散熱系統(tǒng)匹配計算分析方法

1、汽車冷卻系統(tǒng)匹配分析計算方法目錄一，概述 .1二，汽車對冷卻系統(tǒng)的要求 .2三，冷卻系統(tǒng)選型布置 2四，設計計算匹配 .612五，設計驗證、概述冷卻系的主要功用是把受熱零件吸收的部分熱量及時散發(fā)出去，保證發(fā)動機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。匹配良好的冷卻系統(tǒng)對整車的動力性，經(jīng)濟性都有著至關重要的作用。冷卻不足會導致發(fā)動機過熱，產(chǎn)生許多不良反映：發(fā)動機過熱，進氣系數(shù)下降，燃燒不正常（爆燃、早燃等），機油變質和燒損，零部件摩擦和磨損加?。ㄈ缁钊?、活塞環(huán)和缸套咬傷，缸蓋發(fā)生熱疲勞裂紋等），引起發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性、可靠性全面惡化，最明顯的癥狀則是我們平常所見的發(fā)動機開鍋。冷卻過度會導致發(fā)動機過冷，不良

2、反映有：汽油機混合氣形成不良，機油被燃油稀釋；柴油機工作粗暴，散熱損失增加，零部件磨損加劇（比正常工作溫度工作時大好幾倍），也會使發(fā)動機工作變壞。在冬天發(fā)動機啟動后需要長時間熱機。最終也導致整車的燃油經(jīng)濟性大打折扣。冷卻系按照冷卻介質不同可以分為風冷和水冷（圖1-1），如果把發(fā)動機中高溫零件的熱量直接散入大氣而進行冷卻的裝置稱為風冷系。而把這些熱量先傳給冷卻水，然后再散入大氣而進行冷卻的裝置稱為水冷系。由于水冷系冷卻均勻， 效果好，而且發(fā)動機運轉噪音小， 目前汽車發(fā)動機上廣泛采用的是水冷系。圖1-1、汽車對冷卻系統(tǒng)的要求1、保證發(fā)動機在任何工況下工作在最佳溫度范圍；隨著發(fā)動機技術水平的提高，現(xiàn)

3、在發(fā)動機的最佳工作溫度也有所提高，約851102、保證啟動后發(fā)動機能在短時間內(nèi)達到最佳溫度范圍；3、散熱器散熱效率高，可靠性好，壽命長；風扇（主要是電子扇）運轉可靠，噪聲小，消耗功率低; 水泵盡量小的消耗發(fā)動機功率。4、體積小，重量輕，成本低，可靠性好;6、拆裝、維修方便。三、冷卻系統(tǒng)布置選型（一）冷卻系統(tǒng)結構1、分類:液體冷卻蒸發(fā)冷卻簡單蒸發(fā)冷卻以加注冷卻液來補償冷卻介質蒸發(fā)損失的蒸發(fā)冷卻。帶輔助水箱的蒸發(fā)冷卻用輔助水箱補充冷卻介質的蒸發(fā)冷卻。帶冷凝器的蒸發(fā)冷卻蒸發(fā)的冷卻介質在冷凝器中凝結后，通。過冷卻回路流回到發(fā)動機加水箱的蒸發(fā)冷卻。循環(huán)冷卻對流冷卻利用熱虹吸作用使冷卻液自然循環(huán)的冷卻方式

4、。強制冷卻開式強制冷卻冷卻介質不進行再循環(huán)的強制。冷卻方式。單循環(huán)強制冷卻冷卻介質在冷卻水箱、冷卻塔、管式冷卻器、散熱器 等中進行冷卻的強制冷卻方式。雙循環(huán)強制冷卻利用副回路（外循環(huán)）中的冷卻液在熱交換器中對發(fā) 動機冷卻介質進行再冷卻的強制冷卻方式?？諝饫鋮s自然空氣冷卻利用自然空氣循環(huán)的冷卻方式。強制空氣冷卻利用風扇迫使空氣循環(huán)的冷卻方式。2、常用結構：冷卻水強制循環(huán)冷卻方式主要零部件：發(fā)動機水套、水泵、節(jié)溫器、散熱器、風扇以及連接管路。工作原理：散熱器上水室兼起膨脹水箱或者補償水箱的作用。注意事項：為保證冷卻系統(tǒng)排氣順暢，加水充分，排水徹底，散熱器的上水室加水口處為冷卻系統(tǒng)的 最高點，下水室

5、出水口為冷卻系的最低點。同時，為滿足發(fā)動機排氣、冷卻液膨脹蒸發(fā)和冷卻系統(tǒng)補水的 需要，上水室要有足夠的空間。其結構如（圖 1）。（圖1）（1）帶補償水桶結構。（圖2）組成：發(fā)動機水路、水泵、節(jié)溫器、散熱器、風扇、補償水桶以及連接管路。原理：發(fā)動機溫度升高后， 冷卻液受熱膨脹，冷卻系統(tǒng)內(nèi)部壓力升高，散熱器壓力蓋出氣閥開啟排氣。隨著壓力的持續(xù)升高，冷卻系統(tǒng)內(nèi)部氣體排盡，冷卻液開始外溢并流入補償水桶內(nèi)。當冷卻液溫降低后， 系統(tǒng)內(nèi)冷卻液體積減小，壓力下降，散熱器壓力蓋進氣閥開啟，補償水桶內(nèi)的冷卻液會被重新被吸回冷卻 系。注意事項：為保證冷卻系統(tǒng)內(nèi)的氣體能夠全部排除，散熱器的加水口及下水室應處在冷卻系統(tǒng)

6、（補償 水桶出外）的最高點及最低點。補償水桶到散熱器的連接管路要密封緊密。另外，補償水桶還要有足夠的 容量和膨脹空間。（2）帶膨脹水箱結構。（圖3）組成：發(fā)動機水路、水泵、節(jié)溫器、散熱器、風扇、膨脹水箱以及連接管路。原理：膨脹水箱布置在冷卻系統(tǒng)的最高點，系統(tǒng)壓力蓋安裝在膨脹水箱上，系統(tǒng)直接通過膨脹水箱排 氣和補水。注意事項：因包括膨脹水箱在內(nèi)的整個系統(tǒng)壓力一樣，所以各連接管路一定要密封緊密。膨脹水箱要 有足夠的抗壓能力和空間。散熱器的最高點可以低于發(fā)動機 。-3 -壓力竝（圖2）（圖3）注：以上結構中，發(fā)動機排氣都必不可少，否則:1，如排氣不好，殘存空氣會對發(fā)動機內(nèi)壁造成氣蝕,影響發(fā)動機性能。

7、-4 -2，因發(fā)動機水套空氣的存在導致散熱不均勻，散熱效果不良，最終影響發(fā)動機的正常工作。3，有可能導致整車暖風不熱，因暖風系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)大都是聯(lián)通的，及傳熱，儲存熱量的介質都是冷 卻液，發(fā)動機內(nèi)殘存的空氣很容易進入暖風系統(tǒng)，影響氣正常工作。4, 影響冷卻液的加注速度和加注效果，無發(fā)動機排氣，防凍液加注時需多次加注才可以 加滿。隨著發(fā)動機技術的發(fā)展，發(fā)動機對冷卻系統(tǒng)中的空氣排除要求也日漸增高，四、設計計算匹配（一）散熱器散熱器是冷卻系統(tǒng)中的重要部件，其主要作用是儲存冷卻液，并將冷卻液攜帶的熱量散發(fā)出去，從而 降低發(fā)動機冷卻液溫度，最終達到發(fā)動機降溫的過程。進一步保證發(fā)動機的動力性，經(jīng)濟性及可靠

8、性。 一、散熱器組成及分類散熱器主要由兩個水室及芯體組成，主要有管片式和管帶式兩種。型式優(yōu)點缺點管片式剛度好，耐壓高，芯體不易阻塞制造工藝復雜管帶式制造方便，散熱效果好空氣阻力大（二），散熱器技術參數(shù)1，散熱系數(shù)：因使用材料，風速，水流量不同而不同，現(xiàn)在主要使用鋁制散熱器，其傳熱系數(shù)在同樣條件下較高，制作簡單，質量小，成本低。2，空氣阻力：主要和芯體結構有關，主要是散熱器管距及散熱帶波峰距，風阻越小散熱器散熱效率越高。 3，風扇功率：風扇功率越大風量越大，散熱效果越好，但同時也消耗了發(fā)動機更多功率，并產(chǎn)生了更大 的噪聲。乘用車風扇現(xiàn)在多采用電子扇。4，散熱帶波峰距：小的波峰距可以提供更大的散熱

9、面積，但同時也增加了散熱器的風阻，反之亦然， 5，散熱面積：散熱器管，帶的表面積之和。散熱面積越大，散熱效率越好。6，迎風面積：散熱器芯體正面迎風部分的面積。 7，壓降：指在一定條件下冷卻液從散熱器入口流至散熱器出口過程中壓力的下降部分，壓降與散熱器結 構及制作材料有關，在水泵揚程一定的條件下壓降越小，散熱器中冷卻液流速越快，冷卻效率越高。（三），風扇技術參數(shù)及介紹1，靜不平衡量 （g/m） ：是扇葉以中心軸為基準，因制造工藝而產(chǎn)生的不平衡力矩，靜不平衡量越小，風扇 運轉過程中產(chǎn)生的晃動越小，噪聲越小，風扇可靠性越好。電子扇一般控制在 40g/m 以內(nèi)，本參數(shù)的 控制可反映出供應商的制造水平高

10、低。2，噪聲：噪聲要求應達到整車噪聲要求（四）風扇介紹4.1 護風罩 風扇護風罩是為了提高風扇的冷卻效率，使通過散熱器芯部的氣流均勻分布，并減少發(fā)動機艙內(nèi)熱空 氣回流而設計的。因此，設計風扇護風罩時應注意技術的合理性，主要有以下幾點：1、對于前置發(fā)動機，風扇護風罩的設計分整體式和分開式兩種；對于后置式發(fā)動機，一般都采用整 體式。分開式護風罩兩部分之間有相對運動，必須用帆布圈柔性密封連接。2、護風罩與風扇葉尖的徑向間隙應盡可能小，以保證風扇冷卻效率。當采用分開式護風罩時，風扇 與護風罩無相對運行，其徑向間隙應不超過風扇直徑的 1.5 % ，或者 5 mm 10 mm ；當采用整體式護風罩 時，風

11、扇與護風罩有相對運動，其徑向間隙也不應超過風扇直徑的2.5 %，或者 15 mm 20 mm 。3、應注意護風罩結構設計的合理性，不應有阻擋風扇氣流的死角。4、風扇伸入護風罩的軸向位置，與進氣效率有很大關系，對于吸風式風扇，風扇葉片的投影寬度應伸入護風罩內(nèi) 2/3 為宜。5、在安裝護風罩時必須注意， 護風罩與散熱器之間不得有縫隙 ，應采用橡膠或泡沫塑料墊加以密封， 以保證冷卻效率不降低。6、駕駛員應經(jīng)常檢查風扇與護風罩之間的徑向間隙，以確保發(fā)動機風扇與散熱器發(fā)生相對位移時， 風扇與護風罩之間不產(chǎn)生碰觸。7、從成本角度考慮，在大批量生產(chǎn)的車型中，多采用塑料護風罩。發(fā)動機曲軸帶動風扇發(fā)動機曲軸通過

12、皮帶輪帶動冷卻風扇旋轉，發(fā)動機轉速越快，風扇轉動越快。只要發(fā)動機啟動，它就 要運轉，不能視發(fā)動機溫度變化而變化，采用這種方案，如果要調節(jié)散熱器的冷卻強度，要在散熱器上裝 上活動百頁窗以控制進入的風量。風扇離合器控制風扇 為了確保冷卻風扇的送風能力，設計時都按低速考慮，保證在低速時風扇有足夠的送風量，這樣考慮 的結果，使高速時的風扇送風能力過大。因此，在車輛通常行駛情況下，應該把風扇的轉速控制在適當范 圍內(nèi)，這樣才能降低噪聲，提高發(fā)動機經(jīng)濟性。使用風扇離合器可以控制轉速（以下簡稱AFC ）。在 AFC內(nèi)部粘有粘性流體（硅油） ，靠其剪切力傳遞扭矩。在風扇前面裝有雙金屬片，用來感知流過散熱器的空

13、氣溫度，因此，控制風扇離合器工作腔內(nèi)的硅油量，使其只是在必要時，才傳遞扭矩使風扇旋轉，當水溫 比較低時離合器與轉軸分離，風扇不動，當水溫比較高時由溫度傳感器接通電源，使離合器與轉軸接合， 風扇轉動。由于風扇離合器容易實現(xiàn)遠距離控制、使發(fā)動機工作溫度得到了控制，在汽車行業(yè)得到了一定 程度的推廣。但是經(jīng)過實驗，風扇離合器的溫度控制性能、可靠性、維修性相對較差，因此越來越多的汽 車上開始采用電動風扇。4.3、電動風扇 電動風扇是由電動機來驅動風扇，電動機的起停是受水溫直接感應的溫度開關來控制。汽車在低速怠 速時冷卻效果好，冷車啟動時水溫上升較快。電動機功率一般比較低，因此風扇的風量受到限制。電控式冷

14、卻風扇是一種更先進的控制方式， 該系統(tǒng)能使風扇產(chǎn)生最佳風量， 并大幅度降低風扇的噪聲。 為了控制合理的送風量，使用專用計算機收集下列傳感器信號，如水溫傳感器、空調器開關、發(fā)動機轉速 傳感器等，計算機利用這些信息，計算出最佳風扇轉速。該系統(tǒng)僅僅在需要時由電動馬達帶動風扇工作， 供給所需的風量。這種系統(tǒng)的位置布置自由度大，故在發(fā)動機橫置的車中的應用逐漸增加。用這種方式控 制的風扇，在冷卻液溫度低時風扇停止轉動，而在冷卻液溫度高時風扇增加轉速。由于電動風扇容易實現(xiàn) 上述控制， 故其有提高發(fā)動機暖機性能、 提高經(jīng)濟性、 降低噪聲的優(yōu)點。 電動風扇不使用發(fā)動機做動力源， 所以其轉速與發(fā)動機轉速無關。電動

15、風扇使用蓄電池電能，蓄電池只在需要風扇供風時才給風扇供電。這 種風扇無動力損失，構造簡單，總布置方便。電動風扇按其轉速分為二種形式，一種為單速式，一種為雙 速式。自控電動冷卻風扇可以充分利用汽車行駛迎面風的冷卻作用而大量減少發(fā)動機驅動冷卻風扇的功率 損失， 縮短了預熱時間， 實現(xiàn)最佳溫度控制， 大量減少了發(fā)動機的傳熱損失， 是當前降低汽車耗油最有效、 最簡捷的途徑之一。因此在節(jié)能和排放法規(guī)日趨嚴格的發(fā)達國家的轎車上得到廣泛的應用。四， 設計計算匹配 （一）參數(shù)輸入：- 6 -1，發(fā)動機參數(shù):項目代號設計輸入備注散熱系數(shù)A額定工況功率Ne燃油消耗 率ge最大扭矩工況最大扭距Me功率Ne燃油消耗

16、率ge2，水泵參數(shù):a,額定工況項目代號設計輸入備注轉速r/min流量Vw功率b,最大扭矩工況項目代號設計輸入備注轉速r/min流量Vw功率（二）匹配計算1，散熱量計算：整車需要冷卻系統(tǒng)帶走的熱量計算，根據(jù)整車具體不知情況考慮是否包括冷凝器，中冷 器的散熱量。額定工況發(fā)動機散熱量：Qw=A*ge*Ne*H n/3600最大扭距工況發(fā)動機熱量：Qw =A*ge *Ne *Hn/3600其中參數(shù)為：A:傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比（一般柴油機=0.180.25，渦流機比直噴機高；汽油機 A=0.230.30）Hn：燃料熱值，柴油和汽油的低熱值分別為41870Kj/Kg和43100Kj/Kg

17、由上可以得出散熱系統(tǒng)所需帶走的熱量，取其中最大值。以下以額定點為例。2,散熱器散熱面積散熱器面積：F=Q/（ Kr* t?） t=tw-ta冷卻水平均溫度:tw= twl- tw/2散熱器進水溫度：twl散熱器進出水溫差： tw: 一般取510冷卻空氣平均溫度：ta=t什 ta/2散熱器進風溫度：ti散熱器冷卻空氣進出溫差： ta 一般取2030平均溫度修正系數(shù) ？：汽車發(fā)動機的冷卻形式，屬于兩種流體(空氣及冷卻水)互不混合的交叉流式換熱形式，所以要以修正系數(shù)？對平均溫差進行修正，此處取？=0.98由此可以初步計算出散熱器散熱面積，散熱器散熱面積與功率的比一般如下：小客車：F =0.136 0

18、.204m2/kWNe載重車： Zl =0.204 0.408m2/ kWNe拖拉機： 立=0.408 0.680m2/ kWNe3額定點散熱器內(nèi)冷卻液流量Vw計算Qw =Vw* tw* Y w*cwVw= Qw/( tw Y wcw)及額定點水泵流量，此數(shù)值可由發(fā)動機提供，也可由上述公式進行計算得出。4,散熱器迎風面積F計算F= Qw / t/ y a/ C p/VQw:額定點散熱量 t :散熱器冷卻空氣進出溫差，一般取2030O：空氣比熱容Y a： 空氣的比重V :空氣流速(礦山車和拖拉機取8m/s，載重車取810m/s，小客車取12 m/s)然后算出芯體的寬 b和高h,最佳比例為b=h。5, 芯體厚度Ir (m)*=卅式中：0散熱器芯體的容積緊湊性系數(shù)，即單位散熱芯部容積所具有的散熱面積，m2/m3。0值越大，散熱器越小，空氣阻力越大。主要取決于散熱片和水管的數(shù)目、布置和形狀，一般取5001000.對于選定的芯部結構，它是一個定值。注：1、在整車空間布置允許的條件下，盡量增大散熱器的迎風面積，減薄芯子厚度。這樣可以充分利用 風扇的風量和車的迎面風，提高散熱器的散熱效率。2、貨車散熱器一般采用縱流結構，因為貨車的布置空間較寬裕。而且縱流式結構的散熱器強度及懸 置的可靠性好。轎車由于空間限制，也可采用橫流結構。6, 電子扇風量 Va計算：當汽車在行