2018车用发动机冷却系统匹配设计

9569398

　　北京汽车股份有限公司汽工程研究院 北京 朝阳 10002
http://
　　河北涿州市万鑫金属结构有限公司 技术部 河北 涿州072750
　　摘要：动力性、经济性是评价现代汽车的重要性能指标。在进行汽车系统匹配设计时，如果发动机冷却系统设计不当，将造成发动机不能充分冷却，不仅导致部分零部件过热降低寿命，而且会引起发动机动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。本文对车用发动机冷却系统的主要零部件设计及系统匹配计算进行介绍和分析。
　　关键词：冷却系统发动机水套散热量散热器最大散热量散热面积风扇风量
　　分类号：S219.031文献标识码：A-E文章编号：2095-2104（2011）12-040―01
　　
　　
　　1. 引言
　　 现代车用发动机冷却系统多采用封闭式强制水冷系统。冷却系统主要由水泵、节温器、散热器、电子风扇、膨胀水箱及连接管路组成，其功能是对发动机进行强制冷却，保证发动机能始终处于最适宜的温度状态下工作，以获得较高的动力性、经济性及可靠性。水泵和节温器通常为发动机自带，而散热器和电子风扇需根据发动机参数进行匹配设计。
　　 图1为常用冷却系统结构形式：
　　
　　
　　 图1-1 常用冷却系统结构形式
　　 本文根据冷却系统结构形式和所选发动机的基本参数，通过计算确定设计车型散热器及风扇的性能参数，已确保其与所选发动机相匹配。
　　2. 冷却系统设计输入条件
　　 根据所选发动机基本参数，进行散热器及电子风扇的性能参数匹配计算，设计车型所选发动机参数如下：
　　 表2-1冷却系统设计基本参数
　　发动机型号 4G
　　排量（L） 1.496
　　压缩比 10.5:1
　　最大功率（kW/rpm） 76/6000
　　最大扭矩（N?m/rpm） 136/4200
　　冷却系统压力（KPa） 110-150
　　3. 冷却系统设计计算
　　3.1 发动机水套散热量
　　 由Q水=Q比 × Nemax （3-1）
　　其中：
　　 Q水 -发动机水套散热量（kJ/h）；
　　 Nemax――发动机额定功率（kW）；
　　Q比 ――水套比散热面积。
　　 Q水应为发动机厂提供，但在有些情况下，发动机厂不能提供此参数。此时，就要选用市场上成熟发动机相关参数进行对比计算。
　　 在此，我们参考发动机A(与设计所选发动机排量等参数接近的机型)厂商提供的发动机水套散热量Q水为：2170BTU/min。
　　 因为1BTU=1055J，所以Q水=137361（kJ/h）
　　表3－1发动机A参数
　　发动机型式 Tritec1.6
　　排量（L） 1.598
　　压缩比 10.5:1
　　最大功率(kW/rpm) 85/6000
　　最大扭矩(N?m/rpm) 149/4500
　　 通过功率比较，测算4G发动机水套散热量:
　　 得出:本发动机的Q水为122817（kJ/h）
　　3.2散热器最大散热量Qmax
　　 根据使用实践，散热器使用一段时间后，散热能力会有所降低。同时，通过散热器的气流，受散热器周边环境的影响，会产生气流分布不均现象，从而也会引起散热器散热能力减少。充分考虑上述因素，故散热器最大散热量Qmax应比Q水大10%～25%。即
　　Qmax=（1.1～1.25）Q水（3-2）
　　 式中，轻型车和轿车取下限，中型以上的车辆和工程车取上限。本车为轿车，故取下限。
　　Q max=1.1×Q水=135098（kJ/h）
　　3.3系统压力
　　 该发动机的系统压力为110-150kPa。
　　3.4散热器的设计计算
　　3.4.1芯子正面面积
　　 依据发动机排量计算散热器芯子正面面积：
　　 Ff≥0.1+0.032Vn （3-3）
　　 式中：Ff――芯子正面面积，m2；
　　 Vn――发动机排量，1.496L。
　　 散热器正面面积Ff≥0.147872m2
　　 从上述计算可知，散热器正面面积Ff不应小于0.147872m2。
　　 我们设计的散热器:
　　 芯宽488.3mm，芯高349mm，芯厚17mm。
　　 芯子正面面积：
　　 Ff=488.3×349=170416.7mm2≈0.1704m2，比设计要求的0.147872m2约大15.3%，符合要求。
　　3.4.2散热器水管的选择
　　 为了降低生产成本和利用现有工艺装备，参考同类车型，冷却水管断面尺寸选用“1.8mm×17mm”的管子，采用单排布置。
　　3.4.3散热器散热面积
　　 散热器：芯宽488.3mm，芯高349mm，芯厚17mm，波高为7.35 mm，波距为2.25m，宽为17mm的散热带和1.8mm×17mm的冷却水管。
　　散热带数n=51,水管数为50，散热带的波峰数为155个，散热带展开长度为2383mm，实际散热面积S为：
　　 S=2Sf+St(3-4)
　　 S=2×51×2383×17+50×349×36.06= 4761369mm2≈4.8m2
　　上式中:Sf――散热带散热面积
　　 St ―― 水管散热面积
　　3.5 风扇参数设计
　　 选择轴流式薄片型风扇，采用经验统计法来计算。
　　3.5.1风扇面积的确定
　　 依据《汽车设计手册》，风扇扫过的环形面积占散热器芯子正面面积的百分比应大于45％。
　　 根据发动机的排量、芯子正面面积和总布置的布置空间，确定选用直径D为0.35m（14英寸）散热风扇。
　　 则风扇外径扫过的环行面积 S（m2）：
　　 m2
　　 ＝＝56.5％>45%
　　由以上计算可知，采用此风扇能满足使用要求。
　　3.5.2风扇风量的确定
　　 按下式来确定风扇的风量V0 （m3/h）：
　　（3-7）
　　 式中：
　　Qmax-散热器最大散热量，Qmax＝135098kJ/h
　　-空气密度，取1.2kg/m3
　　-空气比热，取2.79×10-4
　　-气液温差，参考同类车型取60
　　代入公式后得：V0=1868m3/h
　　 故我们参考同类车型，确定风扇的风量如下：
　　 参考同类车型：D为0.279m（11英寸）的散热风扇，当风压为6mmH2O时，散热器风扇的风量V≥1140m3/h。
　　 通过类比方法计算：
　　 根据公式： Q=Knd3 （3-8）
　　 Q-风扇风量 K-比例系数
　　 n-风扇转速 d-风扇直径
　　 则有：
　　 经计算得：当风压为6mmH2O时，设计的散热器风扇的风量V≥2251m3/h
　　 ＝＝20.5%
　　 由以上计算可知，实际确定的风扇总风量比发动机所需风量大20.5％，故能满足使用要求。
　　4. 结论
　　 通过计算，冷却系统设计参数如下：
　　散热器参数 芯宽 488.3mm
　　 芯高 349mm
　　 芯厚 17mm
　　 正面面积 0.1704 m2
　　 散热面积 4.8 m2
　　风扇参数 散热器风扇风量
　　（风压为6mmH2O时） ≥2251m3/h
　　 散热器风扇直径 14英寸
　　 选用4G发动机，冷却系统散热器和风扇的参数选取按上表数据进行。
　　5. 结束语
　　 在进行车用发动机冷却系统设计时，可以通过计算、校核，合理选择散热器和风扇的性能参数，以确保冷却系统的散热性能。
　　此文可为冷却系统设计计算提供参考。
　　参考文献：
　　[1] 汽车工程手册编辑委员会.汽车工程手册(设计篇)[M].北京：人民交通出版社，2001.
　　[2] 长春汽车研究所.汽车设计手册.发动机.附件卷[M]，1998.