刘善锷，陈煌熙，罗 冲，杨 勇

（湖南南车时代电动汽车股份有限公司，湖南 株洲 412007）

1 概述

基于节能考虑，混合动力客车冷却系配置电子风扇已成为业内公认的节能途径[1]。但转速、扇叶直径、输入电流影响风扇的风量，故散热器的匹配选型需考虑以上因素。

本文以我公司的TEG6102PHEV混合动力客车为例，提出一种针对电子风扇控制散热器冷却的散热面积计算方法[2]。

TEG6102PHEV配置玉柴YC6J220-30发动机、4个上海SPAL电子风扇VA01-BP90/VLL-66A（吸风式）。有关配置参数分别见表1-3。

表1 发动机主要性能参数

表2 冷却系统参数

表3 电子风扇参数

2 计算过程

2.1 确定散热器散热量Qw

一般情况下，发动机公司都会给出具体的散热量或者散热面积。YC6J220-30发动机给定的散热器散热面积≥39 m2。对于使用电子风扇的客车而言，如果按发动机给定的数据确定散热器的散热面积，其结果是冷却性能达不到发动机公司的合格评价要求，因为上述数据没有考虑整车具体布置及配置。因此，非常有必要对冷却系使用的散热器重新进行散热面积计算。

依据计算公式Q=kS△t[3]反推求得散热器散热面积比较烦琐。如果以载货汽车推荐计算方法：0.10～0.16 m2/kW[3]求得散热器散热面积，经过实际装车验证是不适合电子风扇的冷却系统。汽车冷却系统的散热量受到许多复杂因素的影响，很难精确计算。不过对于车用柴油机可参照文献[4]中的推荐公式Qw=qNe进行估算，其中q为比散热量（kcal/PS·h）；直喷式增压柴油机，q=300～400 kcal/PS·h。但实际应用过程中，对于国Ⅲ与国Ⅳ涡轮增压直喷式发动机，有些文献推荐使用q=348.9～465.2 kcal/PS·h[5]；Ne为发动机标定功率，PS。

考虑城市客车经常处于超载状况与散热器长时间使用性能会下降，所以选择较大的比散热量q=465 kcal/PS·h，因此，散热器散热量Qw=qNe=465×220=1.023×105kcal/h。

2.2 确定换热介质理论温差值

1）散热器进水温度tw1。闭式冷却系可取tw1=83℃～95℃，根据发动机的最佳工作状态的水温≤95℃，此处选温度tw1=94℃。此值相当于发动机的出水温度，基本上发动机公司规定水温最高也不超过95℃。

2）散热器出水温度tw2。tw2=tw1-△tw。△tw为冷却液在散热器中的最大温降。强制循环冷却系统取△tw=6℃～12℃（注：玉柴、潍柴、康明斯匹配评价规定进出水温差为3℃～7℃，上柴规定进出水温差为≥9℃）。此处可选△tw=10℃，则tw2=94-10=84℃，此值相当于发动机进水温度。

3）进入散热器的空气温度ta1。一般可取ta1=40℃～45℃，考虑南方地区的高温天气，此处选为ta1=43℃。

4）流出散热器的空气温度ta2。ta2=ta1+△ta。式中，△ta为空气流过散热器的温升，可按下列公式计算：

式中：Az为散热器芯部的迎风面积，一般可取Az=0.2～0.7 m2，有些文献推荐可按0.31～0.37 m2/（100 kW）选取[6]。我司TEG6102PHEV客车的散热器正面有效迎风面积尺寸为695 mm×680 mm，此处选Az=0.695×0.68=0.4726 m2；Cp为空气定压比热，查文献 [4]可得 Cp=1.005 kJ/kg·k，经热功当量换算后得Cp=0.24 kcal/kg·℃；Vk为散热器前的空气流速，对于车用发动机可取Vk=12～15 m/s，但TEG6102PHEV用的是VA01-BP90/VLL-66A电子风扇。经过多次热平衡试验，验证散热器前的平均空气流速Vk=9 m/s；ρk为空气密度，设定在一个大气压下，气温为50℃时，查文献 [7]可得 ρk=1.093 kg/m3。

同时，求出ta2=ta1+△ta=43+25.5=68.5℃

2.3 确定平均温差修正系数φ

汽车发动机的冷却形式属于两种流体（空气及冷却水）互不混合的交叉流式换热形式，与热力学的简单顺流与逆流的换热形式不同，所以要以修正系数φ对平均温差结果进行计算修正。而φ值的大小取决于两个无量纲的参数P及R。一次交叉流两种流体各自都不混合时的φ值原理图见图1；PR-φ的关系图见图2。计算公式如下：

式中：下标1与2分别表示冷却水与空气这两种流体，上角标“′”与“″”表示冷却水的出口与进口及空气的流进与流出。在本例中，t′1相当于 tw1=94℃，t″1相当于tw2=84℃，t′2相当于 ta1=43℃，t″2相当于 ta2=68.5℃。由此，可求得P=0.5，R=0.39。对照图2，查到φ=0.97。

2.4 确定换热介质平均温差△tm

按照文献[4]《中册》第494页中的解释，△tm与△ta之间的差别不超过1℃～2℃（3%～4%），因此，可以认为两者是相同的。但笔者认为，非常有必要进行理论计算。根据传热学原理，平均温差△tm可按下列公式计算：

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，计算结果表明并非与文献[4]解释的相同。但是，理论计算受许多主客观因素影响，所以从另一个角度考虑，也可以认为文献[4]的解释是正确的。

2.5 确定散热器传热系数K

传热系数K是评价散热器性能的重要参数，其主要影响因素有：散热器的制造工艺（主要是焊接质量）、散热器的结构尺寸、通过散热片的空气流速、水管中冷却水的流速等[4]。计算公式：

式中：aw为水的放热系数，当管内水流速度Vw=0.2～0.6 m/s时，可取aw=2000～3500 kcal/m2·h·℃；λ为材料的热传导系数，散热器由黄铜材料制成，对黄铜可取λ=80～100 kcal/m2·h·℃；δ为材料厚度，可取δ=0.00015～0.0002 m；aα为空气的放热系数，它主要决定于空气流过散热器的速度，一般选取放热系数aα=60～105 kcal/m2·h·℃范围之内。

现取 aw=3200，λ=95，δ=0.0002，aα=98；代入上面公式计算，得 K=95.0689 kcal/m2·h·℃。

除了上述计算，文献[5]给出选取的数据，对于铜制管带式散热器，K=93～116 kcal/m2·h·℃。总之，传热系数K的选取或者计算很难达到精准。

2.6 计算散热器散热面积F R

散热器散热面积FR（略去上、下水室所散走的热量不计），可按如下公式计算：

式中：φR为储备系数，考虑焊接不良，冷却水垢等对散热器性能的影响，可取φR=1.2。将计算出来的参数代入公式后，得FR=（1.2×1.023×105）/（95.0689×29.2）=44.2 m2。

2.7 电子风扇空气流量计算验证

笔者曾做过多次试验，不同型号的电子风扇，其风量、流速、电流与冷却能力是相辅相成的。因此，有必要校验配置的电子风扇是否满足冷却能力需要。TEG6102 PHEV并联混合动力客车使用的电子风扇VA01-BP90/VLL-66A性能参数如表4所示。

表4 VA01-BP 90/VLL-66A性能参数

式中：Qw为散热器的散热量，kcal/h，本文Qw=1.023×105kcal/h；γα为空气重度，在 40℃～50℃时，γα=1.05～1.2 kgf/m3，选取 γα=1.11 kgf/m3；Cp为空气定压比热，此文中Cp=0.24 kcal/kg；℃；△ta为进出散热器的空气温差，一般取10℃～30℃。此文中，△ta=25.5℃。

将以上述数据代入上述公式，求得Qσ=4.1831 m3/s。

计算结果表明，此冷却系统需要的总冷却风量不小于4.1831 m3/s。现布置4个电子风扇，那么单个的电子风扇风量为Qσ/4=1.045 m3/s。

除了校核电子风扇风量以外，还必须计算风阻△tp。风阻影响冷却风量，风阻小，冷却风量大，反之则小。文献[4]有推荐值，一般情况下，汽车风扇的△tp=20～50 kgf/m2。本文选取一个中间值，即△tp=30 kgf/m2=294.2 Pa。对照VA01-BP90/VLL-66A性能参数表，计算出来的风阻值接近298.9 Pa。在298.9 Pa风阻条件下，电子风扇的风量为1.014 m3/s，输入电流值为12.3 A。推断风阻为294.2 Pa时，电子风扇的风量＞1.014 m3/s，输入电流值＜12.3 A。计算数值接近，因此，认为电子风扇性能参数满足冷却需要。

依据文献[4]中的风扇性能参数计算公式，需要确定风扇的风量Qσ（空气流量），以校核电子风扇的风量是否满足冷却需要。

3 装车验证应用

经过校核，确定散热器芯子结构尺寸在695 mm×712 mm×78 mm条件下，散热器的散热面积FR为44.4 m2。散热器的芯部材料采用铜质材料，铜是导热性最好的金属材料，具有优良的成型加工性、可钎焊性和耐蚀性[8]。实际安装方式为中冷器与散热器串联，并且发动机冷却系的中冷器迎风面处叠加一套驱动电机冷却系统，即驱动电机冷却系统与发动机冷却系叠加安装共用四个电子风扇。考虑两套冷却系统控制的复杂性，因此，整车控制器在软硬件方面增加“发动机热管理功能”，由特定的逻辑控制关系进行控制，发动机热管理系统逻辑控制关系如表5所示。

表5 发动机热管理系统逻辑控制关系

2009年8月底，在环境温度为36.8℃情况下进行发动机热平衡试验。试验结果，发动机出水最高温度90.8℃，进水最高温度87.1℃，冷却系数K=54，发动机舱最高温度71℃。2009年11月，在环境温度为28℃情况下再次进行发动机热平衡试验。试验结果，发动机出水温度82℃，进水温度75.5℃，冷却系数K=54，发动机舱最高温度62℃。综合评价，发动机冷却热平衡合格[9]。数据表明，散热面积满足YC6J220-30发动机的冷却需求。

4 结束语

回访客户，用户反映使用过程中发动机运转正常，水温合适，即使使用两年以上，在夏天40℃高温的环境下，都没有出现冷却液“开锅”现象[10]，对冷却系统表示满意。市场应用证明，我公司配置的VA01-BP90/VLL-66A电子风扇的冷却系散热器满足发动机冷却要求。这表明本文的计算结果正确，计算方法可靠，值得推广。

[1]庄继德，庄蔚敏，叶福恒.低碳汽车技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2]刘桂林.客车冷却系统的设计 [J].客车技术与研究，2008，30（2）：32-35.

[3]汽车工程手册编委会.汽车工程手册：设计篇[K].北京：人民交通出版社，2001.

[4]柴油机设计手册编委会.柴油机设计手册（中册）[K].北京：中国农业机械出版社，1984.

[5]李登龙，缪平.水散热器散热面积的计算[J].现代零部件，2007，（1）：70-72.

[6]王兆煖.散热器、中冷器和风扇的选型校核计算[J].柴油机设计与制造，2009，（4）：20-31.

[7]赵汉中.工程流体力学（Ⅰ）[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[8]黄晖，马翠英，李国祥.汽车散热器材料及其制造新技术[J].客车技术与研究，2006，28（4）：45-48.

[9]Q/YC 401-2006，玉柴发动机应用开发技术规范（冷却系统）[S].

[10]张继琳.CNG客车发动机温度过高的原因及可采取的治理措施[J].客车技术与研究，2002，24（4）：17-20.