扇叶尖的径向间隙应尽可能小，以保证风扇冷却效率。当采用分开式护风罩时，风扇与护风罩无相对运行，其径向间隙应不超过风扇直径的1.5 %；当采用整体式护风罩时，风扇与护风罩有相对运动，其径向间隙也不应超过风扇直径的2.5 %。风扇伸入护风罩的轴向位置，与进气效率有很大关系，对于吸风式风扇，风扇叶片的投影宽度应伸入护风罩内2/3冷却效果最好。5.2风扇与散热器之间的距离为充分利用车辆行驶时的迎风速度，车用发动机风扇都采用吸风式；风扇前端面至散热器芯子的距离一般都大于50 mm，有利于气流均匀通过散热器芯部整个面积，尤其是散热器的四角；冷却风扇后端面至发动机前端面的距离应大于100 mm，至其它零部件的距离应大于20 mm，以最大限度地降低风扇噪声及叶片振动，并改善发动机的气流状况，满足发动机的冷却需要。5.3膨胀水箱高度当冷却系采用低位密封式散热器时，必须增设高位膨胀水箱，它的主要功能是给冷却液提供一个膨胀空间，及时去除冷却液中积滞的空气以及发动机高温下产生的水蒸汽，以便更有效地利用散热器的散热功能，提高冷却效率。膨胀水箱的位置至少高于柴油机及散热器400mm，处于整个冷却系统循环水路的最高点。5.4压力盖冷却系都安装有压力盖，以保证密封式冷却系的冷却液能保持一定的压力，从而提高冷却液的沸腾温度，可使发动机在高温条件下不产生沸腾，保证发动机工作安全；可使冷却液温度与环境大气温度之间液气温差变大，从而提高散热器的散热能力；可以减轻或消除冷却液循环中的气泡和气阻现象，保证冷却液实际循环流量的稳定，让足够的冷却液把热量从发动机内带走；可以减缓