楊 洋, 曾 銳, 馮純純

(空軍勤務(wù)學(xué)院，徐州 221000)

因重卡車(chē)輛常在復(fù)雜或相對(duì)惡劣的環(huán)境下工作，冷卻系統(tǒng)的能力不足，會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛在高速行駛或者大負(fù)載爬坡等工況下，出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫現(xiàn)象，導(dǎo)致“開(kāi)鍋”故障，使車(chē)輛無(wú)法正常行駛，并降低發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命[1].發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能直接影響車(chē)輛動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性[2]，是重卡車(chē)輛必須面對(duì)和解決的問(wèn)題，所以,設(shè)計(jì)時(shí)，其零部件的優(yōu)化匹配是必然要求.

許多廠家在設(shè)計(jì)階段已將各因素考慮周全，如濰柴等發(fā)動(dòng)機(jī)廠家與主機(jī)廠合作搭建熱管理平臺(tái)，在冷卻系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)階段，將車(chē)輛在各工況下的性能要求考慮在內(nèi).即便如此，由于使用工況過(guò)于惡劣，或是車(chē)輛保養(yǎng)維護(hù)不及時(shí)，仍有部分車(chē)輛容易在夏季出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫故障.對(duì)于這些車(chē)輛的維修，也一直是各大主機(jī)廠的難題，一是夏季時(shí)間短，而高溫故障的分析解決需要試驗(yàn)與設(shè)計(jì)，周期較長(zhǎng)，影響車(chē)輛正常使用；二是對(duì)于一些傳統(tǒng)解決辦法，不經(jīng)匹配即加大水箱，加大風(fēng)扇，極易造成車(chē)輛功耗上升，油耗增加.為解決此類(lèi)故障，使車(chē)輛投入使用，各廠家也在尋求更為快捷有效的方法.文中對(duì)某款重卡車(chē)輛的冷卻系統(tǒng)零部件，利用KULI一維仿真分析，提出性能優(yōu)化方案，以快速解決高溫問(wèn)題.

1 整車(chē)熱平衡試驗(yàn)

某款重卡車(chē)輛夏季易出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫故障，為檢驗(yàn)其現(xiàn)階段散熱能力，對(duì)其按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 12542-2009汽車(chē)熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》進(jìn)行整車(chē)熱平衡測(cè)試，以其發(fā)動(dòng)機(jī)極限環(huán)境適用溫度為驗(yàn)證參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[3].根據(jù)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境適用溫度為大扭矩轉(zhuǎn)速下大于41 ℃，功率點(diǎn)大于45 ℃.該發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇為曲軸風(fēng)扇，風(fēng)扇與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相同，車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1，冷卻模塊與風(fēng)扇參數(shù)見(jiàn)表2.

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2 冷卻模塊與風(fēng)扇外形參數(shù)

熱平衡試驗(yàn)要求如下：試驗(yàn)條件分為扭矩點(diǎn)與功率點(diǎn)，扭矩點(diǎn)需控制車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 000～1 400 r/min，功率點(diǎn)需控制車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在1 900 r/min.環(huán)境溫度大于20 ℃；風(fēng)速小于3 m/s；濕度小于95%；節(jié)溫器全開(kāi).試驗(yàn)要求達(dá)到熱平衡時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度不能大于103 ℃，且環(huán)境許用溫度為功率點(diǎn)大于45 ℃，扭矩點(diǎn)大于41 ℃.試驗(yàn)環(huán)境為：溫度在31.4～35.3 ℃；空氣濕度在30%～40%；風(fēng)速為0.4～1.1 m/s.符合熱平衡試驗(yàn)的環(huán)境要求.

該試驗(yàn)為道路試驗(yàn)，在最大扭矩工況下,試驗(yàn)車(chē)輛負(fù)載拖車(chē)進(jìn)行加載，將試驗(yàn)速度穩(wěn)定在15～20 km/h，此時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速要控制在最大扭矩轉(zhuǎn)速，并且油門(mén)應(yīng)踩到底.在額定功率工況下，要求車(chē)輛在負(fù)載拖車(chē)的情況下，將發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定功率轉(zhuǎn)速，同樣油門(mén)踩到底，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速行駛.測(cè)得液氣溫差穩(wěn)定15 min后，即可認(rèn)定熱平衡狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄.該車(chē)熱平衡試驗(yàn)結(jié)果如表3.

表3 熱平衡路試結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，該車(chē)在高轉(zhuǎn)速功率點(diǎn)時(shí)，環(huán)境極限使用溫度為38.4 ℃，距離要求的41 ℃還有差距，說(shuō)明該工況下,散熱能力不足，容易發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)高溫故障.再看大負(fù)載扭矩點(diǎn)時(shí)，環(huán)境極限使用溫度為31.4 ℃，而且,在試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)水溫已達(dá)103 ℃的報(bào)警溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)限扭，說(shuō)明此工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行未達(dá)到熱平衡，散熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠大負(fù)載工況運(yùn)行.根據(jù)初次試驗(yàn)結(jié)果，該車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)散熱性能不足，需要對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化以提升散熱能力.

2 基于KULI仿真進(jìn)行方案優(yōu)化

2.1 優(yōu)化思路

首要考慮零部件性能的優(yōu)化以節(jié)省整改時(shí)間及成本.冷卻系統(tǒng)主要包含冷卻模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)水道、風(fēng)扇以及膨脹水箱等部件.其中，冷卻模塊是冷卻系統(tǒng)的主要散熱部件，它的散熱能力直接體現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的性能，根據(jù)現(xiàn)有的冷卻模塊產(chǎn)品，通過(guò)增加迎風(fēng)面積可有效的提升散熱能力，而相應(yīng)的減薄厚度,可以有效降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本[4]，但是，厚度的減少使得散熱面積降低，雖然增大了冷卻模塊的正面迎風(fēng)面積，需對(duì)其進(jìn)行KULI仿真計(jì)算以確定方案可行性.除通過(guò)冷卻模塊來(lái)保證其散熱性能，風(fēng)扇的能力對(duì)散熱效果的影響也較大，風(fēng)量的提高可以更高效的帶走熱量.

為保證以上冷卻模塊優(yōu)化方案的可行，現(xiàn)將優(yōu)化方案確定為:將原有704風(fēng)扇在滿足使用要求下更換為直徑更大的風(fēng)扇，并增大冷卻模塊.此方案確定后，根據(jù)試驗(yàn)要求的環(huán)境條件，進(jìn)行KULI仿真計(jì)算.基本思路如圖1所示.

2.2 部件優(yōu)化設(shè)計(jì)

選取冷卻系統(tǒng)中散熱器與風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化，將散熱器變薄、增大，將風(fēng)扇直徑增大.

根據(jù)車(chē)輛現(xiàn)況，為保證其離地間隙，冷卻模塊下方無(wú)空間，可向上增加高度.冷卻模塊左右空間極小，距離車(chē)架太近，寬度上不具備增大條件，如圖2所示.所以，對(duì)于冷卻模塊的整改方案，僅可以向上增加高度，根據(jù)冷卻模塊廠家提供產(chǎn)品參數(shù)，為提升散熱效果最少增加100 mm高度，而駕駛室下預(yù)留空間僅可滿足這一條件，所以，選用高度增加100 mm款冷卻模塊.

圖2 冷卻模塊與車(chē)架空間

風(fēng)扇的選用，根據(jù)風(fēng)扇供應(yīng)商提供風(fēng)扇參數(shù)，目前故障車(chē)輛采用風(fēng)扇直徑為704 mm，可選用730 mm與750 mm直徑風(fēng)扇.由于原廠車(chē)輛初次試驗(yàn)結(jié)果距離使用要求差距較大，且冷卻模塊可增大余地有限，所以，為保證其冷卻性能，盡可能選擇較大風(fēng)扇.選用750 mm直徑風(fēng)扇，風(fēng)扇與車(chē)架之間距離仍有25 mm，滿足設(shè)計(jì)要求.

優(yōu)化前后參數(shù)見(jiàn)表4，優(yōu)化后風(fēng)扇性能對(duì)比見(jiàn)圖3.

表4 部件優(yōu)化參數(shù)

圖3 優(yōu)化前后風(fēng)扇能力對(duì)比圖

從表5中可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化方案將冷卻模塊中的散熱器長(zhǎng)度增加100 mm，厚度減薄8 mm以增加迎風(fēng)面積，同時(shí)降低開(kāi)發(fā)成本.觀察圖3可以發(fā)現(xiàn)直徑750 mm風(fēng)扇在相同靜壓下，流量較直徑704 mm風(fēng)扇增加20%左右.

2.3 KULI仿真

根據(jù)以上的優(yōu)化方案及優(yōu)化零部件數(shù)據(jù)，建立KULI仿真模型，如圖4.建立散熱器、中冷器部件系統(tǒng)內(nèi)部模型如圖5.

圖5 部件內(nèi)部設(shè)置模型

圖4中，根據(jù)實(shí)車(chē)實(shí)際裝配及工況，由前至后設(shè)定入口空氣特性，布置冷凝器、中冷器、散熱器、風(fēng)扇，風(fēng)扇后設(shè)置內(nèi)部阻力值及出口空氣特性[5]，其中，各部件數(shù)據(jù)均為實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，內(nèi)部阻力值根據(jù)大量試驗(yàn)與仿真對(duì)比所得，取保守值40%.仿真計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5.

圖4 冷卻系統(tǒng)模型

表5 750 mm直徑風(fēng)扇KULI仿真結(jié)果

從表中KULI仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的方案，750 mm直徑風(fēng)扇的仿真結(jié)果，扭矩點(diǎn)與功率點(diǎn)的環(huán)境極限使用溫度提升都非常明顯，分別為43.28 ℃與53.98 ℃，完全滿足試驗(yàn)要求的功率點(diǎn)41 ℃與扭矩點(diǎn)45 ℃.由于選用750 mm直徑風(fēng)扇仿真結(jié)果高于要求值，為降低發(fā)動(dòng)機(jī)功耗，再次選用730 mm直徑風(fēng)扇進(jìn)行仿真，結(jié)果如表6所示.從表6中可以發(fā)現(xiàn)，功率點(diǎn)使用溫度滿足要求，但是扭矩點(diǎn)僅為38.75 ℃，低于使用要求，所以730 mm直徑風(fēng)扇不滿足條件.

表6 730 mm直徑風(fēng)扇KULI仿真結(jié)果

此結(jié)果為仿真計(jì)算結(jié)果，為保證其方案優(yōu)化可行性，需對(duì)優(yōu)化改進(jìn)后的車(chē)輛進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證.

3 優(yōu)化方案熱平衡試驗(yàn)

根據(jù)優(yōu)化方案，對(duì)改進(jìn)車(chē)型再次進(jìn)行了整車(chē)熱平衡道路試驗(yàn)，為驗(yàn)證KULI的仿真結(jié)果，對(duì)750 mm與730 mm直徑風(fēng)扇均進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表7和表8.

表7 750 mm直徑風(fēng)扇優(yōu)化后熱平衡試驗(yàn)結(jié)果

表8 730 mm直徑風(fēng)扇優(yōu)化后熱平衡試驗(yàn)結(jié)果

將此結(jié)果與KULI仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知，750 mm直徑風(fēng)扇在功率點(diǎn)環(huán)境極限使用溫度試驗(yàn)結(jié)果比仿真結(jié)果高出1.58 ℃，扭矩點(diǎn)環(huán)境極限使用溫度試驗(yàn)結(jié)果比仿真結(jié)果高出1.32 ℃，其誤差分別為2.8%與3.1%.730 mm直徑風(fēng)扇在功率點(diǎn)環(huán)境極限使用溫度試驗(yàn)結(jié)果比仿真結(jié)果高出1.13 ℃，扭矩點(diǎn)環(huán)境極限使用溫度試驗(yàn)結(jié)果比仿真結(jié)果高出0.75 ℃，其誤差分別為2.2%與1.9%.由于選用730 mm直徑風(fēng)扇在扭矩點(diǎn)工況仍無(wú)法滿足要求，所以該車(chē)改進(jìn)選用750 mm直徑風(fēng)扇.

試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)前面板結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致熱風(fēng)回流，熱空氣回流較為嚴(yán)重會(huì)影響正面迎風(fēng)處冷風(fēng)的進(jìn)入，降低散熱效率，如圖6所示，后續(xù)改進(jìn)可對(duì)圖中4處方框位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化.

圖6 熱風(fēng)回流位置

4 結(jié) 論

文中對(duì)夏季易發(fā)生高溫故障的車(chē)輛進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn).通過(guò)熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證車(chē)輛散熱能力，分析得出改進(jìn)方向，運(yùn)用仿真軟件KULI對(duì)優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，確定優(yōu)化方案，最后，進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，確定了運(yùn)用KULI進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能優(yōu)化的可行性.運(yùn)用KULI仿真進(jìn)行車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅能夠進(jìn)行方案匹配設(shè)計(jì)，將其與熱平衡試驗(yàn)相結(jié)合，還大大提升了故障車(chē)輛的優(yōu)化改進(jìn)效率，保證車(chē)輛能夠盡快投入正常使用.但是，運(yùn)用KULI更多是對(duì)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)指明方向，一些因素造成的影響還無(wú)法明確，如上文中提出的面板結(jié)構(gòu)導(dǎo)致熱風(fēng)回流等.在后續(xù)研究中，將建立更為完善的熱管理平臺(tái)作為重點(diǎn)，達(dá)到更為精準(zhǔn)的匹配設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)階段的最優(yōu)匹配.