客车后置发动机冷却系统改造2011621

12m公交客车冷却系统改造112m公交客车后置发动机冷却系统改造摘要大型公交客车采用后置安装发动机的在国内已经相当普遍，但后置车在环境温度较高的夏天常常因过热停机而“趴窝”。对此，笔者根据对该类公交车冷却系统的调查，在相关产品供应商的支持下进行了改造试验，就相关改造的实践经验总结如下。1．问题的提出1.1后置发动机客车从公交客车诞生的初期，其底盘就是基本上就是从卡车底盘直接移植的，其发动机舱的冷却系统也是沿用传统的前置安装系统（图1），即发动机的冷却系统中，风扇和水泵是一起由曲轴驱动的。随着城市对公共交通的逐渐重视，特别是BRT概念的引入，对公交车的大容量、高舒适度提出了需求，长度12m以上的大型、特大型低地板公交车开始在都市区的公共交通中扮演重要角色，客车的大型化带来了发动机功率的增大，大功率发动机体积的大型化，卡车底盘不能在其上直接应用，而且几乎不可能按照传统的方法在大型低地板客车上进行前置发动机的安装。因此，大型公交车的安装位置不得不移到了车尾，如果后置发动机沿用此法[1]，水箱的风扇轴要与发动机曲轴平行，即发动机与水箱必须要并排布置，还要考虑在车身侧后围开通风口，设置进风导流舱。车外空气从车身侧面正压进风口处进入发动机舱，并在车身后围设排风口排风。由于少了迎风面的散热源，增加了发动机中冷器和水箱的散热难度。当环境温度达38℃以上时，常规设计的后置发动机客车在巡航距离不超过2km、运行时间约4-6min’s的实际运营过程中，进气温度会上升至70℃以上、冷却水的温度达100℃以上，而导致发动机停机保护。因此，后置安装发动机如何渡过炎热的夏季成了许多公交企业的问题。1.2问题为解决后置发动机公交车的散热问题，曾经考虑过多种方案，如：加大风扇直径、提高风扇转速、打开发动机舱门（简称舱门）等等：A．加大风扇直径：根据风机设计理论，同比条件下加大风扇直径，可以相应提高散热效率，但是在车辆设计时，发动机舱内的所有总成就已经进行了总体布局，固定了散热器的安装位置，风扇的安装位置亦受限，受发动机舱空间结构限制，风扇直径加大的余地非常有限，由此进行的初步估算散热效果的改变并不理想；B．提高风扇转速：转速的提高可以使风机单位时间内的送风量增加，据[2]介绍，发动机低速运转时其风扇噪声以涡流噪声为主，高速运转时主要是旋转噪声。而风扇的旋转噪声基频公式、涡流噪声频率公式都是与转速成正比的函数，提高风扇转速其噪声将成倍增加，受《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法GB1495—2002》限制，显然不能轻易通过增加风扇转速来达到为发动机舱散热的目的。C．打开舱门：在发动机舱散热不理想时，将舱门打开来提高散热性能，也许是最直观的主意。通过试验，车辆低于10km/h时具有一定的散热效果，不过高于此速度就没有什么效果。事实上，行驶于都市区的公交车行驶速度虽然并不高，车速因受道路条件和状况限制而忽快忽慢，据[2][3]介绍，客车尾部气流受车速影响变化较大，12m公交客车冷却系统改造2车速引起的尾部涡流呈紊流状态，涡流引起的正、负压区分布范围也是变化的。因此，舱门打开或在舱门上开孔，对发动机舱内的散热基本上起不到什么作用。D．***1.3***2分析综上所述，由于在常规的后置发动机冷却系统中，采用发动机直接驱动风扇进行散热，这种冷却系统的冷却能力理论上是根据发动机的最大热负荷工况来设计的，目前常规的后置发动机冷却系统有如下问题：2.1叠加效应12m公交车配置的基本上都是带增压器的大压缩比发动机，鉴于发动机舱空间位置的限制，发动机的中冷器和水箱基本上不可能独立安装，而采取中冷器均与水箱“串联”安装的方法（如图3所示）。工作时，在风扇的作用下，中冷器及水箱因外界空气经过而达到被冷却的目的。其中经中冷器风冷后的进气温度应降低至60℃（ts2≤60℃）左右，而发动机正常工作的冷却水的温度普遍在90℃-98℃（90℃≥tw2≤98℃）左右，才能保证增压发动机的正常工作。由于进气温度与水温是发动机中两个温差在30℃左右的系统。正常状态下，经过中冷器的进气温度应下降100℃（ts1-ts2≤100℃）左右，而经过水箱的冷却水温度下降在15℃（tw1-tw2≤15℃）左右。由于水箱的阻隔，通过中冷器的风压和流速减弱，不但中冷器的风冷效果相应减弱，还引起发动机舱温度上升(T2↑)，最终影响整个发动机的散热。安装此类冷却系统的后置发动机客车，一般采用[4]LAT(LimitedAmbientTemperature，极限使用环境温度)法来决定是否能够在相应地区使用，其计算式为：；式中为最高允许出水温度，为测量得到的最高稳定出水温度，为试验时的环境温度。常用推荐标准:；为了方便通常把最高稳定出水温度与环境温度的差值作为评价指标，故引入冷却常数K，即则该冷却系统为合格，但K的出现就界定车辆工作的环境温度，对于后置发动机客车为宜，因此制造商和用户都应该以K值作为考核该型车是否能够在相应地区使用的主要指标之一。鉴于种种原因，K往往不易达到上述规定值，出现冷却效果不佳也属必然。风扇功率根据风机理论，风扇的结构尺寸确定之后，对发动机的散热冷却能力取决与转速。公交车与所有车辆一样，发动机都是在爬长陡坡时满负荷输出，产生的热量也最大，要求风扇的散热效率最高。但是此时发动机处于中、低速大负荷工况，风扇因是发动机皮带传动的，其转速也相应较低，由[5]风机功率计算公式:NQp1000η(kw)（式中：Q—风量m3s⁄；p—风压Nm3⁄；η—效率）由于风量是与转速成正比的函数，因此，转速低必然导致风扇的轴功率低，意味着在发动机最需要散热时风扇不能发挥最大功率，即：采用发动机直接驱动的风扇，其冷却能力不能随发动机的需求变化。2.2耗能在采用发动机直接驱动机械风扇的冷却系统中，其冷却能力多数是按照发动机高速工况情况的最大热负荷工况设计的。据[6]介绍，在前置发动机中，风扇所耗功率约占发动机总功率的10%。大量的试验证明：水冷系只有25%的时间需要风扇工作，而在冬季及环境温度较低的条件下营运时，发动机温升没有夏季那么快，冷却风扇却一如既往的旋转，实际上此时仅有5%的时间需要风扇工作。后置发动机客车因为没有前置车的迎风冷却效果，显然要增加12m公交客车冷却系统改造3风扇功率以满足散热的需要，但在冬季的低温环境下，发动机预热或车辆行驶时，转动冷却风扇产生的冷却能力过剩，会导致预热时间延长而增加热交换损失，引起因冷却水温过低而增加的燃料消耗。据[6]介绍，当发动机冷却水温从90℃降到50℃时，燃油消耗率将增加10%左右，如果在不需要风扇转动的时候，停止转动风扇就意味着会节约使发动机的燃料消耗下降10%。2.3电控冷却原理为了改变发动机直接驱动的风扇冷却系统的上述弊端，车辆制造界陆续出现了许多发明，据[7]介绍，1981年3月的美国专利文件(专利号US4257554)中，首次提出了用电动冷却风扇取代皮带驱动的冷却风扇，根据发动机温度和负荷情况的不同，确定风扇是否工作或风扇转速，避免了发动机驱动冷却风扇的功率损失，缩短了发动机的预热时间，减少了不必要的热交换功率消耗。1989年美国首次在载重车辆上采用电动冷却风扇。在1990年代一些汽车业比较发达的国家推出了采用电液比例控制液力驱动冷却风扇，这种冷却系统是以ECU来控制电磁阀的开闭进而达到对风扇转速的控制。由此，计算机技术开始逐渐进入车辆发动机的冷却系统。发动机温度纯电控冷却系统，在国内客车后置发动机上的应用得益于国Ⅲ排放标准发动机的推广和PWM（Pulse-WidthModulation，脉冲宽度调制）技术的普及。如图4所示，因国Ⅲ发动机的冷却系系统含水及进气等参数传感器，使发动机ECU能够在采样分析冷却系统的温度、压力等综合信号后处理成PWM信号给冷却风扇控制器，冷却风扇控制器再输出相应占空比的PWM脉冲信号驱动风扇，使风扇在一定范围内可以无级调速。2．改造：原则上，可以改动原发动机控制系统的线束，电控发动机的水及及进气等参数传感器可以实现共用，因此温控系统的ECU包含PWM功能，这些都是相关产品供应商可以提供的，改装后：3.1散热取消了“串联”模式，水箱与中冷器分别有各自的电风扇，没有了空气冷却的“叠加”热阻效应。直接由车身侧面吸气，取消了多级皮带传动风扇系统，在解决散热问题的同时，3.2节能由于电控冷却系统使发动机工作温度处于相对恒温状态，相应提高了发动机的燃料经济效率，同时降低了机械风扇冷却系统的耗能与噪声以直径620mm的机械风扇[8为例：发动机最大扭矩工况的耗能为10kw，而电控风扇的耗能却在1kw以内。耗能低的冷却系统与未改装前比较，每100km节约燃料6%、车辆噪音降低%。3.3可维修性模块化电控冷却系统的故障率远远低于机械风扇冷却系统，增加了发动机舱空间提高了可维修性；所有部件可以单独、快速维修，缩短了发动机冷却系统维修时间；3.4成本原机械传动冷却系统的水箱、中冷器几何尺寸较大不方便继续使用而报废，但其节能的效益可使改造成本在一年左右即可收回。12m公交客车冷却系统改造43．结语采用ECU的电控冷却系统对客车机械传动的风冷系统进行改造，使后置发动机的大功率发动机的温度控制由原来的能耗高、噪音大的机械风扇系统改为智能化数据控制，在彻底解决冷却问题的同时，达到了节能减排的效果，也因为降低车辆故障率，而提升公交企业提高服务水平。4．参考文献[1]于恩中，孙彦君，吴明，徐伟峰.李政发动机后置客车冷却系的总体布置与设计究[DB/OL].[2]贾继德，刘学渊，邱峰，陈剑.兼顾冷却、降噪要求的后置客车冷却系统研究[3]张志沛,欧阳鸿武,秦志斌.JT6120型客车气动特性的数值模拟和风洞试验[J]中国公路学报2000年7月第13卷第3期113-115[4]广西玉柴机器股份有限公司.玉柴发动机应用开发技术规范（冷却系统）.[R].2006.03.31[DB/OL].[5]蔡增基，龙天渝.流体力学泵与风机[M].北京：中国建筑工业出版社2009：292-293[6]刘晓晴，胡军，电动冷却风扇低能耗、低噪声大客车的研发[DB/OL].[7]中国设备网铺路机械冷却系统现状及发展趋势[DB/OL].[8]宁波雪龙车用零件检测有限公司.F620-10C风扇实验报告.[R].2009.[1]于恩中，孙彦君，吴明，徐伟峰.李政发动机后置客车冷却系的总体布置与设计究[DB/OL].[2]贾继德，刘学渊，邱峰，陈剑.兼顾冷却、降噪要求的后置客车冷却系统研究[3]轻型汽车技术，客车冷却系统模糊控制策略及仿真[DB/OL].[4]中国设备网铺路机械冷却系统现状及发展趋势[DB/OL].[5]张振.现代车用发动机冷却系统研究进展[DB/OL].[6]现代