随着GB 17691-2018国6排放法规发布，该法规国6a排放相比国5排放，颗粒物（PM）瞬态排放降低约50%，氮氧化物（NOx）瞬态排放降低约80%，测试循环更加严苛，同时需要进行整车排放PEMS检测，并对排放耐久性及远程排放监控OBD等提出较高要求。

为了满足法规要求，汽车发动机一般从机内净化和机外后处理两方面着手解决排放问题。其中，国6天然气发动机（LNG）采用了当量燃烧和废气再循环（EGR）技术，采用该技术可降低原始排放，提高发动机功率和转矩，带来的负面问题就是发动机需要冷却液带走的热量大幅增加，相比同功率国5发动机，散热量增加60%以上。

大部分整车，在国5L国6时，整车边界、驾驶室机舱、车架结构等没有变化，导致无法使用更大散热器适应发动机散热需求，因此需要打破传统整车冷却系统开发思路，重新匹配开发冷却系统，满足整车要求。

车型配置

根据市场需求及发动机资源，需要开发的车型主要配置见表1。

发动机散热量数据

车型配置13 L天然气（LNG）国6发动机散热量数据由发动机厂家通过发动机台架试验取得，具体参数见表2。散热器布置空间散热器布置空间由整车驾驶室及车架数据边界和整车离地间隙要求等共同确定。由于该车型驾驶室前端给散热器布置预留空间小，同时车架宽度小，由此确定了散热器布置结构尺寸宽度方向需要小于等于760 mm。

为了满足离地间隙大于等于300 mm的要求，散热器高度方向尺寸需要小于等于1 200 mm；散热器厚度主要与动力总成定位关联，该车型散热器总成厚度最大可达到300 mm。

因此，该车型驾驶室前端散热器布置空间尺寸为1 150 mm×760 mm×300 mm。冷却系统匹配方案需要在该空间进行。

冷却系统匹配设计

1.冷却系统匹配方案的概念设计

根据整车预留的散热器布置空间，确定冷却系统匹配设计方案。冷却系统主要冷却发动机冷却液和增压后出气温度，主要有散热器和中冷器组成。因此，根据冷却系统组成及考虑阻力因素，确定了以下几种冷却系统匹配设计方案——方案A：空空中冷器冷却模块；方案B：空空中冷器冷却模块+辅助散热器；方案C：水空中冷器+高低温散热器；方案D：水空中冷器+高低温水箱+辅助水箱；方案E：水空中冷器+高温散热器+低温散热器；方案F：散热器+分体空空中冷器；方案G：空空中冷器冷却模块+辅助风扇。其中，方案B和D冷却系统匹配方案分别如图1、图2所示。

2.冷却系统匹配方案的初步设计

根据散热器布置空间、发动机散热量对比数据、换热元件现有产品及供应商产品资源，结合冷却系统设计匹配经验，初步确定冷却系统匹配方案，主要确定了换热元件散热芯体尺寸和冷却元件冷却风扇的尺寸规格，初步确定了冷却系统匹配方案数据，其中方案B和D初步设计数据见表3和表4。

3.冷却系统匹配方案设计的计算

（1）冷却系统匹配计算数据输入

冷却系统匹配计算需要有换热元件及风扇数据，才能进行相对准确的匹配计算，经统计得出上述A、B、C、D、E、F、G七种方案用到的换热元件及风扇数据，其中方案B和D的相应数据如图3、图4所示，数据由供应商台架试验取得。

（2）冷却系统匹配计算建模

使用KULI软件进行冷却系统一维匹配仿真计算，典型计算模型如图5所示。具体分别根据A、B、C、D、E、F和G共7种方案，并结合发动机本体冷却单元需求，建立计算模型，计算模型中换热元件、风扇、散热量、水泵及压力等参数由供应商台架试验取得，压降、阻力等参数根据经验值确定。

（3）冷却系统匹配计算结果对比

根据计算模型，输入需求参数，进行A、B、C、D、E、F和G共7种方案性能计算，计算结果见表5。

根据表5不同匹配方案计算结果可以看出以下内容：

1）方案B和方案D可以满足目标要求。

2）7种方案中冷性能均可满足要求。

3）通过方案A与方案B、C与D对比，可以看出，增加（串联或者并联）一个辅助散热器，可以明显改善冷却性能，具体改善效果依据辅助散热器尺寸确定，本案中增加辅助散热器后，冷却性能提升9℃以上。

4）方案A与方案F、C与方案E对比，可以看出，通过减小主散热器阻力的形式也可以提升冷却系统性能，本案中，冷却性能提升2℃以上。

5）方案A与方案G对比，可以看出在方案A冷却模块前端增加4个辅助电子风扇，冷却性能提升约3℃。

6）方案A和方案C为两种不同的冷却系统设计匹配方案，通过合理的匹配，二者性能可以相当。

4.冷却系统匹配方案的详细设计

根据上述冷却系统匹配方案计算结果，结合发动机资源情况，对方案D进行了详细设计。同时储备其他六种方案相关零部件，以便进行试验结果与计算结果的对比验证。

（1）冷却系统控制原理

冷却系统匹配设计除了考虑满足冷却性能要求外，还要考虑节能因素，以降低风扇工作负荷，减小风扇功率消耗，从而达到整车节油的目的。方案D具体控制原理参考图2，说明如下：

1）接温器开始开启温度78 ℃，全开温度90 ℃，当冷却液温度小于90 ℃时，冷却液参与小循环。

2）冷却风扇为电控硅油无级调速风扇，可根据冷却液温度变化，无级调整风扇转速。

3）电子风扇为电磁控制，3档调速控制，根据冷却液温度不同，实现不同档位工作，且可实现单一风扇独立工作，如匹配4个风扇，可以实现1个单独工作，2个同时工作，3个同时工作，4个同时工作。

4）冷却管路设置换向阀，可根据冷却液温度变化确定换向阀工作通道，从而控制冷却液是否通过辅助散热器。

5）冷却风扇、电子风扇和换向阀需要根据冷却液温度情况实现联动控制，从而降低风扇工作时间。

（2）结构设计

根据方案D初步确定的换热元件芯体尺寸、风扇尺寸等，进行方案的详细结构设计，主要包括高低温散热器、护风罩、辅助水箱、电子风扇、连接管路及固定、冷却补偿装置等，详细设计结构如图6所示。

主要结构特点是水冷中冷器与发动机本体集成，高温散热器与低温散热器集成为高低温散热器总成，辅助散热器安装于车架侧面，2个电子风扇与辅助散热器集成，冷却风扇为直径770 mm开口风扇，护风圈为柔性护风圈。

冷却系统匹配方案试验验证

以方案D为基本型，组织A、B、C、D、E和G共6种方案资源，进行整车热平衡试验，因方案F中冷管路过于复杂，整车无法布置，不具备实施可行性，因此未进行试验验证。试验结果见表6。

对表5与表6进行对比分析，可以看出，各方案试验结果与计算结果趋势一致，液气温差试验结果与计算结果一般约有3℃误差。方案B和方案D满足设计要求。

总结

通过本文多方案设计计算及试验验证，为高散热量载货汽车冷却系统匹配设计提供了多种解决方案。整车进行冷却系统匹配设计时，根据整车布置边界，选择性能最优、成本最低、重量最轻的解决方案进行匹配应用。