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        專用汽車?yán)鋮s總成選型設(shè)計探究

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        專用汽車?yán)鋮s總成選型設(shè)計探究

        摘要:冷卻系統(tǒng)對專用車輛的正常工作起到非常重要作用,文中通過對一款飛機牽引車的冷卻系統(tǒng)用散熱器、中冷器、風(fēng)扇等參數(shù)進(jìn)行計算、選型和匹配方法研究,結(jié)合臺架實測數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)扇總成的匹配選型,采用整車熱平衡試驗驗證選型的可行性。對專用車輛的冷卻系統(tǒng)選型設(shè)計起到一定的指導(dǎo)作用。

        關(guān)鍵詞:冷卻系統(tǒng);風(fēng)阻-流量曲線;匹配曲線

        0引言

        專用車輛整車布置與傳統(tǒng)商用車差異較大,具有空間小、散熱空間相對密封等特點,專用車輛用冷卻系統(tǒng)的匹配狀態(tài)直接影響整車動力性、經(jīng)濟(jì)性等,合理選擇中冷器、散熱器和風(fēng)扇總成非常重要。本文以一款飛機牽引車為例,研究冷卻系統(tǒng)中冷器、散熱器和風(fēng)扇的匹配方法,通過整車熱平衡試驗,驗證匹配方法的合理性。

        1冷卻系統(tǒng)總成選型設(shè)計

        冷卻系統(tǒng)(中冷器、散熱器)的選型設(shè)計,主要是通過整車及發(fā)動機相關(guān)輸入?yún)?shù),計算系統(tǒng)選型所需的參數(shù)值(如散熱量等),結(jié)合供方產(chǎn)品型譜進(jìn)行選擇。

        1.1冷卻系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)輸入

        通過動力傳動匹配,飛機牽引車采用康明斯QSB3.9-110-30發(fā)動機,匯總冷卻系統(tǒng)總成設(shè)計相關(guān)輸入?yún)?shù),如表1、表2所示。校核冷卻系統(tǒng)總成裝配尺寸,空間尺寸為<720mm×750mm×350mm。

        1.2散熱器選型

        散熱器選型是通過校核額定功率點和大轉(zhuǎn)矩點兩個工況的散熱量、散熱面積、冷卻水循環(huán)量等參數(shù)選擇,發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱量Qw(kJ/s)計算公式為[1]式中:ηt為冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比(取同類機型的統(tǒng)計量);ge為燃油消耗率,kg/kW·h;Pe為發(fā)動機有效功率,kW;hu為燃料低熱值,kJ/kg。牽引車配置的QSB3.9-110-30,最大功率點散熱量QWp和大轉(zhuǎn)矩點計算如下。散熱量QWT為:QWp=ηtgePehu3600=0.22×19.5×4.187×104÷3600=49.9kJ/s;QWT=ηtgePehu3600=0.22×17.8×4.187×104÷3600=45.55kJ/s。式中:ηt=0.22(一般為0.18~0.25),hu=4.187×104kJ/kg。按照經(jīng)驗公式,增壓柴油機冷卻系統(tǒng)散熱量Qw=qPe。式中:q為0.5~0.6[2],QW=48.6kJ/s,取值兩者最大值49.9kJ/s根據(jù)熱平衡方程,計算冷卻水循環(huán)流量LW為LW=QWΔtrc=48÷(10×1×4.2×103)=0.00114m3/s。(2)式中:Δt為冷卻水循環(huán)容許的溫差,℃;r為冷卻水的體積質(zhì)量,kg/m3;c為水比熱容,J/(kg·℃)。其中Δt=10℃(冷卻水循環(huán)時容許溫升),Cw=4.2×103J/kg·℃。散熱器芯散熱面積為S=QW/(K×Δt1)=49.9÷(0.08×42)=14.9m2。(3)式中:Δt1為液氣平均溫差,根據(jù)發(fā)動機的進(jìn)出水溫和冷卻空氣進(jìn)出口溫度差值確定;K為換熱系數(shù),一般取0.08kJ/(m2·s·℃)。結(jié)合實際應(yīng)用環(huán)境(油泥、水垢等)影響因素,散熱器散熱面積取值為理論值的1.10~1.15倍[2]。通過理論計算,參照供方散熱器型譜,選擇S01102RC32F0500565A散熱器,散熱器參數(shù)如表3所示。

        1.3中冷器選型

        中冷器的選型主要參照進(jìn)出口壓縮空氣溫度、散熱量和中冷器冷側(cè)熱面積等,然后按照供方中冷器的型譜定型。發(fā)動機實際所需散熱量[3]:Q1=G1×CP1×(t1-t2)=0.16×1.009×100=16.14kW。(4)式中,Cp1為熱空氣的定壓比熱容,1.009×103J/(kg·℃)。冷側(cè)空氣流量為G2=Q1CP2(t4-t3)=16.14/(1.005×15)=1.07。(5)式中,Cp2為冷卻介質(zhì)的定壓比熱容,1.005×103J/(kg·℃)。散熱器平均溫差為Δtm=(Δtmat-Δtmin)/ln(Δtmat/Δtmin)=57.4°C。(6)式中:Δtmax=t1-t4=110℃;Δtmin=t2-t3=25℃。冷側(cè)散熱面積F為F=1000×1.2×Q1K×Δtm=3.97m2。(7)根據(jù)整車熱平衡試驗經(jīng)驗,中冷器散熱能力比需要散熱量Q1大15%~20%。K為中冷器結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù),初選時取85W/(m2·℃)。參照供方中冷器型譜,選擇Z01075CC50A0180442A中冷器,散熱帶散熱面積為3.786m2,散熱管散熱面積為0.936m2,正面積為0.164m2,總面積為4.722m2,散熱量為16~24kW具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表4所示。

        1.4風(fēng)扇選型

        牽引車散熱系統(tǒng)布置在駕駛室后方,發(fā)動機工作散失的熱量主要依靠風(fēng)扇帶走,選用硅油風(fēng)扇具有降低發(fā)動機機械功耗的同時,對水溫集聚變化響應(yīng)也較好,即本文主要配置感溫式硅油風(fēng)扇。風(fēng)扇選型設(shè)計要有3個前提條件[4]:冷卻系統(tǒng)需要的冷卻風(fēng)量、冷卻風(fēng)道的全氣路阻力、提供的風(fēng)扇對應(yīng)的特性曲線。冷卻風(fēng)扇通風(fēng)量VL為VL=QWΔt2raCP。(8)式中:Δt2為散熱器前后流動空氣溫度差,℃;ra為空氣體積質(zhì)量,kg/m3;Cp為空氣的定壓比熱容,J/(kg·℃)。冷卻空氣需要量為VL=QWΔt2raCP=49.9÷(30×1.01×1.047)=1.6m3/s。(9)式中:Δt2=30℃(冷卻空氣進(jìn)口/出口溫度差,經(jīng)驗值),ra=1.01kg/m3,Cp=1.047kJ/(kg·K)。參照供方風(fēng)扇型譜,選擇兩款硅油風(fēng)扇,參數(shù)如表5所示。

        1.5冷卻總成與風(fēng)扇匹配

        風(fēng)扇的選型是否合理,主要是考核風(fēng)扇散熱量大于中冷器和散熱器等總成的風(fēng)阻和散熱量。中冷器和散熱器等總成的風(fēng)阻和散熱量主要靠風(fēng)洞試驗獲得,本文對選型后的中冷器和散熱器進(jìn)行試驗,同時臺架上設(shè)置接近整車裝配環(huán)境,結(jié)合整車運行工況,測試散熱器和中冷器對應(yīng)的水阻和散熱量參數(shù),如表6所示,對模擬發(fā)動機運行在額定功率和大轉(zhuǎn)矩點工況下,檢測中冷器和散熱器總成的風(fēng)阻和風(fēng)速曲線,如圖1所示。將本文選定的兩款風(fēng)扇進(jìn)行靜壓-風(fēng)量測試,不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)量曲線如圖2和圖3所示。通過MatLab繪制中冷器+散熱器的風(fēng)阻曲線,同時將風(fēng)扇在額定工況和大轉(zhuǎn)矩點工況的風(fēng)量-靜壓對應(yīng)匹配曲線對比分析,如圖4和圖5所示。通過對比試驗曲線,在發(fā)動機工作在額定功率的工況下,在相同風(fēng)阻625Pa,冷卻系統(tǒng)所需的風(fēng)量為3.4m3/s,實際環(huán)形風(fēng)扇提供風(fēng)量為5.5m3/s,開口風(fēng)扇提供風(fēng)量為6.2m3/s,兩款風(fēng)扇均能滿足散熱要求,在發(fā)動機工作在大轉(zhuǎn)矩的工況下,冷卻總成>500Pa后,環(huán)形風(fēng)扇提供的風(fēng)量無法滿足散熱需求,在風(fēng)阻750Pa,冷卻系統(tǒng)需要風(fēng)量為3.4m3/s,開口風(fēng)扇提供風(fēng)量為3.8m3/s,滿足散熱需求,風(fēng)量超過需求值的11.8%。通過上述對比分析,采用開口硅油風(fēng)扇(Z650W-11D),牽引車采用開口硅油風(fēng)扇,同時從結(jié)構(gòu)上開口風(fēng)扇比環(huán)形風(fēng)扇軸向尺寸小,滿足布置空間要求,可有效縮短冷卻系統(tǒng)軸向尺寸,更有利于其他總成布置。

        2整車熱平衡試驗

        通過理論計算和試驗確定了冷卻器總成,為了確保整車可靠性要求,還需要對樣車進(jìn)行熱平衡試驗。在環(huán)境溫度>30℃條件下,對牽引車散熱系統(tǒng)進(jìn)行熱平衡試驗,采用8×4自卸車進(jìn)行負(fù)荷倒拖試驗(車貨總質(zhì)量為45t),調(diào)整牽引車和拖車試驗車運行車速穩(wěn)定在5km/h,發(fā)動機分別在功率點、大轉(zhuǎn)矩點附近工作,調(diào)整拖車狀態(tài),穩(wěn)定車速后,水溫穩(wěn)定30min后開始測量,測量牽引車水溫、進(jìn)排氣溫度,評估中冷器是否滿足要求,通過測量進(jìn)出口壓差12~15kPa,散熱器溫度差<40℃,同時冷卻液水溫<105℃,中冷后溫度比環(huán)境溫度≤35℃。通過整車熱平衡試驗,匹配的冷卻系統(tǒng)總成滿足要求。

        3結(jié)語

        本文對牽引車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行了匹配設(shè)計,結(jié)合中冷器和散熱器的風(fēng)洞臺架試驗,合理選擇了風(fēng)扇。通過整機的熱平衡試驗,驗證了選型的可行性,對后續(xù)其它專用車型設(shè)計起到了一定的指導(dǎo)作用。

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        作者:裴新才 馬旭峰 馬德平 單位:中國重汽集團(tuán)青島重工有限公司

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