大马力车型双散热双节温器外置冷却系统设计及应用

肖冰，赵萍，颜庆

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

引言

随着近些年发动机马力的提高，液力缓速器的使用，对重卡的冷却散热系统的要求也不断提高。汽车冷却系统主要保证发动机能够正常可靠的工作的一个重要系统，避免引起发动机过热。尤其是随着商用车发动机不断发展，发动机的马力不断增大、发动机的性能不断增强、其产生的热负荷及机械负荷也进一步的提高。因此，随着马力的增加，及缓速器的应用等，对商用车冷却系统以及整车热管理提出了越来越高的要求。

发动机冷却系统是重要作用是保障发动机整体性能、可靠性、耐久性。在各种工况下通过冷却系统来保障发动机在适合的温度下工作。所以，整车的冷却系统与发动机动力性、经济性、可靠性等有较大的关系[1]。节温器是调节冷却系统中用于调节通过散热器的冷却液流量和更改水路循环路线的部件[2]，故节温器的设计也尤为重要。液力缓速器是一种在车辆下坡时将机械能转化为热能的装置，而缓速器产生的热能需要通过整车散热系统散热，其与发动机共用一套冷却系统。液力缓速器是车辆传动系统中重要的辅助制动系统，有效减少行车制动器磨损，防止行车制动器失效，显著提高了重型卡车的安全性。[3]

陕汽大件牵引车系列主要针对大件运输自主设计开发，本次车型使用600马力进口康明斯发动机，国产法士特斜齿变速箱+并联缓速器，使用双散热系统，发动机硅油离合器风扇，辅助电子风扇结构。该进口发动机未预留缓速器进出水口，因需要有两个散热器串联安装，一个故系统水管路较为复杂。

1 冷却系统的功能

1）冷却系统需要具有足够的冷却能力，保证在所有工况下发动机的出水温度低于所要求的许用值。

2）具有除气功能，发动机起动后25分钟内应除尽初次加注时积存在冷却系中的空气。

3）具有一定的膨胀空间，其容积占系统容积的4%～6%。

4）具有一定的加注速度（19L/min，Cummins推荐）且一次加满率应达到总容积的90%。

5）具有一定的缺水能力，缺水量应满足规定的要求（大于初次未加满的冷却液容量）。

6）冷却系统中各个部件密封性能良好，不得漏气、漏水。[4]

2 冷却系统的各总成设计

2.1 双节温器外置双散热并联缓速器冷却系统

图1 冷却系统原理图

本次设计为在原先车型上进行改进，原先为Cummins600马力发动机匹配 ZF16档变速箱串联缓速器，本次车型做相应配置升级等，驾驶室匹配全新X3000驾驶室，Cummins600马力发动机匹配法士特16档斜齿变速箱并联缓速器。冷却系统的各模块计算过程省略，本文主要介绍管路连接的变动及相应的冷却系统升级。需拆除发动机中的节温器，同时管理中外接两个节温器，其中冷却系统主要管路连接及双散热器并联缓速器布置原理如图1所示。

2.2 散热器的设计

结合变宽车架及保险杠托架尺寸，主、副散热器选用原先大件车所使用散热器可满足要求，仅针对中冷器的设计更改散热器上相应中冷器的安装支架和孔位。

2.3 风扇选用及散热器的匹配

根据上次整车 IQA的实验结果为参考，依然选用 MS9-762mm开口电控硅油离合器风扇。主散热器使用传统位置发动机匹配风扇冷却，副散热器使用6个φ300的电子风扇组进行冷却，电子风扇的开启通过采集发动机水温信号进行智能控制，减少驾驶员的劳动强度，同时转速与水温呈线性关系。

图2 PWM占空比与水温变化关系图

2.4 膨胀水箱的结构设计及选用

2.4.1 膨胀水箱的作用

冷却系统的冷却效率及功能很大程度上取决于该系统是否附带系统压力或是否无气泡，这两种特性主要受膨胀水箱活力的影响。其具体作用为：

■ 接收加热时膨胀的冷却液

■ 分离出系统中的空气

■ 储备一定量的冷却液用于补偿泄露损失

■ 冷却系统的稳压和限压

■ 方便冷却液的加注和液面检查

膨胀水箱设计时应注意：

■ 带有液位报警器，提醒驾驶员及时添加冷却液

■ 整车布置时，膨胀水箱的最低点应高于发动机水道顶部和散热器上水室，基本应该在散热系统最高点。

■ 膨胀水箱总容积分为膨胀容积、储备容积、必留容积。其中膨胀容积约为系统总容积的6%、储备容积约为系统总容积的11%～20%、必备容积，防止冷却液循环中卷入空气，为最低液面距底面不小于35mm。

大件牵引车在设计冷却系统时，由于双散热系统，且管路较为复杂，所需膨胀水箱容积较大，使用塑料膨胀水箱在小批量阶段由于开模等费用较高，对成本影响较大。最早使用并联双塑料膨胀水箱，缺点为管路复杂、除气效果不佳、易产生液面不均等问题，后改进为串联不锈钢气瓶与塑料膨胀水箱，缺点为管路复杂，无法观察液面且容易加注错误。本次最终确定使用新型不锈钢膨胀水箱，体积较大、不用开模、且带观察管柱，易于观察液面，在试制阶段可控制成本，同时效果较好。

2.4.2 膨胀水箱容积的计算

系统总容积包括冷却管路容积，散热器容积，发动机本体容积，膨胀水箱的储备水量等，根据数模、散热器参数、发动机参数等计算系统总容积约为 94L。理论上膨胀水箱容积V

通过计算可得23.5L的膨胀水箱可满足要求。

2.5 风扇护风圈的设计

护风圈与风扇的径向间隙对风扇容积效率影响较大，在允许的条件下应尽量减少风扇和护风圈之间的径向间隙，叶尖与导风罩间隙约为1.5%～2.5%风扇直径，风扇距离散热器芯之间的距离不小于50mm，风扇叶片1/2进入护风圈。

2.6 风扇护风圈的设计

为了冷却高温空气及降低增压后空气的温度，使得进入发动机气缸中的空气密度增大，同时根据之前IQA测试的数据及实验样车成本考虑，同时结合车架及保险杠托架尺寸。本次设计中将原先中冷器芯子尺寸扩宽30。

2.7 外置节温器的设计

石蜡机械式节温器工作原理∶节温器芯子为石蜡填充，石蜡的体积受温度控制，冷却液温度较低时，石蜡呈固态，旁通阀关闭。如图3示，冷却液从A口进B口出。反之，石蜡体积膨胀，旁通阀打开，冷却液从A口进C口出。通过双外置节温器内部旁通阀的开启来改变冷却系走向，改变大小循环及冷却水路走向。

图3 节温器示意图

3 冷却系统布置形式

因陕汽大件车匹配的600马力发动机，主要用于牵引300吨以上不可拆卸大件货物，系统中还有变速箱缓速器，工况复杂，因此，在相关设计过程中，大件车冷却系统的匹配设计一直都是重点难点，同时在冷却系统中存在两个散热器，对于管路布置连接相对于单散热器系统复杂度高。结合整车布置结构特点、对冷却系统管路布置设计如图4所示：

图4 冷却系统布置图

主散热器与中冷器位于发动机前端，通过发动机风扇来散热，副散热器位于固定架上，通过6个电子风扇来散热。当发动机起动时，水温不高，冷却液从发动机流出经过节温器1，然后经过缓速器经过节温器2流回发动机，当水温较高，超过83℃时，节温器1开启，经过侧散热器散热，流过缓速器，经过节温器2流回发动机，如水温仍然高，或者是由于缓速器开启导致水温上升等情况，则节温器2开启，水流经过主散热器然后流回发动机。

4 小结

通过对陕汽大件牵引车冷却系统的改进设计，说明设计冷却系统需要注意的问题，为大马力发动机和并联缓速器在整车匹配时提供了理论参考。同时应用的不锈钢膨胀水箱可方便应用于小批量常规塑料膨胀水箱无法满足的小批量阶段，节省开模成本。本冷却系统顺利通过了IQA实验。陕汽大件车在投放市场多年来，得到了市场的认可，目前在国内大件车行业得到了比较好的市场反应。本次冷却系统通过了IQA实验，可满足大件牵引车在各种工况下的运输过程的冷却需求，使用性能稳定、后续维修保养方便，得到市场充分肯定和客户的认可。