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

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℃80～952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Ｂ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 – 1/2?T – (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℃。３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３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/(kW·h)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