非公路矿用自卸车发动机冷却系统匹配研究
2018-12-21谢凤群王志行
张 超 谢凤群 王志行
(徐州徐工矿山机械有限公司,江苏徐州221000)
0 引言
冷却系统作为车用发动机的重要分系统,其功能是将受热件传导出来的热量,及时散发到周围环境中去,使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。良好的冷却系统既要防止发动机过热,也要防止冬季发动机过冷。此外,在冷态的发动机起机之后,冷却系统还要保证发动机迅速升温,尽快达到正常的工作温度[1]。
矿用自卸车因使用工况极其恶劣,对发动机冷却系统的要求也更加苛刻:多尘环境下,有足够的散热能力;高温、高寒和高海拔地区等特殊工况下,冷却系统仍能正常工作[2]。因此,冷却系统设计的好坏对车辆的经济性和动力性尤为重要。本文以某大型非公路矿用自卸车为例,对冷却系统进行了匹配计算。
1 发动机冷却系统原理
非公路矿用自卸车冷却系统一般为强制循环水冷系统,由发动机水套、水泵、节温器、低温散热器、高温散热器、膨胀水箱、风扇、冷却管道等组成,如图1所示。
图1 发动机冷却系统的构成
如图2所示,矿用发动机多采用双泵双循环水冷系统。
高温循环水冷系统中,冷却水通过高温水泵流经机油冷却器、发动机缸套,将发动机缸套的发热量带出,在经过高温节温器时,当水温低于节温器开启温度,回到高温水泵;当水温大于节温器开启温度,流经高温散热器后,回到高温水泵。
低温循环水冷系统中,冷却水通过低温水泵流经中冷器,将中冷器的发热量带出,在经过节温器时,当水温低于低温节温器开启温度,回到低温水泵;当水温大于低温节温器开启温度,流经低温散热器后,回到低温水泵。
图2 发动机冷却系统循环示意图
冷却水将发动机缸套和中冷器的发热量带出,在散热器芯体内部流动后,和流过散热器芯体外的冷空气进行热交换。当风扇控制器控制的风扇旋转工作时,散热器的散热能力增强,加速了冷却水的冷却。
2 发动机冷却系统匹配计算
车辆冷却系统的设计步骤[3]:(1)确定发动机、变速箱、液压系统等的散热量;(2)确定所需冷却水的流量;(3)确定风扇风量、转速、直径等数据;(4)确定高温散热器、低温散热器的散热面积和芯体尺寸;(5)对冷却系统进行匹配计算,确定冷却系统工作点。最后,经过比较对设计进行修改。大型矿用自卸车的运行工况以矿区的山路为主,道路条件较差,坡路多,另外车辆本身处于重载甚至超载的情况也很普遍,所以应适当增大安全系数,以保证车辆发动机能够长期正常运行。
2.1 基本参数
本文所设计的冷却系统需满足45℃高温环境要求,只针对发动机发出的散热量进行匹配研究,具体发动机相关参数如表1和表2所示。
表1 某矿用发动机HTC基本参数
2.2 冷却空气的体积流量
冷却空气的流量,即冷却风扇的供风量qv,a,根据冷却系统应散发出去的热量Qw,由热平衡方程进行计算[4]:
表2 某矿用发动机LTC基本参数
式中,Qw为冷却系统需带走的热量(kJ/h),为发动机缸套冷却液散热量Qw1和中冷器冷却液散热量Qw2之和;Δta为冷却空气进、出水散热器的温升,通常为20~30℃,取25℃;ρa为空气的密度,45℃环境温度下取1.11 kg/m3;cp,a为空气定压比热容,可近似取1.005 kJ/(kg·℃)。
将相关数据代入,求得qv,a=48.4 m3/s,考虑到风扇效率和损失,取储备系数1.1,故实际冷却空气的流量为53.24 m3/s。
2.3 冷却风扇参数确定
矿用自卸车风扇多采用发动机直接驱动,首先,依据整车布置及发动机风扇中心高度参数等,确定风扇传动比,确定额定转速下的风扇转速;其次,依据散热器芯体的正面面积,确定直径大小;最后,依据冷却空气流量和冷却系风道系统阻力确定风扇静压和风扇风量,如图3所示。
图3 风扇静压曲线
2.4 散热器散热面积的计算
散热器作为整个发动机冷却系统的核心单元,其设计主要包括散热面积计算、散热器芯体、水室设计、膨胀水箱、导风罩设计等。本文只介绍散热面积计算。矿用自卸车散热器芯体包括低温散热器芯体和高温散热器芯体,前后布置。实际计算中,忽略上、中、下水室的影响,只计算高温芯体的散热面积Sw1和低温芯体的散热面积Sw2。
式中,φw为储备系数,一般取1.1;Kw为传热系数[W/(m2·K)],可由公式(3)计算;Δtm为热换介质算数平均温差(℃),可由公式(4)计算。
式中,αw为冷却水的对流热换系数[W/(m2·K)];δ为材料厚度(m);λ为材料热导率[W/(m2·K)];αk为空气的对流热换系数[W/(m2·K)]。
式中,tw1为散热器进水温度(℃);tw2为散热器出水温度(℃);tk1为空气进入散热器温度(℃);tk2为空气流出散热器温度(℃)。
将相关参数代入公式(2)、(3)、(4),得出Sw1和Sw2。
3 热平衡试验与结果
对搭载某发动机的矿用自卸车进行热平衡负载试验,试验按照下列方案实施:测试时环境温度35℃,热平衡试验为额定功率点工况,以电阻栅作为负载,原地满功率加载测试。具体试验结果如图4所示。
图4 热平衡试验冷却水温度变化曲线
图中,经过大约55 min的时间,发动机高温冷却水和低温冷却水均达到了平衡温度,分别为89.5℃、61.2℃。根据公式可计算出发动机的实际极限环境使用温度LTA。
根据试验结果,可判断出设计满足要求。
4 结语
本文通过对某矿用自卸车的发动机冷却系统进行匹配计算,可知当极限环境温度低于45℃时,散热器芯体、风扇的参数设计可满足要求,为相关工程设计人员提供了理论依据。
冷却系统匹配计算是一个参数不断优化的过程,优化的同时,也提高了整车的经济性和动力性。