某轻型卡车高原环境冷却系统分析

陈皓　刘双喜　闫伟

摘要： 为解决高原环境下某轻型卡车冷却系统水温过高的问题，使用流体一维分析软件分析其在高原地区的冷却系统状态，计算冷却系统的许用环境温度，以及冷却系统各部件对热管理环境的贡献率；通过三维仿真与一维计算相结合的手段，对高原环境下的冷却系统提出优化方案.在海拔环境舱中进行的整车热平衡试验表明计算精度较高.

关键词： 轻型卡车； 冷却系统； 一维-三维耦合； 优选方案； 试验验证； 许用环境温度

中图分类号： U464.138文献标志码： B

Abstract： To solve the problem that the water temperature of the cooling system of a light truck is too high in plateau environment， a 1D fluid analysis software is used to analyze its cooling system state in plateau region， the allowable ambient temperature of the cooling system is calculated， and the contribution rate of each cooling system component to thermal management is obtained. By combination of 3D simulation with 1D calculation， an optimization scheme is proposed for the cooling system in plateau environment. The results of the whole vehicle thermal balance test in an altitude environment simulation laboratory indicate that the calculation accuracy is high.

Key words： light truck； cooling system； 1D-3D coupling； optimization scheme； test verification； allowable ambient temperature

0引言

国内很多整车厂已逐步开拓海外市场.与国内相比，海外环境更加复杂，有中东的高温环境，也有南美的高原环境.原来在国内平原地区销售的车型，在这些地区可能会出现问题.高温、高原环境造成气温、气压和空气密度等的变化会引起发动机过热、功率不足、排放恶化和增压器超速等一系列问题，严重影响发动机的动力性、经济性和可靠性.[1-2]国内针对高原环境进行冷却系统分析已经越来越多，但冷却系统各部件对发动机水温的贡献量，以及冷却系统正常工作的许用环境温度研究较少.

本文以轻型卡车为研究对象，针对高原发动机冷却系统不达标问题，计算冷却系统各部件对发动机水温的贡献量，找出最合理的优化方案，并针对不同优化方案的冷却系统，分析其许用环境温度，提出高原热管理问题新的解决方案.

1初始状态分析

1.1发动机热平衡试验

在冷却系统分析前期，必须进行发动机台架热平衡试验，见图1.采集发动机相关热性能参数，作为后期一维和三维分析的计算输入，发动机相关参数见表1.

1.2冷却系统一维模型

轻型卡车的一维冷却系统模型主要包括水散热器、中冷器、风扇和水泵等零部件，热管理系统涉及到多个换热器之间的耦合，须建立可考虑相互间影响的系统模型，从系统的角度进行热管理系统的分析和研究，基于Flowmaster软件建立冷却系统一维模型，见图2.

1.4高原工况计算修正

高原环境冷却系统的性能下降，主要是由空气密度的变化所致，所以在进行高原冷却系统计算分析时，必须对高原工况冷却系统的相关特性进行相应的修正.[3]不同海拔高度下大气环境参数变化见表2.

对比这几组优化方案的贡献量，明显看出：当风扇性能提升时，散热器入口水温下降较快，也就是提升风扇性能，对冷却系统的贡献量最大.

在高原环境下，空气密度较低，在平原地区能满足散热器散热要求的空气侧进风量，到高原地区就不能满足，所以在适当增加风扇性能后，冷却系统的性能会得到显著改善，而改善风扇性能最直接可行的办法就是增加风扇转速，减小发动机转速与风扇转速的传动比（冷却风扇为硅油风扇），此问题就能很好地解决.

3结论

对高原环境下轻型卡车的冷却系统进行计算分析，修正高原工况发动机热管理系统模型，并针对散热器入口水温过高的问题提出优化方案.

着重对高原环境冷却系统的各优化方案进行分析，探讨各优化方案对冷却系统的贡献量，结果表明：风扇性能的提升可以最大限度地提高冷却系统的性能，为首要的可选优化方案.参考文献：

[1]靳生盛. 高原环境对工程机械动力系统的影响及措施[J]. 青海师范大学学报（自然科学版）， 2004（4）： 48-50. DOI： 10.3969/j.issn.1001-7542.2004.04.014.

JIN S S. Influence and measure of plateaus environment for engineering mechanical power system[J]. Journal of Qinghai Normal University（Natural Science Edition）， 2004（4）： 48-50. DOI： 10.3969/j.issn.1001-7542.2004.04.014.

[2]沈颖刚. 高原环境下内燃机工作过程应用基础研究[D]. 天津： 天津大学， 2003： 1-3.

[3]汪茂海， 陈涛， 张扬军， 等. 高原发动机热管理系统性能分析研究[J]. 汽车工程， 2010， 32（10）： 851-853.

WANG M H， CHEN T， ZHANG Y J， et al. A research on performances analyses of engine thermal management system at plateau[J]. Automotive Engineering， 2010， 32（10）： 851-853.

[4]朱恂， 廖强. 管带式汽车散热器流动阻力与传热性能分析[J]. 重庆大学学报（自然科学版）， 2002， 25（8）： 40-43. DOI： 10.3969/j.issn.1000-582X.2002.08.013.

ZHU X， LIAO Q. Air pressure drop and heat transfer performance for automotive radiator[J]. Journal of Chongqing University（Natural Sciecne Edition）， 2002， 25（8）： 40-43. DOI： 10.3969/j.issn.1000-582X.2002.08.013.

[5]李富香， 任庆平， 李恒宾. 客运柴油发动机在高原环境的换油周期研究[J]. 青海大学学报（自然科学版）， 2013， 31（6）： 24-28.

LI F X， REN Q P， LI H B. Engine oil drain interval of diesel engine coach in plateau environment[J]. Journal of Qinghai University（Natural Science）， 2013， 31（6）： 24-28.

[6]王问雄. 汽车发动机冷却系冷却风量的估算[J]. 汽车科技， 2005（6）： 33-34. DOI： 10.3969/j.issn.1005-2550.2005.06.013.

WANG W X. The calculation of cooling air flow of automobile engine cooling system[J]. Automobile Science and Technology， 2005（6）： 33-34. DOI： 10.3969/j.issn.1005-2550.2005.06.013.

（编辑武晓英）