重卡发动机冷却系统性能提升设计的措施

重卡发动机冷却系统性能提升设计的措施

1李元磊1代鹏军2蒋亚丽1范晓博

1.陕西重型汽车有限公司陕西西安710000；2.西安铁道技师学院陕西西安710000

摘要：本文所介绍的冷却系统试验则是重卡车辆热平衡性能试验，其旨是用于测定车辆对气候条件的适用性，一般是利用整车道路性能测试来完成的。由于重卡车辆在正常运行下，需要面对行驶路况复杂、外界环境差、运货量多等问题，并且，在炎热夏季也存在散热性差的问题，导致发动机“开锅”，使其不能正常运行。本文利用KULI仿真软件进行探讨，对冷却系统组件（散热器体积、风扇规格）等进行调整，然后开展整车热平衡试验，达到发动机在扭矩点、功率点极限环境下对环境温度的要求，实现了其性能提升的目的。

关键词：重卡发动机；冷却系统；性能提升；设计；热平衡

引言

由于我国社会经济的持续发展，且伴随着“一带一路”战略的不断推进，为商用车的发展提供了更广阔的发展空间。基于此，国内车企也逐渐重视产品质量问题，持续提高产品研发成本，主动处理产品设计过程中碰到的一系列难题。对于重型卡车而言，在车辆热管理项目中，如何解决车辆冷却系统是一个必须要重视的问题。发动机在运行期间，由于其散热性差、气缸内蓄积大量热量而造成水温骤升乃至出现“开锅”问题。所以，在整车开发设计期间，冷却系统试验是极其关键的，在不同条件下都要确保发动机冷却水温控制在允用范围内，否则，一定要对其进行调整和改良。

一、重卡热平衡试验

（一）发动机热平衡试验过程

某重卡样车全部组装完成后，根据国家行业规定《GBT12542-2015汽车热平衡能力道理试验措施》开展汽车热平衡试验，评估发动机极限条件下适应温度范围，检验标准是发动机极限外部条件温度扭矩点、功率点分别不小于41、46℃。此样车发动机的组件冷却模块（散热器、中冷器）参数设置是：中冷器外部规格（长x宽x高）是650x620x40；中冷器内部参数是管道数是40、管道排数是1、管道断面规格的40x9.8；散热器外部规格（mm）是638x750x43；散热器内部参数是管道数是70、管道排数是1、管道断面规格的43x2.2；风扇尺寸是630mm。此某重卡冷却系统热平衡试验参数设置具体是：功率点2000r/min、扭矩点1300r/min；风速≤4m/s；气温≥25℃；湿度≤80%；发动起排水温度≤104℃；允用环境温度（功率点≥46℃、扭矩点≥41℃）；空调位于启动（最大档）状态。

（三）发动机热平衡原状态试验结果

某重卡样车在进行道路试验测试期间，基于额定功率固定的前提下进行整车高速大负荷行驶，基于最大扭矩固定的前提下要求此车辆尾部选择负荷拖车，设置车辆运行速度是30km/h，发动机转速处于最大档位，测试期间油门需要踩至全开位，利用增压或加油量计算发动机负荷值。此次试验测试结果是：在功率点2000r/min的工况条件下，液气温差是55.23℃、环境温度是35.18℃、风扇转速是2000r/min、发动机排水温度是86.56℃、极限运行环境温度是49.14℃；在扭矩点1300r/min的工况条件下，液气温差是70.12℃、环境温度是32.78℃、风扇转速是1300r/min、发动机排水温度是96.74℃、极限运行环境温度是35.2℃。

由此来看，发动机在功率点2000r/min的极限运行环境温度49.14℃符合规定46℃的，不过在扭矩点1300r/min的极限运行环境温度35.2℃不符合规定，与标准规定相差很大，不能达到设计标准，务必要对其冷却系统实施优化改造，进一步提高发动机在此条件下的环境气温。

二、通过KULI软件进行方案制定

（一）冷却系统组件设计改良

该系统组件具体是指：风扇、散热器等。其中风扇相关参数的原始值是：直径650mm、转速1600r/min、厚度87mm、叶片数8、风量2.78m3/s、功率4.66Kw、静压502.7Pa；经改良后相关参数调整为：直径710mm、转速1700r/min、厚度107mm、叶片数10、风量3.48m3/s、功率12.03Kw、静压804.3Pa。散热器相关参数的原始值是：芯长815mm、芯宽650.5mm、芯高48mm、管道数72、断面规格43x2.2；经改良后相关参数除芯长调整为885mm之外，其它参数未变。

（二）仿真计算

按照以上改良结果，创建KULI一维仿真模型，其中，组件位置坐标点和样车是相同的。通过KULI软件对改良后的冷却系统展开仿真测算，具体结果是可如表1介绍。

改良后的冷却系统在扭矩点的极限运行环境温度49.89℃符合规定46℃。若要确保KULI计算结果的准确性与客观性，同时确保重卡车在市场营销期间保持稳定性，对优化后的车辆开展热平衡测试。

三、改良后新状态试验验证

按照优化方案的具体内容，对样车的风扇、散热器组件进行更新和调整，同时根据规定对车辆进行热平衡试验，其验证结果如表2所示。

将表1与表2的数据进行对比分析发现，表1数据在扭矩点比表2的数据少1.14℃，误差率是3.1%，在功率点表1数据比表2数据多1.2℃，误差率是1.7%，并且改良后的车辆，符合发动机极限运行环境温度要求，由此来看，通过KULI仿真软件对重卡车辆冷却系统实施改良是一个值得全面推广的有效措施。

四、结束语

对于内部设计相对紧凑的重卡冷却系统而言，整车冷却系统改良往往需要考虑很多问题，不过因为在实现的过程中存在不同的障碍，对此，一般需要忽略个别影响因素。并且，也由于冷却系统在运行期间，一般需要面对恶劣的外部环境，所以其工况条件无法预估，通过理论研究仅仅发挥辅助作用，最终还是需要利用试验优化的方式进行系统高效、科学匹配。本文对未达到热平衡行驶标准的车辆，对其冷却系统组件进行了个性化地方案调整与优化，提高了内部组件散热器的高度、风扇的径长，然后利用KULI仿真软件对该系统展开计算测试，最后利用热平衡试验进行验证分析，最终有效解决了重卡车辆散热性差引起发动机“开锅”的难题，促使其冷却系统得到了进一步地改良和升级。并且在车辆正式运行前，能够对发动机开展KULI仿真验证，缩小试验范围、减少试验次数，压缩设计研发周期，减少研发投入。

参考文献

[1]孙军.汽车发动机原理[M].合肥：安徽科技技术出版社，2017:35-38.

[2]国家标准GBT12542-2015汽车热平衡能力道理试验方法.

[3]张子波.汽车发动机构造与维修[M].北京：高等教育出版社，2016（10）.