牵引车冷却系统的匹配优化

Internat Combustion Engine & Powerplant，2019,36(5) ：5-9.0引言目前商用车的油耗法规逐步升级，对环保的要求越来越高，重型商用车节能技术成为行业普遍关注 的热点［1］，节能降耗是商用车未来竞争的核心方向［2］%在增压器匹配优化、发动机外特性优化、发动机万

有特性优化、变速箱速比优化等研究之后，如何优化冷却系统匹配，以更小的冷却系统附件消耗功率实现

热稳定性更高的柴油机和整车热平衡，成为重点研究课题%本文中根据牵引车用柴油机冷却系统的工作原理，对柴油机出水温度、散热器散热性能、散热器水侧 和风侧的优化方法、风扇的匹配和智能控制等方面进行细致分析，制定牵引车冷却系统匹配优化的方案，

以降低牵引车油耗％1冷却系统1.1工作原理牵引车用柴油机一般布置于整车的前部、驾驶舱的下部，如图1所示％牵引车行驶时，迎面自然风经

前格栅进入发动机舱，经冷凝器、中冷器、散热器和发动机后，由排风口流出发动机舱％当迎面自然风不

满足发动机冷却要求时，风扇转动提供相应的风量，用以满足发动机冷却要求，风扇一般采用吸风形式％柴油机是整个系统的热量源，水泵是冷却系统的动力源，水泵与节温器、管路、膨胀水箱、风扇等部件

共同作用，将柴油机多余的热量散发至外界，来保证柴油机在正常温度下稳定工作％对牵引车冷却系统

进行匹配优化，需研究柴油机本体由冷却系统带走的散热量、散热器的性能特性以及匹配水泵、风扇、节 温器等附件％散热量确定后，匹配优化研究的重点是散热器％收稿日期:2018-12-21基金项目：国家重点研发计划(2017YFE0102800)第一作者简介：傅晓磊( 1984—),男，山东潍坊人，工学硕士，工程师，主要研究方向为内燃机设计，E-mail： fuxl @

weoahao.aom.6内燃机与动力装置2019年10月第36卷图1牵引车冷却系统布置示意图1.2散热量柴油机

的散热 柴油机台架热

％

试验测量［3-4］%在 用中，高原环功的热量及对柴油机的热

排气 为

性能产生显 ［5］研究表明，随着 的升高，转化为

的热量逐渐下降， 的热量逐渐增大;在相

的热量逐渐，

的热量大

柴油机进气量和 的散热量的 ％，随着 温度的升高，转化用柴油柴油机本体传热量增功的热量和排气 降。因此,在研究

机热 程中，高原 因气压和气温

加［6］,考虑 和 温度对

，

轻

提高冷却液温度，缩小 出主机的温差，可减 柴油机的散热损失，降低主机油耗率，减活塞组的磨损，改善柴油机受热部件的热应力状况［7］。同时，随着发动机出水温度升高，发动机的油耗明显下降1.3散热器用散热器-空换热部件％ 的热量，在热器处与空气进行热量交换，由空气带走,对散热器的研究必须从水侧和风侧两方面进行。Oliet等⑼在汽车正常行驶工况下，验证了冷却液的 流动、翅片间距、进口温度等对散热器 性能的。根据钱金山）10对用散热器的设计与性能进行的研究与对比，在热器结构设计定型后，在定的液-气温 ，散热器的散热能力随 流量和的增大

*大。1.3.1 水侧匹配分析散热器的 通过管路与发动机本体、水泵等相连，散热器水侧的进水温度即发动机的高温出水温度,散热器 的出水温度即发动机 的 温度。动机 系统的流 动机 定，根据发动机本体的结构和冷却需求进行设计［11］%用发动机

的流量与散热器的

的热量，除通

流

热器与外界换热,保持发动机热 夕卜，还会用于加热器芯体为室提供暖风热量％随着技术的升级，还 能用于进气管的加热、油的预加热和保温等，因此，水全， 分析和 ％明 热器 流量的目的,在于根据散热器的性能特性，研究通过水侧提升散热器散热能力的

潜力，

1.3.2

的 分％通过前格栅孔、冷凝器、中冷器至散热器，与冷却液进行热量交换后，经过风散热器的

的

指

扇、动机舱流入大气中。 相对运动

用工况

的 和 功 的 之和。散热器的合理设计和优化。温度即散热器前的空气温度，散热器 的重点在于整车风道及整

的出风温度即散热器后的空气温度。1）整车风道在

计阶段，合理设计冷凝器、中冷器和散热器的风阻，合理布置冷凝器、中冷器和散热器的第5期傅晓磊，等:牵引车冷却系统的匹配优化7相对位置,合理布置发动机在发动机舱的位置，合理设计牵引车发动机舱的进风口和出风口的开口面积,

尽可能降低 动机 口到出风口的整个通风系统的阻力。的逃逸，使发动机

用导流结构，减 口的 全部通 热器。同时，提高 口的，降低出风口的 ，以及利用好发动机舱下部盖板和气流导流板整合气流，提高通风效率。， 先

热量的

2）风扇的要素

。根据风扇的性能特性,风扇的 与风扇转速成正比,风扇的噪声与转速的平方成正比，风扇的功率与风扇转速的三次方成正 比［12］%因此， 系统的设计应尽可能增大 的直径，降低风扇的转速。大的风扇直径还可降低系统阻力，降

低

，

％ 原理如图2所示。随着系统阻力系数的系统内冷却空气平均速度显著降低［13］%I'shor等［14］ 热器 性能为前提对行重新设计。同时，随着 计能力的提升， 叶片材率逐

质、形状、安装角设计和制造能力的提升， 的静

步提升，选择性能优异的风扇是风扇匹配优化提升的有效途径。对于牵引车，风侧风量由自然风和风扇 风量组成。自然风由牵引车相对运动产生,属于不耗功的“免费”风量，因此应尽可能降低通风阻力，提高通

率，尽能多的使用 于

%的前提下，通

离合器进行控制，尽能降低 的

用工况复杂,环境温度变化区间大，发动机实际使用功率和负荷变化区间大，在风动机最大散热

扇能力 用时间

是风扇匹配优化的可行方案%2冷却系统匹配优化方案2.1柴油机出水温度配套某公司WP12柴油机的某牵引车在重鼓路谱试验中柴油机出水温度为80 ~98 ］，水温合理，但 波动较大,有减小水温波动的优化空间％2.2散热器优化方案热器的性能曲线如图3所示％热器的水流量由200 L/min增至400 L/min,散热器的

散热能力由4.6%增至13%,影响较小％而当散热器前风速由 4 m/s增至10 m/s时，散热能力由57%增至68% %因此,此款散

热器对风的敏感性远大于水％从提高散热器

虑,提高散热器前的风速是较佳选择％率的角度考2.3 优化方案鉴于

暖风流量较小， 流量定义为散热器冷却液流量％在柴油机额定转速下, 流量为412 L/min，最大

扭矩转速下， 流量为250 ~350 L/min,对照图3散热器性能

曲线,此款散热器的散热能力已经足够％鉴于柴油机 流

要满足缸盖鼻梁区最小冷却液流速要求，水泵消耗功率较小等原因，水泵流量不再优化％2.4风侧优化方案2.4.1

整车风道优化方案道的优化受整车布置空间影响，在牵引车设计定型，在牵引车相关零部件确定后，降低通风阻整

8内燃机与动力装置2019年10月第36卷力的空间 非 ， 通

口位于

，提高通风效率。脸下部，在

热器的效率。运动过程中， 基本处于逃逸状态，在牵引车下部增加导风和封堵，提高进风通

2.4.2 风扇优化及对比牵引车原车风扇为外径704 mm环形风扇，配套电控硅油开环离合器，风扇最高静压效率约为33% ,

需要对 率与控制策略进行优化。通过新技术的研究和应用，静压效率最大已经达到43%，因此，选用高静压效率、低功率的

，成为可行的优化方案％通 率、低功耗

洞性能特性曲线对比，初步选定 1和 2两款高静为 化的初 选风扇，与原

% 图行试验对比。通过发动机台架试验，在相同试验条件下，对3 款 见，

行功率对比，测 结果如图4 1与 2均比原

功耗％耗功率低，更换 降低

通 重鼓试验，对3款 的抽风能力均值的方式，测行对比％通 测

头部位， 图5可见，在

转动 的风速如图5 %道的系统阻力下，风扇1抽 能力较原

大， 2抽 能力较原车略差％从提高风速、降低 功率消耗的角1作为

度，优选

原

％2.4.3 风扇控制策略优化方案用 硅油开环控制，即根据水温制用功耗％ 制％

选用三速电磁变化 开启与关闭开关，通

策略，降低 离合器，进行

挡位由2个增加至3 % 2挡通 磁力进行控制， 速为 700 \\850 /jmon%运行转据图4所示，风扇在2挡转速（700 - 850

r/min）运行时，消耗功率较小，因此，尽 能减少风 扇3挡的运行时间， 间％通对

1挡和2挡的运行时3挡运行时间，稳定

提

负荷提前预判和柴油机出水温度联合控制，降低

高柴油机出 温度%3整车验证结果根据

系统

化方案，进行 重鼓路谱油耗试验,测得试验结果 ：1） 选用风扇1和传统三速电磁离合器，牵引车百km综合油耗降低0.23 L，选用风扇2和传动三速电

磁离合器，牵引车百km油耗降低0.28 L%2） 化三速电磁离合器控制策略，选用风扇1，仅通过控制逻辑更改，现牵引车百km油耗降低

0.21 L，通过风扇开启温度更改，稳定柴油机进出水温度，现牵引车百km油耗降低0.3 L，降油耗效果

明显％3） 增加导风措施，现牵引车百km油耗降低0.25 L%第5期傅晓磊，等:牵引车冷却系统的匹配优化9通过冷却系统匹配优化方案的实施，牵引车百km油耗降低0. 83 L,节油效果明显。4结语牵引车冷却系统匹配优化,需要对牵引车现有冷却系统进行具体分析，确定匹配优化方案％稳定柴 油机冷却液温度变动区间，降低冷却风扇高转速消耗功率、减少风扇的实际工作时间，对牵引车降油耗效

果明显。增加导风措施,提高通风效率，可以作为牵引车冷却系统匹配优化的重要辅助措施％参考文献：[1 ]孟庆阔，张立森.重型商用车油耗法规升级，商用车企业如何应对[J].专用汽车,2017(2) %60-64,[2]祝龙林.商用车动力总成匹配及降油耗技术分析[J].汽车与配件,2016(21 ):58-62,[3 (北京汽车股份有限公司.一种发动机热平衡性能台架测试装置及方法：CN 201310497310.4' P]. 2014-01-08.[4] 雍安娇，付永宏，张林波，等.发动机热平衡测试及影响因素研究[J].汽车工程,2018,40(7) ：834-837,[5] 许翔，刘楠，刘刚.高压共轨柴油机高海拔热平衡模拟试验研究[J].车用发动机，2016(6) ：52-56,[6] 何星，周梓发，章凯，等.高原环境对车辆柴油机冷却系统性能影响分析[J].内燃机与配件，2017(22) ：28-31,[7] 梁丹亚.冷却水水温对船舶柴油机油耗的影响[J].武汉造船,1995(2) ：23-26.[8] 高茜，李腾腾,王凤滨，等.影响重型车耗油的发动机参数[J].汽车工程师,2012(4) ：46-48,[9 ] OLINT C, OLINA A, CASTRO J, et at. Parametrio studies on automotive radiators [ J ]. Applied Thermai En/ineerin/, 2007,

27(11-12) ：2033-2043.[10] 钱金山.车用散热器设计研究[J].内燃机与配件,2011(6) ：9-10.[11] 杜楷，王帝，李春玲，等•某欧6柴油发动机冷却系统设计[J].汽车与新动力,2018(5) ：93-96.[12] 昌泽舟.轴流式通风机实用技术'M].北京:机械工业出版社,2005.[13] 黄军启.车辆冷却系统空气侧特性研究'D] •上海:上海交通大学,2008.[14] KISHOR U, VIKRAM T, ASHOK J, et al. Design and development of radiatoo fan for automotive application[ C]. SAE 2012

World Congress & Exhibition. 2012 ： 5420-5426.Matching and Optimization of Tractor2 Cooling SystemFU Xiao')，,

Hongshan1，2 ,ZHU Yang1,2 ,ZHANG Yangyang1，2. R&D Center, Weichai Power Co.,Lit., Weifang 261061 , China)(1. State Key Laboratory of Engine Reliability, Weifang 261061 , China ；Abstract: Contribution of cooling system optimization to the reduction of fuel consumption fen tracton is

investioated in ordea to irnpne thceal driving fuel economy. Based on a tractOT equipped with diesee engine,

comprehensive antysis of cooling system is ccrried out, including the layout characteristicc of diesS engine,

coolant outlu temperature, heat dOsipation property of the radiatOT, optimization of coolant and dia siOe, fan matching and smart control, etc. The result shows tOat the fuel consumption reduction is 0. 83 L/100 km,which con be used as a basis for tractOT fuel consumption reduction.Keywords : tractOT; cooling system matching ； optimization ； fuel consumption（责任编辑:郎伟锋）