朱鏡瑾，介石磊

（黃河交通學院汽車工程學院，河南 焦作 454950）

1 引言

發(fā)動機的正常工作離不開附屬的冷卻系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、減振系統(tǒng)等的正常工作。對冷卻系統(tǒng)進行設計是汽車動力系統(tǒng)設計的重要組成部分[1]。大功率發(fā)動機散熱系統(tǒng)包括高溫散熱器和中冷散熱器，散熱器和冷卻風扇等的選型設計和相互之間的匹配性直接影響散熱效率和效果，因此，采用不同的設計分析方法對散熱器匹配性進行分析具有重要應用價值。

學者們對散熱器系統(tǒng)進行一定的研究：文獻[2]基于冷卻風洞試驗平臺，分析散熱器與冷卻風扇之間的最佳位置匹配；文獻[3]采用一維熱管理模型，分析散熱器不同的結(jié)構(gòu)形式對散熱性能的影響；文獻[4]采用三維建模分析冷卻風扇結(jié)構(gòu)參數(shù)對冷卻系統(tǒng)性能的影響；文獻[5]采用計算立體力學分析方法，對影響散熱器性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析，獲取影響規(guī)律用于優(yōu)化設計。

針對大功率汽車發(fā)動機散熱系統(tǒng)進行匹配性設計，根據(jù)大功率發(fā)動機的散熱特點，對高溫散熱器、中冷散熱器和冷卻風扇進行選型設計并獲得各部分的特性曲線，并對三者之間的匹配性進行分析，獲取標定點的冷卻空氣流量和效率；采用組成單元影響系數(shù)，對系統(tǒng)的效率進行計算；基于外循環(huán)阻力最小原則，對發(fā)動機的整個冷卻系統(tǒng)進行系統(tǒng)布置；采用CFD 分析和冷卻試驗臺相結(jié)合的方法對系統(tǒng)進行性能驗證。

2 散熱器參數(shù)設計

2.1 冷卻系統(tǒng)布置

大功率汽車發(fā)動機散熱器包括高溫散熱器和中冷散熱器，前者主要用于發(fā)動機缸套的散熱，后者主要用于渦輪增壓器等的散熱[6]。散熱器是兩個系統(tǒng)的核心部分，除了選擇好散熱器和冷卻風扇以外，冷卻系統(tǒng)的總體布置結(jié)構(gòu)也是保證其冷卻性能的關(guān)鍵。合理設計空氣流通系統(tǒng)，減少氣流損失，可有效地提高進風系數(shù)。冷卻系統(tǒng)的布置，如圖1所示。

圖1 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)布置Fig.1 Engine Cooling System Layout

2.2 高溫散熱器設計

2.2.1 散熱器關(guān)鍵參數(shù)確定

（1）冷卻空氣需要量Va

式中：Qw—散熱量；

Δta—空氣溫度差；

γa—空氣的重量；

Cp—空氣定壓比熱。

（2）散熱器芯體正面面積Fr

式中：Va—空氣需求量；

va—散熱器芯體迎面的空氣流。

根據(jù)使用經(jīng)驗[7]，散熱器正面面積應為：（0.31～0.37m2/100kW。

（3）散熱器散熱面積F

式中：Kr—散熱器傳熱系數(shù)；

α—散熱面積儲備系數(shù)。

（4）散熱器的芯厚T

式中：β—散熱器芯體的容積緊湊性系數(shù)。

2.2.2 散熱器芯體參數(shù)合理性校核

散熱器匹配設計流程，如圖2所示。

圖2 散熱器匹配設計流程Fig.2 Heat Sink and Engine Matching Check Flow Chart

根據(jù)圖中所示流程圖，對所研究的發(fā)動機高溫散熱器進行校核[8]，必須滿足：

2.2.3 管帶式散熱器設計

發(fā)動機參數(shù)值，如表1所示。

表1 發(fā)動機參數(shù)表Tab.1 Engine Parameter Table

根據(jù)發(fā)動機的參數(shù)要求，結(jié)合式（1）至式（5）的設計參數(shù)，對參數(shù)進行設計。據(jù)散熱器廠的試驗結(jié)果，散熱管內(nèi)實際水流速度在（0.8～1.4）m/s時散熱效果最佳，超過1.4 m/s后，對提高散熱率的效果不大，卻因為管子截面尺寸的加大，使芯子的材料消耗和重量都有較大增加[9]。但管內(nèi)實際水流速度在低于0.2 m/s時，單位時間的散熱量小，散熱器進出水溫差較大，造成發(fā)動機進水溫度偏低，不利于燃燒。散熱器廠的管型有16×1.8和16×2兩種，兩排管芯的排間距為（5～10）mm，16×1.8的管子過窄，會使管內(nèi)水流速度偏小，或為了保證一定的水流速度，需要的管子數(shù)量多，增大了阻力，因此選擇16×2管型結(jié)果，如表2所示。

表2 匹配設計計算結(jié)果Tab.2 Matching Design Calculation Result

為了充分利用發(fā)動機艙內(nèi)部空間，增加駕駛室周圍的活動空間現(xiàn)代礦用汽車常將副水箱與散熱器設計成一體。如圖3（a）所示，副水箱的位置處于散熱器上水室的上方，通過通氣立管連接，當散熱器內(nèi)流體溫度升高體積膨脹時，水從通氣立管流到副水箱內(nèi)；當溫度降低，體積變小時，水從副水箱的補水管流至發(fā)動機。散熱器內(nèi)的空氣也可通過通氣立管排到副水箱中，最終通過壓力蓋排到大氣中[10]。在副水箱的設計中，可先由確定的散熱器芯體流體體積、上下水室體積、發(fā)動機水套以及油冷卻器體積等確定整個冷卻系統(tǒng)的總水量，再由總水量確定副水箱的儲備空間和膨脹空間。最終可確定散熱器的尺寸，三維建模如圖3（b）所示。

圖3 散熱器三維設計圖Fig.3 3D Design of the Heat Sink

2.2.4 散熱器風阻試驗測量

散熱器臺架風洞性能試驗是在風洞試驗臺上進行的，試驗方法及數(shù)據(jù)處理按照機械工業(yè)部標準JB/T 2293-1978《汽車、拖拉機散熱器風洞試驗方法》進行。通過改變質(zhì)量流量，獲取散熱器的風阻數(shù)據(jù)，制成性能曲線，如圖4所示。

圖4 高溫散熱器性能曲線圖Fig.4 Heat Sink Performance Graph

2.3 中冷器參數(shù)確定

增壓器向發(fā)動機提供增壓空氣以提高發(fā)動機的功率和效率。增壓器利用發(fā)動機尾氣提供動力，會使得進氣溫度升高，因此，需要對其進行降溫，通過中冷器進行。大功率發(fā)動機工作環(huán)境多塵，使用環(huán)境惡劣，中冷器芯體的散熱片密度應不多于32～40片/米，不使用百葉窗式的散熱片，因為散熱片密度過高容易堵塞，需要頻繁清洗[11]。最佳的散熱片密度和結(jié)構(gòu)需要通過實地試驗決定。芯體尺寸選取的原理與高溫散熱器基本相同，經(jīng)計算校核參數(shù)，如表3所示。

表3 中冷器芯體參數(shù)Tab.3 Intercooler Core Parameters

經(jīng)試驗得中冷器的性能曲線，如圖5所示。

圖5 中冷器性能曲線圖Fig.5 Cooler Performance Curve

3 冷卻風扇的選型與匹配

3.1 冷卻風扇的選型

由于發(fā)動機前置，行走速度不高，選擇吸風扇能夠利用溫度較低的空氣冷卻水箱，效率高于排風扇。相關(guān)參數(shù)的設計，是風扇選型的基礎(chǔ)。

（1）冷卻風量

式中：λ—漏損系數(shù)；ρa—空氣的密度；Δta—冷卻空氣的溫升。

（2）風扇前后的溫差：

式中：T1—風扇入口溫度；P1、P2—風扇進出口的壓力；ηis—等熵效率。

（3）風扇風壓

整個冷卻風道的阻力為：

式中：△pk1—散熱器的阻力；△pk2—空氣通道的阻力。

（4）風扇效率：

（5）風扇功率

式中：Pf—風扇消耗的功率；ηf—風扇效率。

依據(jù)上述風扇的計算要求，以及發(fā)動機連接尺寸的限制，選擇1067-6ZL-12-27.5型號的風扇，其性能曲線，如圖6所示。

圖6 風扇性能曲線Fig.6 Fan Performance Curve

3.2 冷卻系統(tǒng)匹配及效率分析

系統(tǒng)主要部件性能特性，如圖7所示。

圖7 中冷器、高溫散熱器和風扇的匹配曲線Fig.7 Matching Curves of the Cooler，Radiator and Fan

由圖中可知，標出點的空氣流量約為14 kg/s，靜壓約為800 Pa，效率為68%。系統(tǒng)總的散熱效率與各部分主要單元的效率具有直接的關(guān)系[12]，各部分影響因素的效率集合在一起即可得到系統(tǒng)的效率，通過查閱文獻，選取與設計參數(shù)相近的系數(shù)，估算得到系統(tǒng)的效率為68.92%，因此，可估算得到實際空氣流量為14.34 kg/s。

4 系統(tǒng)性能對比分析

基于計算流體力學軟件，建立風扇、高溫散熱器、中冷散熱器及相關(guān)的其他零部件的三維模型，并根據(jù)相關(guān)之間的位置關(guān)系進行裝配，如圖8所示。環(huán)境溫度為常溫20℃，運行速度為10m/s，對邊界條件進行設計。求解殘差，如圖9所示。

圖8 系統(tǒng)部分單元三維模型Fig.8 System Part Unit 3D Model

圖9 殘差曲線Fig.9 Residual Curve

獲取高溫散熱器和中冷散熱器各相關(guān)溫度，及冷卻空氣和冷卻液的流速，如表5所示。由表可知，模擬分析結(jié)果與理論設計基本吻合。

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)實驗平臺由發(fā)動機、冷卻風扇、散熱器、冷卻循環(huán)管路及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成試驗平臺簡圖如圖10所示。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)試驗平臺由發(fā)動機、冷卻風扇，散熱器、冷卻循環(huán)管路、發(fā)電機、電動機、測功機、耗功電阻柜、勵磁電源、變頻器、軸流風機、溫度及扭矩傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

圖10 試驗測試系統(tǒng)Fig.10 Test System

測試中，傳感器在水路布置為：在節(jié)溫器前出水總管處安裝溫度傳感器，測量出水溫度；在水泵進水管處安裝溫度傳感器，測量進水溫度[13]；在氣路布置為：在空氣濾清器后和渦輪增壓器后排氣總管處分別安裝溫度傳感器，測量進氣溫度和排氣溫度。測量記錄發(fā)動機運行的環(huán)境空氣溫度，發(fā)動機的排氣溫度，冷卻水的進出散熱器的溫度變化，空氣進出中冷散熱器的溫度變化，發(fā)動機輸出端的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速。在發(fā)動機各個冷卻介質(zhì)溫度值變化在最后5min 內(nèi)不超0.3℃時認為發(fā)動機發(fā)熱已達穩(wěn)定狀態(tài)，并記錄數(shù)據(jù)。每隔0.04s 記錄一次數(shù)據(jù)，直至冷卻液溫度達到每個階段的穩(wěn)定狀態(tài)。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的運行試驗中，發(fā)動機在轉(zhuǎn)速為1900rpm，輸出功率為22.3kW工況條件下工作時，其水冷和中冷介質(zhì)的溫度變化原始采集曲線和重新擬合曲線分別，如圖11所示。

圖11 冷卻介質(zhì)溫度擬合曲線Fig.11 Cooling Medium Temperature Fitting Curve

從圖中可以看出冷卻水的溫度能夠保持在發(fā)動機正常工作溫度（80～95）℃之間，說明了系統(tǒng)設計的正確性，穩(wěn)定后參數(shù)，如表5所示。

表5 溫度數(shù)據(jù)對比Tab.5 Comparison of Temperature Data

根據(jù)表中分析結(jié)果可知，試驗分析和仿真分析結(jié)果基本一致，二者之間的誤差在5%以內(nèi)。試驗值略大于仿真值主要由于試驗中存在各種損耗，而仿真中忽略了此部分的影響。

5 結(jié)論

針對大功率汽車發(fā)動機散熱器系統(tǒng)進行匹配性設計，采用理論分析和仿真模擬、試驗測試相結(jié)合的分析方法，結(jié)果可知：

（1）采用中冷器、高溫散熱器和冷卻風扇三者的性能曲線進行匹配，確定了標定點，標出點的空氣流量約為14 kg/s，靜壓約為800 Pa，效率為68%；（2）通過冷卻系統(tǒng)各部分影響系數(shù)對整體的散熱效率進行分析，選擇與特定安裝最接近的狀態(tài)，然后把所有的系數(shù)乘起來就可以得到整個系統(tǒng)的效率，經(jīng)估算系統(tǒng)效率68.92%，實際空氣流量為14.34 kg/s；（3）采用CFD仿真分析和試驗測試結(jié)果表明，誤差在5%以內(nèi)，冷卻系統(tǒng)滿足發(fā)動機的冷卻需求，系統(tǒng)的設計是正確的。根據(jù)熱流體和傳熱學知識，在考慮發(fā)動機布置空間的情況下，基于外循環(huán)阻力最小原則，對發(fā)動機的整個冷卻系統(tǒng)進行系統(tǒng)布置，該冷卻系統(tǒng)匹配設計計算方法，對實際工程應用具有重要意義。