重型商用车发动机冷却系统的设计

李国红

摘要：重型商用车发动机冷却系统的运行性能，对车辆的整体性能及其运转可靠性、车辆使用寿命等，都有着十分重要的作用和影响。本文将结合重型商用车发动机的冷却系统特点，对其设计进行研究，以供参考。

关键词：重型;商用车;发动机;冷却系统;设计

中图分类号：U464.138                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）11-0006-02

0  引言

商用车是以人员或货物运送为主的车辆，主要包含9座以上客车以及载货车辆。与普通的小型汽车不同，这类汽车的动力设计多会采用柴油发动机驱动模式，从而在车辆行驶与运行过程中获取更高的扭矩输出，以满足其车辆的更大载重量与爬坡性能要求。根据有关数据研究显示，高速道路上行驶的重型商用车，其在行驶过程中所产生热量能够对两座房子的供暖需求进行有效满足，并且车辆行驶过程中存在的高温情况，会对其发动机的部件磨损以及油料变质等问题形成加剧影响，从而导致其车辆发动机的整体性能降低，需要良好的发动机冷却系统对其车辆行驶中的高温现象及影响进行合理控制。此外，也需要注意避免对发动机的温度冷却作用过大，导致发动机运行的油耗增加，工作效率显著降低。下文将结合重型商用车的发动机运行及其冷却系统设计情况，对其具体设计的有关内容和要点进行研究，以供参考。

1  商用车发动机冷却系统的总体结构与设计要求分析

一般情况下，重型商用车的发动机冷却系统结构组成主要包括膨胀水箱、水管、压力盖以及散热器总成等。其中，散热器总成主要包含风扇以及散热器等构件和设备，如图1所示，即为重型商用车的发动机冷却系统具体结构示意图。值得注意的是，在进行重型商用车发动机冷却系统设计中，结合多数企业对车辆发动机的外购情况，在具体设计中只需要针对车辆发动机冷却系统的散热器总成进行设计与安装实施即可。

结合图1所示的重型商用车发动机冷却系统结构组成，由于重型商用车又包含客户与货车两种不同的类型，并且受各类型车辆的功能及其发动机安装位置、性能参数等差异性影响，在进行冷却系统设计中，也应针对其有关技术资料和设计参数进行分析。其中，对车辆发动机的技术参数，是由发动机购置的配套企业进行提供;而车辆的使用环境温度则主要包含车辆运行使用地区的最高温度及其最为极限的使用条件等;车辆发动机冷却系统的安装空间则是根据发动机安装位置以及具体空间大小等，对冷却系统中的散热器正面积进行合理确定，同时还需要结合具体情况，对发动机后置情况的空气流通条件进行考虑，以确保其进风系统设计合理;对冷却系统中的散热器以及风险等散热器总成的有关部件设计和安装中，需要对其部件尺寸、外形、安装尺寸、结构特征、性能参数等进行明确。

此外，为满足上述冷却系统设计的各项技术资料和参数要求，在具体设计中还应注意对以下内容进行合理控制和把握。即：①发动机冷却系统中使用的冷却液为防冻液，且系统采用的压力盖在0.7bar以下范围时，其发动机出水口温度应控制不超过105℃;而当系统所采用的压力盖为低于0.9bar的情况时，其发动机出水口最高水温应不超过115℃，同时要求其平均年水温超过105℃的情况在50h以内。②进行冷却系统的冷却液加注过程中，要求其加注速度不低于19L/min，且按照该速度标准进行加注至满足要求即可。③对冷却系统的冷却液膨胀容积设计，要求符合冷却液容量的6%这一标准和要求。

2  重型商用车发动机冷却系统设计研究

根据上述对重型商用车发动机冷卻系统的结构组成及其设计要求分析，在进行冷却系统设计中，主要围绕散热器、冷却风扇、膨胀水箱以及系统的管路布置等内容进行设计和分析。

2.1 散热器的选型与设计分析

对商用车发动机的冷却系统设计中，进行散热器选型与设计应用是其重要设计内容和部分。其中，散热器在冷却系统运行中能够通过大循环实现冷却液的强制冷却，从而对发动机运行所产生的热量进行有效冷却，对其良好运行状况及性能进行支持。在进行冷却系统的散热器设计时，对其散热器的芯子面积的设计，对散热器在系统运行中的散热能力有着直接影响，因此，应重视对散热器芯子面积大小的合理设计;此外，将散热器安装在商用车的车架上时，还需要使用减振橡胶垫对其进行有效保护。由于对车辆发动机冷却系统的散热器进行选型设计中，进行散热器芯子的迎风面积计算中，会受车辆型号不同影响，导致其具体计算的系数结果存在较大差异，但是在一般情况下会将散热器芯子的迎风面积计算系数值设定为0.0031-0.0038m2/kW的标准范围内，其中，对载货车辆在先上述计算系数值范围标准内，会以偏下限值作为首选与考虑结果，而对牵引车和自卸车等一些运行负荷较大的重型商用车，则会在散热器芯子迎风面积的计算系数值设定中，以偏上限值为首选设计考虑的对象，从而对其设计的合理性和有效性进行保障。

2.2 冷却风扇设计

冷却风扇的设计，主要是对冷却风扇的选型及其在冷却系统中的合理布置进行设计。通常情况下，对冷却风扇的选型设置与具体风量、风压、风扇外径、叶片安装角、转速等进行设计中，要求根据风扇直径以及转速对其风量进行确定，而对风扇的外径，则应稍微低于散热器芯部的宽度与高度，叶片安装角度根据风量以及其风扇转动的消耗功率等，一般设置为30°。此外，对风扇前段和散热器芯子之间的距离，一般控制在50-150mm之间最为合适，而风扇后段和发动机端面的距离，一般控制在100mm以上。

对冷却系统的风扇设计和分析中，还需要针对风扇的护风罩进行合理设计和分析。其中，护风罩在风扇工作与运行中，是通过对气流均匀的在散热器芯部的流经进行有效引导，从而避免其出现损失或发生回流等。一般情况下，对风扇的护风罩尺寸大小设计，需要根据冷却系统的风扇和散热器设计相对位置进行合理确定，并且在具体设计和分析中，主要围绕风扇叶端和护风罩的径向间隙以及风扇在护风罩中的伸入位置等内容进行合理确定。在对护风罩中风扇伸入的位置进行合理设定中，由于风扇进入到护风罩的位置和冷却系统运行中的进气效率有着较大的关联，并且对二者之间的这一关系可通过试验分析方式进行合理验证，因此，在具体设计中应重视对上述内容的有效设计与分析。结合重型商用车发动机的冷却系统设计实践，对采用吸风式风扇的冷却系统，在实际设计中要求风扇伸入护风罩的具体位置，应以风扇叶片投影宽度在护风罩中伸入的宽度约为2/3最为合适;而对采用吹风式风扇的冷却系统，其风扇伸入护风罩的位置控制应以风扇叶片投影宽度约伸入护风罩1/2最为合适。对冷却风扇的叶端和护风罩的镜像间隙设计与确定中，由于上述间隙设置对冷却风扇在系统运行中的性能作用有着较为显著的影响，并且从理论层面出发，对其间隙设置在无接触情况下，应坚持越小越好的原则。但是，在具体设计中，由于重型商用车的冷却系统风扇多会在发动机上安装应用，而护风罩则会在散热器中安装和使用，导致风扇和护风罩不位于统一轴心上，因此会在运行过程中存在相对运动，就需要避免间隙越小效果越好的原则理论应用，避免对间隙的设计过小，从而对冷却系统整体设计水平与效果产生不利影响。

2.3 膨胀水箱设计

在商用车发动机的冷却系统中，对膨胀水箱也称为是副水箱，是进行散热器和发动机水套的一个容器，一般在车辆的发动机与散热器上方进行布置，用于冷却液储存以及膨胀空间提供、促进水泵的进口部位静压提升、除气等。在进行商用车发动机冷却系统的膨胀水箱设计中，需要根据其膨胀容积以及储备容积、必留容积等，对膨胀水箱的容量进行合理确定;对膨胀水箱的外侧，需要进行透明管设置，便于对其液面进行检查或者是进行液面传感器设置与报警应用。此外，在进行冷却系统的膨胀水箱设计和安装中，需要进行三根连接管路设置，这三根连接管路中，有两根是从水套顶部以及散热器的上水室顶部进行引出，在冷却系统运行中是作为除气管进行应用，以进行发动机水套与散热器中的大量空气与蒸汽排出，对除气管的设置，不仅要求其管径合理，而且对管路长度应尽量设置较短且直，以避免影响其除气效果。对膨胀水箱的高度设置，一般需要控制在散热器与发动机的上方，并且其底平面需要超出发动机水套与散热器的上水室顶部，以避免对膨胀水箱的设计和安装质量产生影响。

2.4 系统管路设计

在进行重型商用车发动机冷却系统的管路连接设计中，对发动机和冷却系统散热器之间的连接管路，应确保其线路尽量为直形，尽量避免或减少弯曲，以确保系统运行中散热器中空气的排出;此外，对系统连接管路的选型设置，应尽量确保其管路具有较好的柔性，能够对发动机和系统散热器之间的相对运动及其性能要求有效适应;对车辆发动机和散热器之间的距离设置相对较远，从而导致其管路连接相对較长的情况，应在管路布设中尽量沿着水流的方向向上合理翘起，尽量避免水平或者是呈凸形布置的情况发生，从而对系统管路的连接和设计效果产生影响。一般情况下，进行冷却系统的管路连接设计中，对连接管路多会选择胶管或者是金属管，对金属管管路则需要增加胶管接头，且金属管伸入胶管接头的长度应超过50mm，而选择胶管作为管路的设计情况中，要求其管壁厚度在5mm以上;对管路连接距离较长的情况，还需要在中间进行固定支撑搭设应用，其支撑距离一般控制为500mm。

3  结束语

总之，冷却系统在重型商用车发动机运行的良好性能支持以及车辆整体性能提升等方面，都具有十分重要的作用和影响，并且良好的冷却系统设计和运行，能够对重型商用车运行中的有关故障问题进行有效避免。尤其是随着重型商用车的发动机性能不断优化和提升，受涡轮增压器的应用影响，其发动机在车辆运行中的热负荷增加更为明显，因此，对其发动机冷却系统的设计和研究开展重要性也日益突出，应予以关注。

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