冷却系统匹配优化设计
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[摘 要]随着经济的快速发展，物流运输车辆对安全、可靠、高效、经济的要求越来越高，特别是重型车，这就要求物流运输车逐步向更大马力发展。同时随着商用车排放标准从国三上升到国四，今后不久将提出国五或国六的要求，国六采用EGR技术后，发动机对冷却系统的散热要求将提升40%。则如何优化商用车冷却系统的匹配设计就至关重要，经过大量对比分析及试验表明，可从散热器、中冷器和风扇的选型，散热器和风扇的布置，导风罩的设计等方面大幅提升冷却系统的匹配能力。
[关键词]冷却系统，散热器，风扇，导风罩
中图分类号：TU832.2+3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）05-0008-01
前言：我国的大马力商用车目前是在400-500马力之间，而欧美的大马力商用车可达到700马力；商用车要向更大马力发展，就必须解决冷却系统这个最大的制约因素。由于大马力商用车的发动机机体增大，冷却系统的布置空间被压缩，从而散热器、中冷器或风扇的加大受到制约。此时就必须考虑如何优化冷却系统的匹配设计，使其发挥出最大的效能。
一、选型
冷却系统的选型，在考虑布置空间外，最重要的是风扇和散热器的匹配。选择的散热器或风扇应使系统的风阻曲线和风扇静压曲线相交在风扇的静压效率的高效区，这时通过适当降低系统的风阻即可获得风量的大幅提升。若风阻曲线和风扇的静压曲线相交在风扇的静压的低效区，要提高进风量，则需要大幅降低系统的风阻，这是很难实现的，见附图1所示。
二、布置
1、冷却模块布置：先把冷凝器、中冷器和散热器看成是一个冷却模块，为了使冷却模块增加进风流量，冷却模块需尽可能靠近驾驶室前围，主要可以减小驾驶室前围和冷却模块之间的涡流，发动机舱CFD分析数据表明，冷却模块和驾驶室前围的距离大于30mm后，进风量出现明显的下降。
2、风扇的布置：风扇安装在发动机的曲轴或是风扇托架上，考虑支撑件的弯矩及风扇的平衡，往往会把风扇轴设计很短，对于大排量发动机，机体宽大，导致气流透过风扇后无法向发动机舱后端或两侧流出，而是受发动机机体遮挡向前反弹，出现这种情况我们称之为热风回流。热风回流会导致冷却模块的进风温度急剧升高，即使环境温度在30°C以下，进风温度也可以达到40-50°C，性能再好的散热器也起不了作用。出现该情况时，就需要考虑导风罩设计、增加导风板、调整风扇位置等措施解决。为了防止热风回流，风扇后端距离发动机机体前段的距离应大于风扇直径的0.3倍。
3、冷却模块和风扇的相对位置：因大排量发动机机体较长，受驾驶室后悬影响，发动机布置无法过于靠后，导致冷却模块到风扇前端的距离很小。在这种情况下，气流在散热器芯子表面的分布极不均匀，散热器的散热性能得不到充分发挥。经过大量试验表明，风扇前端到散热器芯子距离从50mm增大到120mm后，可使车辆的许用极限环境温度提升10°以上。再继续增大距离后，该影响逐步减小。其他条件相同的情况下，风扇前端到散热器芯子的距离和极限环境许用温度的关系见附图1，理论上距离越大越好。经验数据表明，风扇前端到散热器芯子的距离应大于风扇直径的0.3倍。
三、导风罩设计
在2.2中提到，考虑支撑件的弯矩及风扇的平衡，风扇轴一般都设计很短。在出现热风回流时，可采用调整导风罩的设计来解决。
传统的导风罩固定在散热器上，而风扇装发动机上，两者的振动频率不同，所以风扇和导风罩的径向间隙必须控制在15-20mm。热风就可从风扇和导风罩的间隙进入到导风罩内，而不经过散热器，造成风扇效率下降。采用柔性导风罩结构，因风扇和导风圈均固定在发动机上，导风罩和导风圈之间采用柔性橡胶套连接，因此风扇和导风圈的径向间隙可以控制在5-10mm，减小热风通过风扇和导风圈的间隙进入到导风罩内，见附图3。
若选用的风扇是环形风扇，可考虑采用U型导风罩结构，使热风无法径直地进入到导风罩内，需环绕U型槽才能回流到护风罩内，可减小热风回流，提高风扇效率。同时，采用U型导风罩结构，风扇露出导风罩的长度更长，有利于气流向发动机后端或两侧流出，对于风扇过于靠近发动机的布置尤为明显。以下附图4是某重卡的CFD分析数据，原车状态存在严重热风回流问题，通过调整导风罩设计解决该问题。在外部条件相同的情况下，设计四个方案：风扇露出导风罩1/3、1/2、2/3，其中风扇露出1/3两个方案，通过CFD分析对比散热器冷侧进风量评价风扇露出导风罩长度对冷却系统散热性能的影响。分析结果显示，当风扇露出导风罩1/3时，风量很小，当风扇露出1/2时，风量急剧提升，当风扇露出2/3时，风量提升很小。即当风扇露出护风罩1/2时，气流已能顺利从发动机后端或两侧流出，解决了热风回流问题，此时再加大风扇露出导风罩的尺寸已无意义。可见导风罩的设计对冷却系统的优化匹配尤为重要。
综上，通过冷却系统的优化匹配，可以在无需增加散热面积和风扇功耗的情况下，即可大幅提升冷却系统的散热匹配能力。在布置空间有限的大马力商用车上以及提倡节能的今天，该研究有利于推动大马力商用车的发展。