护风圈结构对冷却性能影响的试验研究

薛黎明 张涛 王东亮 王强

摘 要：护风圈是冷却系统的子部件之一，其设计好坏直接影响发动机的冷却性能。以重型自卸车为研究对象，通过基于道路的热平衡试验，分析对比了内插入式护风圈与外插入式护风圈对发动机冷却性能的影响差异。试验结果表明：与外插入式护风圈相比，内插入式护风圈可以有效改善发动机的冷却性能，提高整车极限使用许用环境温度，对解决重型自卸车发动机水温过高问题具有实际指导意义。

关键词：护风圈 冷却性能 热平衡 重型自卸 风扇 发动机舱

1 前言

整车冷却系统设计是一个系统工程，也是行业公认的技术难题。冷却系统的功能是保证发动机在任何负荷条件下均能正常和可靠地工作而不引起发动机过热。护风圈作为冷却系统的关键子部件之一，实际工作中与冷却风扇配合使用。护风圈能够集中风力，为风扇提供良好的进口条件，还可以使风扇间隙的湍流减小起到提升流量、降低噪音以及提高效率的作用。护风圈设计好坏，直接影响冷却风扇的氣动性能[1]。目前在整车冷却系统匹配选型时，针对护风圈的设计，大多企业将重点放在护风圈与冷却风扇叶端径向间隙和风扇投影宽度伸入护风圈的深度上。根据设计经验与试验验证结论，一般推荐冷却风扇叶端与护风圈径向间隙小于风扇直径的2.5%，风扇叶片投影宽度应伸入护风圈2/3为宜[2]。但是还没有关于护风圈结构对冷却性能影响的热平衡试验研究。

本文以重型自卸车为研究对象，通过基于道路的热平衡试验，分析对比了内插入式护风圈与外插入式护风圈对发动机冷却性能的影响差异，为冷却系统护风圈结构选型提供参考依据。

2 护风圈结构

根据护风圈与风扇相对位置关系，护风圈结构分为外插入式护风圈和内插入式护风圈。把护风圈位于风扇外围，包围着整个风扇的护风圈称为外插入式护风圈，其特点是护风圈的内径大于风扇外径，可以与开口风扇和环形风扇配合使用;对于环形风扇，护风圈引伸到圆环内侧，从而形成内插入式护风圈，其特点是护风圈外径小于风扇外径。

3 试验方法与评价指标

3.1 试验方法

热平衡试验采用道路负荷拖车法，以负荷拖车施加坡度阻力，通过车辆的实际道路行驶来进行热平衡试验，试验结果与实际工况符合程度较高[4]。试验工况为车辆极限使用工况[5]，测量发动机进、出水温度、环境温度、发动机转速、发动机扭矩百分比等参数。

试验在同一试验车辆、同一路段进行，尽量保证试验一致性，避免试验条件不同而产生试验误差。为方便对比，在试验样车上先进行外插入式护风圈热平衡试验，然后试验样车更换内插入式护风圈再次进行热平衡试验。为使试验结果更具有说服力，选取2台试验样车进行上述试验。

3.2 评价指标

整车热平衡性能以极限使用许用环境温度为评价指标。根据极限使用许用环境温度计算公式[6]，即：

T=TL-（Ttest-Tambient）      （1）

式中：TL为冷却液最高许用温度;Ttest为测量得到的最高稳定发动机出水温度;Tambient为试验时的环境温度。

4 试验举例及分析

以湖北大运生产的2台8*4重型自卸车为例，两台试验样车分别命名为样车A、样车B。两台试验样车配置几乎一置，仅驾驶室地板结构有少许差异，其中样车A为通道式地板，样车B为阶梯式地板。两台试验样车首先搭载外插入式护风圈进行热平衡试验，然后均更换内插入式护风圈再次进行热平衡试验。

试验前，两台试验样车与负荷拖车均加载至最大设计总质量，断开冷却风扇电控硅油离合器线束，使风扇强制直联。拆掉节温器，使用木塞封堵冷却液小循环路径，强制冷却液按大循环流动。试验过程中开启空调，风量调节开关置于最大位置，温度调节开关置于最大冷却模式。

通过以上措施，保证发动机在热平衡试验过程中，始终能够发挥最大的冷却效能。试验车辆油门全开行驶，负荷拖车通过档位与刹车对试验车辆施加负荷，使试验车辆发动机转速稳定在最大扭矩转速。当连续4min内，发动机出水温度与环境温度的差值无升高的趋势且变化均在±1℃以内时，即认为车辆达到热平衡，试验终止。

4.1 样车A整车热平衡试验数据

样车A搭载外插入式护风圈与内插入式护风圈热平衡试验结果如图1和表1所示。

通过图1和表1可以看出，样车A搭载外插入式护风圈，达到热平衡状态时，发动机出水温度为101.8℃，发动机进水温度为91.3℃，环境温度32.1℃;搭载内插入式护风圈，达到热平衡状态时，发动机出水温度为96.0℃，发动机进水温度为88.9℃，环境温度32.1℃。

4.2 样车B整车热平衡试验数据

样车B分别搭载外插式护风圈与内插式护风圈热平衡试验结果如图2和表2所示。

通过图2和表2可以看出，样车B搭载外插入式护风圈，达到热平衡状态时，发动机出水温度为101.8℃，发动机进水温度为94.1℃，环境温度34.5℃;搭载内插入式护风圈，达到热平衡状态时，发动机出水温度为99.2℃，发动机进水温度为91.9℃，环境温度40.7℃。

4.3 试验数据对比分析

分别计算热平衡试验中两台试验样车搭载不同结构护风圈冷却常数（发动机最高稳定出水温度与环境温度的差值）与车辆极限使用许用环境温度（以冷却液最高许用温度102℃计算）。

样车A分别搭载外插入式护风圈与内插入式护风圈，各项数据对比如图3所示。

通过图3可以看出，样车A搭载外插式护风圈，冷却常数为69.7℃，极限使用许用环境温度为32.3℃;搭载内插入式护风圈，冷却常数为63.9℃，极限使用许用环境温度为38.1℃。相比于外插入式护风圈，内插入式护风圈使样车A冷却常数降低5.8℃，而极限使用许用环境温度提高5.8℃。

样车B分别搭载外插入式护风圈与内插入式护风圈，各项数据对比如图4所示。

通过图4可以看出，样车B搭载外插式护风圈，冷却常数为67.3℃，极限使用许用环境温度为34.7℃;搭载内插入式护风圈，冷却常数为58.8℃，极限使用许用环境温度43.5℃。相比于外插入式护风圈，内插入式护风圈使样车B冷却常数降低8.8℃，而极限使用许用环境温度提高8.8℃。

通过以上数据可以看出，内插入式护风圈对样车A、样车B冷却性能的影响并不完全一致，分析主要原因为样车A与样车B驾驶室地板结构不同导致（其中样车A为通道式地板，样车B为阶梯式地板）。

5 结论

通过基于道路的整车热平衡试验，对外插入式护风圈与内插入式护风圈两种不同的护风圈结构对整车冷却性能的影响进行试验研究。研究发现：与外插入式护风圈相比，内插入式护风圈可以有效提升发动机冷却性能，提高车辆极限使用许用环境温度。

参考文献：

[1]潘登辉.发动机冷却风扇护风圈结构对风扇性能影响的研究[D].广州：华南理工大学.2017.43-51.

[2]崔勇，翟旭军，朱永，等.商用车发动机冷却系统的布置设计[J].装备制造技术，2017，09：245-247.

[3]习羽.工程车辆冷却风扇流体特性研究[D].长春：吉林大学，2013.

[4]张林，胡久强，张大城，等.基于道路模拟的商用车热平衡试验方法研究[J].潍阴工学院学报，2019，28（3）：52-56.

[5]GB/T 12542-2009，汽车热平衡能力道路试验方法[S].

[6]曹原，李荣光，李剑，等.基于风洞试验的重型卡车冷却系统匹配细节设计[J].电气与自动化，2016，45（4）：219-222.