牵引车冷却系统的匹配优化

牵引车冷却系统的匹配优化
傅晓磊; 王洪山; 朱杨; 张洋洋
【期刊名称】《《内燃机与动力装置》》
【年(卷),期】2019(036)005
【总页数】5页(P5-9)
【关键词】牵引车; 冷却系统匹配; 优化; 油耗
【作者】傅晓磊; 王洪山; 朱杨; 张洋洋
【作者单位】内燃机可靠性国家重点实验室山东潍坊261061; 潍柴动力股份有限公司山东潍坊261061
【正文语种】中文
【中图分类】U469.5
0 引言
目前商用车的油耗法规逐步升级，对环保的要求越来越高，重型商用车节能技术成为行业普遍关注的热点[1]，节能降耗是商用车未来竞争的核心方向[2]。

在增压器
匹配优化、发动机外特性优化、发动机万有特性优化、变速箱速比优化等研究之后，如何优化冷却系统匹配，以更小的冷却系统附件消耗功率实现热稳定性更高的柴油机和整车热平衡，成为重点研究课题。

本文中根据牵引车用柴油机冷却系统的工作原理，对柴油机出水温度、散热器散热性能、散热器水侧和风侧的优化方法、风扇的匹配和智能控制等方面进行细致分析，
制定牵引车冷却系统匹配优化的方案，以降低牵引车油耗。

1 冷却系统
1.1 工作原理
牵引车用柴油机一般布置于整车的前部、驾驶舱的下部，如图1所示。

牵引车行
驶时，迎面自然风经前格栅进入发动机舱，经冷凝器、中冷器、散热器和发动机后，由排风口流出发动机舱。

当迎面自然风不满足发动机冷却要求时，风扇转动提供相应的风量，用以满足发动机冷却要求，风扇一般采用吸风形式。

柴油机是整个系统的热量源，水泵是冷却系统的动力源，水泵与节温器、管路、膨胀水箱、风扇等部件共同作用，将柴油机多余的热量散发至外界，来保证柴油机在正常温度下稳定工作。

对牵引车冷却系统进行匹配优化，需研究柴油机本体由冷却系统带走的散热量、散热器的性能特性以及匹配水泵、风扇、节温器等附件。

散热量确定后，匹配优化研究的重点是散热器。

图1 牵引车冷却系统布置示意图
1.2 散热量
由柴油机冷却液带走的散热量可由柴油机台架热平衡试验测量[3-4]。

在牵引车实
际应用中，高原环境对柴油机的热平衡性能产生显著影响。

许翔等[5]研究表明，
随着海拔的升高，转化为有效功的热量及排气带走的热量逐渐下降，冷却液带走的散热量逐渐增大；在相同海拔下，随着冷却液温度的升高，转化为有效功的热量和排气带走的热量逐渐增加，冷却液带走的热量大幅下降。

因此，在研究牵引车用柴油机热平衡过程中，高原地区因气压和气温影响柴油机进气量和冷却液沸点，引起柴油机本体传热量增加[6]，需考虑海拔和冷却液温度对冷却液带走的散热量的影响。

适当提高冷却液温度，缩小冷却水进出主机的温差，可减少柴油机的散热损失，降低主机油耗率，减轻缸套活塞组的磨损，改善柴油机受热部件的热应力状况[7]。

同时，随着发动机出水温度升高，发动机的油耗明显下降[8]。

1.3 散热器
牵引车用散热器是水-空换热部件。

冷却液带来的热量，在散热器处与空气进行热量交换，由空气带走，对散热器的研究必须从水侧和风侧两方面进行。

Oliet等[9]在汽车正常行驶工况下，验证了冷却液的流动、翅片间距、进口温度等对散热器工作性能的影响。

根据钱金山[10]对车用散热器的设计与性能进行的研究与对比，在散热器结构设计定型后，在确定的液-气温差条件下，散热器的散热能力随水侧流量和风侧风量的增大而增大。

1.3.1 水侧匹配分析
散热器的水侧通过管路与发动机本体、水泵等相连，散热器水侧的进水温度即发动机的高温出水温度，散热器水侧的出水温度即发动机水泵的进水温度。

发动机冷却系统的流量由发动机冷却水泵确定，根据发动机本体的结构和冷却需求进行设计[11]。

车用发动机冷却液带走的热量，除通过散热器与外界换热，保持发动机热平衡外，还会用于加热器芯体为驾驶室提供暖风热量。

随着技术的升级，还有可能用于进气管的加热、油箱的预加热和保温等，因此，水泵的流量与散热器的冷却液流量并不完全一致，需要加以分析和区别。

明确散热器冷却水流量的目的，在于根据散热器的性能特性，研究通过水侧提升散热器散热能力的潜力，匹配需求的风侧风量。

1.3.2 风侧匹配分析
散热器的风侧指冷却风通过前格栅孔、冷凝器、中冷器至散热器，与冷却液进行热量交换后，经过风扇、发动机舱流入大气中。

冷却风是牵引车相对运动带来的自然风和风扇做功带来的风量之和。

散热器风侧的进风温度即散热器前的空气温度，散热器风侧的出风温度即散热器后的空气温度。

风侧匹配的重点在于整车风道及整车实际使用工况下风扇的合理设计和优化。

1)整车风道
在牵引车设计阶段，合理设计冷凝器、中冷器和散热器的风阻，合理布置冷凝器、中冷器和散热器的相对位置，合理布置发动机在发动机舱的位置，合理设计牵引车发动机舱的进风口和出风口的开口面积，尽可能降低从发动机舱进风口到出风口的整个通风系统的阻力。

采用导流结构，减少冷却风的逃逸，使发动机舱进风口的冷却风全部通过散热器。

同时，提高进风口的风压水平，降低出风口的风压水平，以及利用好发动机舱下部盖板和气流导流板整合气流，提高通风效率。

2)风扇
图2 风扇匹配原理图
风扇匹配的要素是风量，需优先满足散热量的需求。

根据风扇的性能特性，风扇的风量与风扇转速成正比，风扇的噪声与风扇转速的平方成正比，风扇的功率与风扇转速的三次方成正比[12]。

因此，牵引车冷却系统的设计应尽可能增大风扇的直径，降低风扇的转速。

大的风扇直径还可降低系统阻力，进而降低风量需求。

风扇匹配原理如图2所示。

随着系统阻力系数的增加，冷却系统内冷却空气平均速度显著
降低[13]。

Kishor等[14]以散热器实际工作性能为前提对冷却风扇进行重新设计。

同时，随
着风扇设计能力的提升，风扇叶片材质、形状、安装角设计和制造能力的提升，风扇的静压效率逐步提升，选择性能优异的风扇是风扇匹配优化提升的有效途径。

对于牵引车，风侧风量由自然风和风扇风量组成。

自然风由牵引车相对运动产生，属于不耗功的“免费”风量，因此应尽可能降低通风阻力，提高通风效率，尽可能多的使用自然风。

由于牵引车实际使用工况复杂，环境温度变化区间大，发动机实际使用功率和负荷变化区间大，在风扇能力满足发动机最大散热需求的前提下，通过风扇离合器进行
控制，尽可能降低风扇的实际使用时间是风扇匹配优化的可行方案。

2 冷却系统匹配优化方案
2.1 柴油机出水温度
配套某公司WP12柴油机的某牵引车在重鼓路谱试验中柴油机出水温度为80～98 ℃，水温合理，但波动较大，有减小水温波动的优化空间。

2.2 散热器优化方案
图3 散热器性能曲线
牵引车配套散热器的性能曲线如图3所示。

当散热器的水流量由200 L/min增至400 L/min，散热器的散热能力由4.6%增至13%，影响较小。

而当散热器前风速由4 m/s增至10 m/s时，散热能力由57%增至68%。

因此，此款散热器对风的敏感性远大于水。

从提高散热器工作效率的角度考虑，提高散热器前的风速是较佳选择。

2.3 水侧优化方案
鉴于牵引车暖风流量较小，可近似将水泵流量定义为散热器冷却液流量。

在柴油机额定转速下，水泵流量为412 L/min，最大扭矩转速下，水泵流量为250～350 L/min，对照图3散热器性能曲线，此款散热器的散热能力已经足够。

鉴于柴油机水泵流量需要满足缸盖鼻梁区最小冷却液流速要求，水泵消耗功率较小等原因，水泵流量不再优化。

2.4 风侧优化方案
2.4.1 整车风道优化方案
整车风道的优化受整车布置空间影响，在牵引车设计定型，在牵引车相关零部件确定后，降低通风阻力的空间已经非常有限，但可以通过导风措施，提高通风效率。

进风口位于牵引车前脸下部，在牵引车运动过程中，风量基本处于逃逸状态，在牵引车下部增加导风和封堵措施，提高进风通过散热器的效率。

2.4.2 风扇优化及对比
牵引车原车风扇为外径704 mm环形风扇，配套电控硅油开环离合器，风扇最高
静压效率约为33%，需要对风扇效率与控制策略进行优化。

冷却风扇通过新技术的研究和应用，静压效率最大已经达到43%，因此，选用高
静压效率、低功率的冷却风扇，成为可行的优化方案。

通过风扇风洞性能特性曲线对比，初步选定风扇1和风扇2两款高静压效率、低功耗风扇作为风扇优化的初
步备选风扇，与原车风扇进行试验对比。

图4 风扇消耗功率对比曲线
通过发动机台架试验，在相同试验条件下，对3款风扇进行功率对比，测得结果
如图4所示。

由图可见，风扇1与风扇2均比原车风扇消耗功率低，更换风扇可
降低牵引车功耗。

通过牵引车重鼓试验，对3款风扇的抽风能力进行对比。

通过多点测量求平均值
的方式，测得牵引车车头部位，由风扇转动带来的风速如图5所示。

由图5可见，在牵引车当前风道的系统阻力下，风扇1抽风能力较原车风扇大，风扇2抽风能
力较原车风扇略差。

从提高风速、降低风扇功率消耗的角度，优选风扇1作为目
标风扇。

2.4.3 风扇控制策略优化方案
图5 风扇风速对比曲线
原车风扇采用电控硅油开环控制，即根据水温变化增加一个风扇开启与关闭开关，通过风扇控制策略，降低风扇实际使用功耗。

本案选用三速电磁离合器，进行风扇控制。

将风扇挡位由2个增加至3个。

风扇2挡通过电磁力进行控制，风扇运行
转速为700～850 r/min。

根据图4所示，风扇在2挡转速(700～850 r/min)运行时，消耗功率较小，因此，尽可能减少风扇3挡的运行时间，增加风扇1挡和2挡的运行时间。

通过对牵引
车负荷提前预判和柴油机出水温度联合控制，降低风扇3挡运行时间，稳定并适当提高柴油机出水温度。

3 整车验证结果
根据牵引车冷却系统匹配优化方案，进行牵引车重鼓路谱油耗试验，测得试验结果如下：
1)选用风扇1和传统三速电磁离合器，牵引车百km综合油耗降低0.23 L，选用风扇2和传动三速电磁离合器，牵引车百km油耗降低0.28 L。

2)优化三速电磁离合器控制策略，选用风扇1，仅通过控制逻辑更改，现牵引车百km油耗降低0.21 L，通过风扇开启温度更改，稳定柴油机进出水温度，现牵引车百km油耗降低0.3 L，降油耗效果明显。

3)增加导风措施，现牵引车百km油耗降低0.25 L。

通过冷却系统匹配优化方案的实施，牵引车百km油耗降低0.83 L，节油效果明显。

4 结语
牵引车冷却系统匹配优化，需要对牵引车现有冷却系统进行具体分析，确定匹配优化方案。

稳定柴油机冷却液温度变动区间，降低冷却风扇高转速消耗功率、减少风扇的实际工作时间，对牵引车降油耗效果明显。

增加导风措施，提高通风效率，可以作为牵引车冷却系统匹配优化的重要辅助措施。

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