后置发动机城市公交车冷却系统的定性分析

后置发动机城市公交车冷却系统的定性分析 1MPa=10KG/cm2 后置发动机城市公交车冷却系统的定性分析 作者:赖赣明 叶忠伟 内容提要:简要介绍后置发动机城市公交客车冷却系统的布置结构，定性分析影响后置发 动机城市公交客车冷却系统散热效果的各种原因，明确提高冷却系统散热效果的途径以及 中的处理建议、注意事项等。 关键词:后置发动机城市公交客车 散热器 膨胀水箱 风扇 护风罩 中冷器 防冻液 冷却系统的目的是使发动机得到足够的冷却，即使在可能遇到的最高气温以及加上所有的附加热负荷时系统仍能正常工作。见基本冷却原理示意图(图1)。对于后置城市公交车 结构形式，趋向低地板结构，发动机安装于车后，发动机舱低、空间较小，冷却条件差。不如前置发动机受迎面的空气冷却效果好，也不象后置发动机的团体旅游客车发动机舱的空间大，相对后置城市公交车来讲，导风空间大，冷却效果好。 同时，城市公交车运行工况恶劣:一直处于低速运行，频繁的起步、制动，甚至经常超载运行。对发动机正常运行极为不利。为此，把后置发动机的城市公交客车的冷却系统设计好尤为重要，必须有合理的布置设计措施。以满足发动机的冷却，使车辆能够正常行驶。 1 冷却系统的结构及布置 通常情况下，后置城市公交车都是将散热器、中冷器、风扇、护风罩等部件安装在客车后方，位于后纵梁外侧。发动机的曲轴(或水泵)皮带轮输出动力，通过皮带传递带动风扇旋转抽吸风。在存在气流压力差的情况下，使车外的空气进入导风罩，通过散热器芯子(水箱和中冷器的芯子)，降低散热器内部冷却液和中冷器内发动机进气的温度。冷却系统主要有3种常见结构。 (1) 风扇与护风罩、散热器连成一体。常州依维柯公司原来的老产品CJ6922TCH系列都是此机构。优点是风扇效率高，结构紧凑。拆卸容易，维修方便。缺点是风扇轴承座摆臂调整支架质量大，由于挂在水箱上，工作时，风扇旋转将振动传递给散热器，容易导致散热器芯子水管焊缝裂开漏水，同时散热器固定支承不稳定，影响工作可靠性。 (2)风扇、轴承等运动部件与散热器及护风罩的安装为分体式结构。即将风扇及轴承座等运动部件固定在底架的横梁上并与侧围骨架焊接。与散热器不直接联系。散热器及护风罩另外固定在另一水箱横梁上。优点是风扇运动时的振动作用力不会传递给散热器，使其使用寿命提高。同时护风罩可以采用玻璃钢件，方便制作成曲面流线形状，散热芯子受气流冷却的效率提高。目前常州依维柯公司的后置车基本都是该结构。缺点是工艺制作对位置度公差要求高。 (3)风扇、轴承等运动部件与散热器是分别固定在一根共同的横梁框架上。该结构结合了上述2种结构的优点。常州依维柯公司引进意大利IVECO产品就是该结构。但形状复杂，主要部件的焊接精度要求高。 2 冷却系统的改进理论依据 热传导的基本理论是冷却系统改进和发展的理论基础。 散热器的散热量为Q，则 Q=K?A?Δt 式中: K:总散热系数(kcal/m2?h??); A:散热器总散热面积(m2); Δt:散热器中冷却水平均温度与流经散热器的空气平均温度差(?)。 从上式中可见，改进冷却系统有下列3个主要基本原则。 (1)增大总散热面积。这势必增加散热器的外形尺寸及厚度，成本费用和质量也增加了，一般条件下不可取。 (2)加大散热器中冷却水温度与空气的温差Δt。即提高冷却水“开锅”温度，提高系统压力。这是一个行之有效的措施，但同时也要加强散热器芯子的耐压强度和刚度高。 (3)增大总散热系数K。影响K值的因数很多，有水管的壁厚、水管导热系数(材质)、总的散热片效率、芯子空气侧的导热系数、芯子水侧的导热系数等。其中后2项对K值影响最大。而且与流经芯子的气流速度以及水流速度有很大的关系。气流速度以及水流速度越大，则K值也越大，成正比关系。 3 提高冷却能力的途径 通过后置城市公交车冷却系统设计的体会，下面具体分析影响散热效果的因数，并针对原因提出改进措施。 3.1 通过提高水泵和风扇的转速 根据流体力学知识，水泵的排水量和风扇的送风量，在其他条件不变的情况下，与其自身的转速成正比。因此，在后置客车上，只要加大曲轴皮带轮直径或减小风扇(以及水泵)皮带轮直径，即加大皮带轮的传动比，可提高风扇的送风量和水泵的排水量。 为防止转速提高带来不利的一面，应注意如下几个方面。 (1)风扇叶顶端最大线速度一般不超过 4000,5200m/min，否则会产生尖锐的噪声，同时可能超过风扇的刚性强度承受能力，致使叶片折断，将散热器打坏。 (2)由于发动机的水泵是吸水的，进水口压力最低，冷却水流速太高，容易沸腾，产生蒸汽或气泡，出现气蚀现象。这不仅会降低水泵工作能力，还会对水泵叶轮造成腐蚀。因此，发动机生产商自身应考虑控制水泵的转速。 (3)风扇的转速提高太多，相应消耗的功率也大幅度提高，消耗的功率与其转速的3次方成正比，最大可达发动机功率的10%，对整车动力性能是不利的。 因此，从经济性、客车动力、噪声等方面考虑，不宜过分提高风扇和水泵的转速。 应该尽可能加大风扇的直径，降低转速，来提高效率。 3.2 合理布置风扇与护风罩 (1)要合理考虑风扇与护风罩的几何关系。考虑风扇扫过散热器芯子的面积，使冷却气流均匀分布，提高系统流量效率，从而有效地提高冷却系统的散热能力。 影响系统流量效率的主要因素有:a.风扇因素，即风扇前端面与散热芯子的距离，风扇叶片扫过的面积区域;b. 护风罩因素，即护风罩与风扇叶片的径向间隙;c.进风导风区域和发动机舱的因素，即空间大小及形状，衡量其气流阻碍封闭率，见有关系统流量效率曲线(图2)。 由分析可见，风扇前端与散热芯子的距离太小，会增加风扇的吸风阻力，降低气流通过散热芯子的均匀度。适当加大风扇前端与散热芯子的距离，如由80mm增至160mm，则系统流量效率提高4%，如风扇叶片扫过的面积大于65%的芯子正面积，效率又可提高5%左右。 (2)护风罩与风扇叶片的径向间隙控制。护风罩的功能是提高风扇的吸风能力，流线型曲面的护风罩可减小气流阻力。目前玻璃钢制作的护风罩普遍使用。根据气流的原理，风扇的效率与风扇叶片和护风罩的间隙成反比。根据实际的可行性，一般在5,10mm为佳。同时，不能把风扇完全包在护风罩中，否则，风扇排风阻力会增加。一般推荐吸风式风扇叶片投影宽度的2/3在护风罩里，这样效果较好。 3.3 除气系统及膨胀水箱的使用 在发动机运行中，诸多原因会使冷却液中混有气体，如: (1) 水管路联接处和水泵密封垫的缺陷，使空气渗入冷却系统; (2)水泵工作，水泵进水管处的压力等于或低于该处冷却水的饱和蒸气压力时，则冷却水会沸腾而产生气泡,这是特有的物理现象; (3)加水时带入空气; (4)发动机内部高压燃气从密封不严的垫片窜入冷却液。 冷却系统中有气体，则会产生气阻现象，就会降低水泵效率和散热效率。而且气体膨胀比水大，沸腾时候会使水溢出而减少。因此，系统应有适当的膨胀空间以适应冷却液随温度变化的涨缩。这样膨胀水箱就得到广泛的使用。 膨胀水箱功能如下。 (1)可加水、密封。使冷却水成闭式循环、保持系统内部清洁，减少水蒸发、溢出损失。 (2)水气分离。通过可排出散热器上水室和发动机节温器前的冷却水中的气体。 (3)具备足够的膨胀空间。冷却水受热膨胀后，膨胀水箱可以容纳其增加的体积。 (4)提高水泵进水口处的静压，降低产生气蚀的可能性，提高水泵效率。 后置城市公交车冷却系统一般采用独立的膨胀水箱。布置时，应该考虑便于加水，不能阻碍大水箱的拆卸。膨胀水箱最低面要高于散热器上水室顶部，空间允许的条件下，尽可能高，以利于出气。补偿水管连接到水泵进水管路应使水流通畅，最好靠近发动机水泵进水口处。除气气管应远离补偿水管，避免紊流，出口应在冷却水水平面以上，而且安装时要使气管通顺，气体能顺利排除。 膨胀水箱容积应为冷却系统总容积的10%,15%，如有水暖风机，应该增加到20%。 膨胀空间至少为总容积的6%。补偿水管口径应在?5,?8mm较好，除气气管用内径?mm的软管。 3.4 提高冷却系统压力 冷却水的沸点随系统压力增大而上升，根据有关资料，系统压力对沸点及散热量的影响，见表1显示。因此，压力增大可使散热器进水温度提高而使温差Δt增大，根据Q=K?A?Δt可知，Δt增大则Q也增大。 这样，不但可以提高散热效率，适当减小散热器的尺寸，有利于空间布置，而且可以使发动机的水套温度适当提高，燃烧效率得到改善，还有利于减轻气缸的磨损。 为此，膨胀水箱上端设有压力阀盖，开启压力由80年代的0.3kg/cm2提高到0.5kg/cm2，国外车可以达到1.2kg/cm2。提高系统的压力，也要考虑到散热器的耐压能力是否适应，以及管路连接的密封性能可否满足。 4 设计中的措施及注意事项 在具体的后置城市公交车冷却系统设计中，有些问题值得考虑。 (1)散热器的选择。在满足发动机的要求后，如空间允许，用尺寸大的、正方形的、芯子厚的散热器可以加大散热面积。但是，过度厚的芯子反而会使散热性能减低，成本也增高，一般不宜超过120mm。 (2)加强密封，防止发动机舱内的热空气吸入导风区域，避开排气管等热源。同时要防止车尾底部的尘土进入，堵塞中冷器及水箱的芯子。否则，散热效率大打折扣。护风罩、散热器、中冷器3者之间也应密封好。 (3)由于后置城市公交车的运行速度较低，从侧围进来气流速度不高。所以，在散热器前面进风的导风流道，应设计成阻力小、流线型的，避免形成涡流。侧围进风口的有效面积尽可能大，最好保证在散热器正面面积的1.2倍以上。系统有中冷器的，不能互相挡住芯子，影响冷却空气流经芯子。 同时，管路走向应通顺，减少弯头，如果有拐弯的部位，弯曲半径要大。管径一般要大于或等于发动机上的接口。 (4)防冻液的使用。在寒冷的北方地区，一般冷却液中要求加防冻液，防止冰冻。防冻液还具有防腐功能。要对应温度条件下和纯净的水混合比例要求加入。防冻液量不得超过 68%，否则，性能会恶化。 5 结束语 综合上述，对后置城市公交车的冷却系统，在总体设计布置时就应该全面考虑好冷却系统各个部件的布局及选用、管路连接是否合理等多方面因素。冷却系统的设计是个十分重要环节，对保护发动机的正常工作，提高整车的性能以及使用寿命都有好处，不可忽视。 [关闭窗口]