简述某轻型卡车发动机冷却系统设计与分析

2018-05-26苏忠浩温玉霜曹建孙永强

汽车实用技术 2018年8期

苏忠浩，温玉霜，曹建，孙永强

（徐州徐工环境技术有限公司，江苏徐州 221000）

前言

随着我国对发动机排放及EGR率要求越来越高，使得发动机技术更新的同时，对发动机的散热要求也越来越高。而轻型卡车在不增加整机重量，空间有限的情况下，所以我们在设计轻型卡车时要从各个方面考虑发动机的散热效果，以达到整机的要求。根据有关资料介绍，发动机故障的 50%左右是由冷却系统故障引起的。可见冷却系统在车辆可靠性所占的地位。散热器是整个发动机的冷却系统最重要的一部分，主要包括中冷器（CAC），水散（RAD）。如果发动机出现高温报警，会使出现限扭，增加油耗等现象；如果出现过冷现象，也是无法让发动机的工作效率达到最佳状态，甚至对于整机来说是一种浪费。所以，为了更好的匹配一款性价比合适的散热器至关重要。

1 水散的结构选型

水散的结构式有芯体、上水室、下水室等3部分组成。

1.1 水散的芯体结构形式

目前，在市场上主流的铝制散热器形式有三种，一是板翅式，二是管带式，三是管片式。由于轻型卡车是商用车的原因，我们基本考虑管带式和管片式。管片式的特点是结构强度好，承压能力较高，不容易堵塞芯体，且容易清理；结构由扁圆管和散热片钎焊而成，冷侧风通过阻力小，增加了传热面积。多使用震动较大、环境恶劣的重载车上。管带式的特点是结构强度一般，结构是用扁圆管和波纹状百叶窗式散热带钎焊而成，这种结构使冷侧风产生紊流现象，从而使散热能力提高，一般是同等条件下管片式的 12%。管带式的制造工艺简单、质量轻、成本低，但结构强度不如管片式好。综合考虑轻卡的使用工况，管带式从性价比来说，是比较合适的。

图1

1.2 水散的水流形式

强制循环式水冷用散热器可分为纵流型和横流型。横流式散热器在汽车发动机上使用较为广泛，特点为可以增加芯体的宽带，从而增加散热器的散热面积，另一方面布置比较方便。纵流型散热器主要使用在载重的工况下，卡车比较适合使用这种纵流型散热器，这主要是卡车的车架空间限制，另一方面如果散热器在整机测试阶段无法满足热平衡的要求，可以通过垂直方向增加散热面积。散热器的结构强度可以通过芯体两侧的结构进行加强。

图2

2 一款轻卡散热器的实例

需求设计一款轻型卡车，使用发动机为康明斯ISF2.8，

要求满足环境温度为40℃，载重3吨。

2.1 发动机的参数

表1

2.2 风扇参数

硅油离合器风扇型号：F457W-7 ，风扇速比：1.1∶1。

2.3 性能匹配

利用 KULI分析软件匹配此款轻型卡车的散热器性能计算分析。设置KULI软件的边界条件：热风回流6℃，风扇在机舱的热辐射下效率衰减10%，机舱系统阻力考虑57.7%等。

具体分析后的数据如下：

图3

在性能计算时使用42℃，为了给散热器增加安全系数，我们在设计初期增加2℃余量。

通过分析后得出满足整机散热器空间的芯体尺寸：

水散：高x宽x芯厚：595x620x40；中冷器：高x宽x芯厚：370x520x65

图4 KULI中模块分布图

散热器与风扇的性能匹配曲线：

图5

通过KULI匹配数据看，此管带式散热器在性能和空间布置上能够满足要求，可以使用。

2.4 CFD流场分析

2.4.1 三维CFD仿真边界条件设定

图6 冷凝器单位厚度风阻曲线

图7 水散热器单位厚度风阻曲线

图8 中冷器单位厚度风阻曲线

图9

对整机中的冷却系统中的冷凝器、中冷器和水散热器组成的冷却模块采用多孔介质模型，并根据性能分析中的风阻和速度曲线设置多孔介质参数。使用 Realizable k-ε两方程湍流模型和非平衡壁面函数对湍流场进行模拟。

三维CFD仿真输出结果：

表2

通过截取关键截面矢量图，有助于了解动力舱的流动状况，从而发现设计不足，提供改进措施。

图10 水平截面流线图

图11 垂直截面流线图

三维与一维联合仿真分析：

图12 速度矢量图

三维仿真输出结果分析

速度矢量图与流线图分析

1）从风扇出口流出的气流基本没有返回到冷却模块进口，热风回流并不明显。

2）风扇出口流出的气流直接绕过发动机，从发动机四周向车尾流动，气流组织也较理想。

3）导风罩内部设计不太合理，导风罩内部阻力较大。

根据流场分析，我们需要优化导风罩，更改为文丘里导风罩，控制风扇与导风罩沉浸比例1/2-2/3。

3 提高散热器性能的其他方法

由于我国对发动机的要求越来越高，发动机技术提升的同时，对冷却系统的要求也很高。对于我们整机来说，在有限的空间里满足要求很困难。我们只能从动力系统的优化来考虑。主要有：1）增加散热面积，可优化散热器的芯体配置，如开窗的散热带，打点的扁圆管。2）增加隔热装置，防止热风回流。3）优化风扇与导风罩之间的间隙，可采用柔性连接实现。4）优化动力舱的进排气流场。5）优化导风罩的结构，如文丘里导风罩。6）选用性能更高的风扇等措施。