劉善鍔，陳煌熙，羅 沖，楊 勇

（湖南南車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司，湖南 株洲 412007）

1 概述

基于節(jié)能考慮，混合動(dòng)力客車?yán)鋮s系配置電子風(fēng)扇已成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的節(jié)能途徑[1]。但轉(zhuǎn)速、扇葉直徑、輸入電流影響風(fēng)扇的風(fēng)量，故散熱器的匹配選型需考慮以上因素。

本文以我公司的TEG6102PHEV混合動(dòng)力客車為例，提出一種針對電子風(fēng)扇控制散熱器冷卻的散熱面積計(jì)算方法[2]。

TEG6102PHEV配置玉柴YC6J220-30發(fā)動(dòng)機(jī)、4個(gè)上海SPAL電子風(fēng)扇VA01-BP90/VLL-66A（吸風(fēng)式）。有關(guān)配置參數(shù)分別見表1-3。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能參數(shù)

表2 冷卻系統(tǒng)參數(shù)

表3 電子風(fēng)扇參數(shù)

2 計(jì)算過程

2.1 確定散熱器散熱量Qw

一般情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)公司都會(huì)給出具體的散熱量或者散熱面積。YC6J220-30發(fā)動(dòng)機(jī)給定的散熱器散熱面積≥39 m2。對于使用電子風(fēng)扇的客車而言，如果按發(fā)動(dòng)機(jī)給定的數(shù)據(jù)確定散熱器的散熱面積，其結(jié)果是冷卻性能達(dá)不到發(fā)動(dòng)機(jī)公司的合格評(píng)價(jià)要求，因?yàn)樯鲜鰯?shù)據(jù)沒有考慮整車具體布置及配置。因此，非常有必要對冷卻系使用的散熱器重新進(jìn)行散熱面積計(jì)算。

依據(jù)計(jì)算公式Q=kS△t[3]反推求得散熱器散熱面積比較煩瑣。如果以載貨汽車推薦計(jì)算方法：0.10～0.16 m2/kW[3]求得散熱器散熱面積，經(jīng)過實(shí)際裝車驗(yàn)證是不適合電子風(fēng)扇的冷卻系統(tǒng)。汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的散熱量受到許多復(fù)雜因素的影響，很難精確計(jì)算。不過對于車用柴油機(jī)可參照文獻(xiàn)[4]中的推薦公式Qw=qNe進(jìn)行估算，其中q為比散熱量（kcal/PS·h）；直噴式增壓柴油機(jī)，q=300～400 kcal/PS·h。但實(shí)際應(yīng)用過程中，對于國Ⅲ與國Ⅳ渦輪增壓直噴式發(fā)動(dòng)機(jī)，有些文獻(xiàn)推薦使用q=348.9～465.2 kcal/PS·h[5]；Ne為發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率，PS。

考慮城市客車經(jīng)常處于超載狀況與散熱器長時(shí)間使用性能會(huì)下降，所以選擇較大的比散熱量q=465 kcal/PS·h，因此，散熱器散熱量Qw=qNe=465×220=1.023×105kcal/h。

2.2 確定換熱介質(zhì)理論溫差值

1）散熱器進(jìn)水溫度tw1。閉式冷卻系可取tw1=83℃～95℃，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作狀態(tài)的水溫≤95℃，此處選溫度tw1=94℃。此值相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)的出水溫度，基本上發(fā)動(dòng)機(jī)公司規(guī)定水溫最高也不超過95℃。

2）散熱器出水溫度tw2。tw2=tw1-△tw?！鱰w為冷卻液在散熱器中的最大溫降。強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)取△tw=6℃～12℃（注：玉柴、濰柴、康明斯匹配評(píng)價(jià)規(guī)定進(jìn)出水溫差為3℃～7℃，上柴規(guī)定進(jìn)出水溫差為≥9℃）。此處可選△tw=10℃，則tw2=94-10=84℃，此值相當(dāng)于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水溫度。

3）進(jìn)入散熱器的空氣溫度ta1。一般可取ta1=40℃～45℃，考慮南方地區(qū)的高溫天氣，此處選為ta1=43℃。

4）流出散熱器的空氣溫度ta2。ta2=ta1+△ta。式中，△ta為空氣流過散熱器的溫升，可按下列公式計(jì)算：

式中：Az為散熱器芯部的迎風(fēng)面積，一般可取Az=0.2～0.7 m2，有些文獻(xiàn)推薦可按0.31～0.37 m2/（100 kW）選取[6]。我司TEG6102PHEV客車的散熱器正面有效迎風(fēng)面積尺寸為695 mm×680 mm，此處選Az=0.695×0.68=0.4726 m2；Cp為空氣定壓比熱，查文獻(xiàn) [4]可得 Cp=1.005 kJ/kg·k，經(jīng)熱功當(dāng)量換算后得Cp=0.24 kcal/kg·℃；Vk為散熱器前的空氣流速，對于車用發(fā)動(dòng)機(jī)可取Vk=12～15 m/s，但TEG6102PHEV用的是VA01-BP90/VLL-66A電子風(fēng)扇。經(jīng)過多次熱平衡試驗(yàn)，驗(yàn)證散熱器前的平均空氣流速Vk=9 m/s；ρk為空氣密度，設(shè)定在一個(gè)大氣壓下，氣溫為50℃時(shí)，查文獻(xiàn) [7]可得 ρk=1.093 kg/m3。

同時(shí)，求出ta2=ta1+△ta=43+25.5=68.5℃

2.3 確定平均溫差修正系數(shù)φ

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻形式屬于兩種流體（空氣及冷卻水）互不混合的交叉流式換熱形式，與熱力學(xué)的簡單順流與逆流的換熱形式不同，所以要以修正系數(shù)φ對平均溫差結(jié)果進(jìn)行計(jì)算修正。而φ值的大小取決于兩個(gè)無量綱的參數(shù)P及R。一次交叉流兩種流體各自都不混合時(shí)的φ值原理圖見圖1；PR-φ的關(guān)系圖見圖2。計(jì)算公式如下：

式中：下標(biāo)1與2分別表示冷卻水與空氣這兩種流體，上角標(biāo)“′”與“″”表示冷卻水的出口與進(jìn)口及空氣的流進(jìn)與流出。在本例中，t′1相當(dāng)于 tw1=94℃，t″1相當(dāng)于tw2=84℃，t′2相當(dāng)于 ta1=43℃，t″2相當(dāng)于 ta2=68.5℃。由此，可求得P=0.5，R=0.39。對照圖2，查到φ=0.97。

2.4 確定換熱介質(zhì)平均溫差△tm

按照文獻(xiàn)[4]《中冊》第494頁中的解釋，△tm與△ta之間的差別不超過1℃～2℃（3%～4%），因此，可以認(rèn)為兩者是相同的。但筆者認(rèn)為，非常有必要進(jìn)行理論計(jì)算。根據(jù)傳熱學(xué)原理，平均溫差△tm可按下列公式計(jì)算：

其中，△tmax=tw1-ta1=94-43=51℃，△tmin=tw2-ta2=84-68.5=15.5℃，因此

而由前述可知，△ta=25.5℃。因此，計(jì)算結(jié)果表明并非與文獻(xiàn)[4]解釋的相同。但是，理論計(jì)算受許多主客觀因素影響，所以從另一個(gè)角度考慮，也可以認(rèn)為文獻(xiàn)[4]的解釋是正確的。

2.5 確定散熱器傳熱系數(shù)K

傳熱系數(shù)K是評(píng)價(jià)散熱器性能的重要參數(shù)，其主要影響因素有：散熱器的制造工藝（主要是焊接質(zhì)量）、散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸、通過散熱片的空氣流速、水管中冷卻水的流速等[4]。計(jì)算公式：

式中：aw為水的放熱系數(shù)，當(dāng)管內(nèi)水流速度Vw=0.2～0.6 m/s時(shí)，可取aw=2000～3500 kcal/m2·h·℃；λ為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，散熱器由黃銅材料制成，對黃銅可取λ=80～100 kcal/m2·h·℃；δ為材料厚度，可取δ=0.00015～0.0002 m；aα為空氣的放熱系數(shù)，它主要決定于空氣流過散熱器的速度，一般選取放熱系數(shù)aα=60～105 kcal/m2·h·℃范圍之內(nèi)。

現(xiàn)取 aw=3200，λ=95，δ=0.0002，aα=98；代入上面公式計(jì)算，得 K=95.0689 kcal/m2·h·℃。

除了上述計(jì)算，文獻(xiàn)[5]給出選取的數(shù)據(jù)，對于銅制管帶式散熱器，K=93～116 kcal/m2·h·℃?？傊?，傳熱系數(shù)K的選取或者計(jì)算很難達(dá)到精準(zhǔn)。

2.6 計(jì)算散熱器散熱面積F R

散熱器散熱面積FR（略去上、下水室所散走的熱量不計(jì)），可按如下公式計(jì)算：

式中：φR為儲(chǔ)備系數(shù)，考慮焊接不良，冷卻水垢等對散熱器性能的影響，可取φR=1.2。將計(jì)算出來的參數(shù)代入公式后，得FR=（1.2×1.023×105）/（95.0689×29.2）=44.2 m2。

2.7 電子風(fēng)扇空氣流量計(jì)算驗(yàn)證

筆者曾做過多次試驗(yàn)，不同型號(hào)的電子風(fēng)扇，其風(fēng)量、流速、電流與冷卻能力是相輔相成的。因此，有必要校驗(yàn)配置的電子風(fēng)扇是否滿足冷卻能力需要。TEG6102 PHEV并聯(lián)混合動(dòng)力客車使用的電子風(fēng)扇VA01-BP90/VLL-66A性能參數(shù)如表4所示。

表4 VA01-BP 90/VLL-66A性能參數(shù)

式中：Qw為散熱器的散熱量，kcal/h，本文Qw=1.023×105kcal/h；γα為空氣重度，在 40℃～50℃時(shí)，γα=1.05～1.2 kgf/m3，選取 γα=1.11 kgf/m3；Cp為空氣定壓比熱，此文中Cp=0.24 kcal/kg；℃；△ta為進(jìn)出散熱器的空氣溫差，一般取10℃～30℃。此文中，△ta=25.5℃。

將以上述數(shù)據(jù)代入上述公式，求得Qσ=4.1831 m3/s。

計(jì)算結(jié)果表明，此冷卻系統(tǒng)需要的總冷卻風(fēng)量不小于4.1831 m3/s。現(xiàn)布置4個(gè)電子風(fēng)扇，那么單個(gè)的電子風(fēng)扇風(fēng)量為Qσ/4=1.045 m3/s。

除了校核電子風(fēng)扇風(fēng)量以外，還必須計(jì)算風(fēng)阻△tp。風(fēng)阻影響冷卻風(fēng)量，風(fēng)阻小，冷卻風(fēng)量大，反之則小。文獻(xiàn)[4]有推薦值，一般情況下，汽車風(fēng)扇的△tp=20～50 kgf/m2。本文選取一個(gè)中間值，即△tp=30 kgf/m2=294.2 Pa。對照VA01-BP90/VLL-66A性能參數(shù)表，計(jì)算出來的風(fēng)阻值接近298.9 Pa。在298.9 Pa風(fēng)阻條件下，電子風(fēng)扇的風(fēng)量為1.014 m3/s，輸入電流值為12.3 A。推斷風(fēng)阻為294.2 Pa時(shí)，電子風(fēng)扇的風(fēng)量＞1.014 m3/s，輸入電流值＜12.3 A。計(jì)算數(shù)值接近，因此，認(rèn)為電子風(fēng)扇性能參數(shù)滿足冷卻需要。

依據(jù)文獻(xiàn)[4]中的風(fēng)扇性能參數(shù)計(jì)算公式，需要確定風(fēng)扇的風(fēng)量Qσ（空氣流量），以校核電子風(fēng)扇的風(fēng)量是否滿足冷卻需要。

3 裝車驗(yàn)證應(yīng)用

經(jīng)過校核，確定散熱器芯子結(jié)構(gòu)尺寸在695 mm×712 mm×78 mm條件下，散熱器的散熱面積FR為44.4 m2。散熱器的芯部材料采用銅質(zhì)材料，銅是導(dǎo)熱性最好的金屬材料，具有優(yōu)良的成型加工性、可釬焊性和耐蝕性[8]。實(shí)際安裝方式為中冷器與散熱器串聯(lián)，并且發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系的中冷器迎風(fēng)面處疊加一套驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)，即驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系疊加安裝共用四個(gè)電子風(fēng)扇?？紤]兩套冷卻系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，因此，整車控制器在軟硬件方面增加“發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理功能”，由特定的邏輯控制關(guān)系進(jìn)行控制，發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)邏輯控制關(guān)系如表5所示。

表5 發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)邏輯控制關(guān)系

2009年8月底，在環(huán)境溫度為36.8℃情況下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)出水最高溫度90.8℃，進(jìn)水最高溫度87.1℃，冷卻系數(shù)K=54，發(fā)動(dòng)機(jī)艙最高溫度71℃。2009年11月，在環(huán)境溫度為28℃情況下再次進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度82℃，進(jìn)水溫度75.5℃，冷卻系數(shù)K=54，發(fā)動(dòng)機(jī)艙最高溫度62℃。綜合評(píng)價(jià)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻熱平衡合格[9]。數(shù)據(jù)表明，散熱面積滿足YC6J220-30發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻需求。

4 結(jié)束語

回訪客戶，用戶反映使用過程中發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，水溫合適，即使使用兩年以上，在夏天40℃高溫的環(huán)境下，都沒有出現(xiàn)冷卻液“開鍋”現(xiàn)象[10]，對冷卻系統(tǒng)表示滿意。市場應(yīng)用證明，我公司配置的VA01-BP90/VLL-66A電子風(fēng)扇的冷卻系散熱器滿足發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻要求。這表明本文的計(jì)算結(jié)果正確，計(jì)算方法可靠，值得推廣。

[1]莊繼德，莊蔚敏，葉福恒.低碳汽車技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[2]劉桂林.客車?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [J].客車技術(shù)與研究，2008，30（2）：32-35.

[3]汽車工程手冊編委會(huì).汽車工程手冊：設(shè)計(jì)篇[K].北京：人民交通出版社，2001.

[4]柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).柴油機(jī)設(shè)計(jì)手冊（中冊）[K].北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1984.

[5]李登龍，繆平.水散熱器散熱面積的計(jì)算[J].現(xiàn)代零部件，2007，（1）：70-72.

[6]王兆煖.散熱器、中冷器和風(fēng)扇的選型校核計(jì)算[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2009，（4）：20-31.

[7]趙漢中.工程流體力學(xué)（Ⅰ）[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

[8]黃暉，馬翠英，李國祥.汽車散熱器材料及其制造新技術(shù)[J].客車技術(shù)與研究，2006，28（4）：45-48.

[9]Q/YC 401-2006，玉柴發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用開發(fā)技術(shù)規(guī)范（冷卻系統(tǒng)）[S].

[10]張繼琳.CNG客車發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過高的原因及可采取的治理措施[J].客車技術(shù)與研究，2002，24（4）：17-20.