黄海岭

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某重型卡车冷却系统计算

黄海岭

（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介绍了某型卡车水冷冷却系统结构，该系统为独立式冷却系统，匹配液力变矩器，并且采用温控-液驱风扇；并对此类型的冷却系统的匹配计算做理论说明和验证。

冷却系统；计算方法；许用环境温度

CLC NO.:U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-75-05

引言

冷却系统是保证发动机在最适宜的工作温度下工作，不会出现过冷或过热的现象，一般在90度左右，过冷时发动机内部的润滑油粘度大，摩擦消耗的功率多，过热时会破坏润滑油的形成的润滑层，加速零部件磨损，影响使用寿命。

随着汽车冷却系统试验数据库的不断积累和完善，冷却系统从现有的零部件进行匹配选型计算，以缩短开发周期。

1、系统设计原理

1.1 冷却系统原理如图1。

1.2 全流式冷却系统

匹配液力变矩器或液力缓速器的车辆，需要对变速箱或缓速器的液压油进行冷却，通常需要发动机的冷却水全部流过油冷换热器。该方案将变速箱油冷却器串联进发动机的小循环内，发动机冷却水流经发动机水套后全部进入变速箱油却器，再进入调温器室，调温器根据水温调节大小循环的比例。这样就实现了全流式的变速箱冷却。

图1 冷却系统原理图

1.3 温控-液驱冷却风扇

1.3.1 简述

温控-液驱风扇冷却系统与风扇的传统机械驱动方式相比，安装位置灵活，调速简单，工作可靠，功率利用率高，而且风扇转速与发动机转速无关，系统可以在任一发动机转速下根据发动机冷却水液压油的温度自动调节风扇的转速，以使发动机在最佳温度下工作，使整个动力传动系统具有更高的效率。

图2 冷却系统水路原理图

图3 冷却系统水路连接示意图

1.3.2 系统方案

如图3所示，该冷却系统风扇为独立式温控液压驱动，水冷风扇和中冷风扇分别有各自换热器专用的液压马达及风扇，满足了各换热器各自的散热特性要求，二者不再相互影响。其中冷却风扇（水冷）-6为执行元件之一，该液压回路液压泵-2为负载反馈式变量泵，其由汽车变速箱取力器获得动力，发动机ECU采集的水温信号通过CAN总线传送给液压系统控制器，输出的电信号控制电液-比例电磁阀Y81A的开度，实现流量输出的变化，使风扇转速根据发动机水温无级调整。

图4 液压系统原理图

2、计算说明

2.1 散热器性能参数估算

2.1.1 计算依据

散热器的设计注重的是散热器参数与冷却系统总体的匹配，设计时，除了冷却系统对散热器设计要求（设计输入）都已确定外，还要求有可供选用的散热器传热与阻力曲线。

散热器选型设计要求包括以下内容：

（1）发动机相关参数：主要有标定点（功率点、扭矩点）燃油消耗散热量、水泵参数等；

（2）液力变矩器散热量参数；

（3）设计指标要求（许用环境温度），本车型按46℃；

（4）风扇风量-转速参数；

2.1.2 计算过程

1）冷却系统需求散热量计算

a.发动机需求散热量

表1

b.液力变矩器需求散热量

表2

c.冷却水流量计算

表3

发动机水泵水流量：

表4

从水流量计算结果可以看到，功率点及扭矩点工况下需求的水流量与发动机提供的水泵参数比较，均可以满足要求。

d.冷却空气流量计算

表5

e.散热面积计算及正面积计算

表6

从计算结果可以看出，正面积/发动机功率=0.0029m2/kW,散热面积/发动机功率=0.20m2/kW。

现有散热器散热面积计算及正面积的计算。

表7

从计算结果看出，标杆车散热器的散热面积可基本满足设计要求，正面积不满足，限于空间限制无法增大正面积。

2.2 冷却系统性能校核

2.2.1 风扇选型校核计算

（1）确定冷却系统所需风量（这里以功率点作为计算工作点）；

从上面的计算中可知，功率点需求风量为8.26m3/s （495600L/min）。

（2）冷却风道的全气路阻力曲线（即风扇所需提供的静压头）

对于冷却风道的全阻力曲线，此处以散热器的风阻-风流量曲线来进行估算，忽略风道的影响。

表8 散热器风阻-风流量数据

（3）选用704环形风扇特性曲线（2400r/min转速下的压力与流量的关系）。

表9 风流量-风阻曲线

表10 2400r/min条件下风扇风量-静压曲线

将表9和表10数据曲线拟合后，两曲线交点，即为功率点条件下风量-风阻值，其值为（7.16,1.13），即功率点风量为7.16m3/s、静压为1.13kPa，即实际风量低于设计值，以系统冷却能力为准。

2.2.2 散热器能力校核

（1）散热器水阻

表11 散热器水阻-水流量数据

（2）水泵在3920r/min时的试验数据（功率点）

水泵水阻-水流量数据

表12

根据发动机标定功率点水流量值为500L/min，即散热器功率点条件下水流量-水阻为（500,19.185），即功率点水阻值为19.185kPa＜50kPa，满足要求。

（3）散热能力校核

散热器的散热量计算公式如下：

由散热器性能试验数据换算后代入常量，根据公式2列出K值计算表：

表13

由此可得到在4m/s、6m/s、8m/s风速下的风速-K值曲线：

图5

那么，功率点风量为7.16m3/s工况下，对应的风扇风速为10.97m/s时，水流量-K值表如下：

表14

作出水流量-K值曲线图，在曲线上找到功率点500L/min的流量时的K值。

由表可知，功率点K值为166.38W/(m2.℃)。

表15

所以散热器散热量为：

=351340.6293W＞248.83462×1.3=323.485kW

同理，可得到扭矩点的相关参数如下：

表16

所以散热器散热量为：

=328304.3987W＞228.90164×1.3=297.572132kW

该冷却系统匹配的散热器散热能力可以满足散热要求。

2.2.3 冷却系统能力校核（极限许用环境温度）

由散热器的散热公式：

其中， tw1＝105℃，当Qw为功率点散热量时，即Qw=323.485kW，计算得到ta1=105-55.24=49.76℃，大于军标要求的46℃值，满足设计要求；

当Qw为扭矩点散热量时，即Qw=297.572132kW，计算得到ta1=105-54.38=50.62℃，大于军标要求的46℃值，满足设计要求。

2.2.4 计算结论

（1）该理论计算忽略了冷却系统风道阻力及水循环水路阻力，实际的风扇静压和水阻要大于计算值，可根据实际阻力值修正阻力参数；

（2）通过计算，该冷却系统功率点许用环境温度为49.76℃，扭矩点为50.62℃，均可满足指标要求；

（3）散热器的散热面积可满足设计要求，正面积不满足，限于空间限制无法增大正面积，建议可增加芯后，增大散热面积。

3、结论

本文阐述了一种独立式温控-液驱冷却系统的技术路线及计算验证方法。温控-液驱风扇控制系统布置灵活、控制精确，在冷却系统的应用上具有广阔的前景，本文论述的冷却系统计算方法是基于现有散热元件的一种逆向计算手段，对于冷却系统的方案设计具有指导意义。

[1] 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册：设计篇[M].北京：人民交通出版社，2001:181-191.

[2] 王益群,高殿荣. 液压工程师技术手册. 机械工业出版社, 2010.

[3] 姚仲鹏,王新国. 车辆冷却传热.北京:北京理工大学出版社,2001.

A heavy truck cooling system calculation

Huang Hailing
( Anhui Jianghuai automobile Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

This article describes a certain type of truck cooling water cooling system structure, the system is independent cooling system, matching torque converter, and using temperature - hydraulic fan drive; and this type of match do Cooling System theoretical description and verification.

cooling system; calculation method; the allowable ambient temperature

U467.3

A

1671-7988(2016)07-75-05

黄海岭，就职于安徽江淮汽车股份有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.024