汽車動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)

1、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)鄭建 孫輝 謝巍婷海馬（鄭州）汽車有限公司 450016摘要 本文簡單闡述了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的理論匹配設(shè)計(jì)過程。關(guān)鍵詞 汽車，發(fā)動(dòng)機(jī)，冷卻系統(tǒng)，匹配設(shè)計(jì)Abstract Simple expounds Cooling System of automobile engine theoretics matching design process in this article.Key words Automobile, Engine, Cooling System, matching design前言汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是整車中非常重要的一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的作用就是將發(fā)動(dòng)機(jī)

2、工作中產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)到外界，以使發(fā)動(dòng)機(jī)不至于過熱，并能夠正常工作。這里需要再說明一下發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)對溫度的要求，雖然冷卻系統(tǒng)是用來使發(fā)動(dòng)機(jī)降溫的，但并不說明越冷越好。最適宜發(fā)動(dòng)機(jī)工作的溫度一般在8595，根據(jù)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)有所差異。只有在這個(gè)溫度范圍內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)才能發(fā)揮出最佳性能，而且使用壽命也最長。因此，為了使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最合適的溫度范圍內(nèi)，需要使冷卻系統(tǒng)同發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳的匹配狀態(tài)，即不使發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，也不至于過冷，但通常我們需要解決的是過熱問題。而對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行匹配最快捷、有效、科學(xué)的方法是先進(jìn)行理論計(jì)算，再進(jìn)行樣車驗(yàn)證試驗(yàn)，這樣可以大大縮短匹配開發(fā)的周期。下面，以某款車型為了，介紹一下冷卻系

3、統(tǒng)的理論匹配設(shè)計(jì)。1 系統(tǒng)概述該車型冷卻系統(tǒng)采用封閉直流強(qiáng)制循環(huán)管帶式散熱器，薄片型軸流吸風(fēng)式風(fēng)扇，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，電子風(fēng)扇采用無級調(diào)速，下圖為冷卻系統(tǒng)示意圖：散熱器出水管電子風(fēng)扇散熱器進(jìn)水管散熱器溢流口散熱器加水口散熱器放水閥圖1 冷卻系統(tǒng)示意圖2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)參數(shù)2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)表1 發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)型式L4 16V SOHC缸徑×沖程(mm×mm)排量（L）壓縮比氣門數(shù)額定功率kW/rpm最大扭矩N·m/rpm2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)水套散熱量由發(fā)動(dòng)機(jī)廠家提供，發(fā)動(dòng)機(jī)水套散熱量。2.3 冷卻系統(tǒng)的參數(shù)列表表2 冷卻系統(tǒng)參數(shù)散熱器參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)散熱量散熱器芯子規(guī)格（W

4、×H×T）散熱管尺寸散熱帶波距風(fēng)速風(fēng)扇參數(shù)風(fēng)扇風(fēng)葉直徑風(fēng)扇風(fēng)量開發(fā)目標(biāo)值2.4 散熱器最大散熱量依據(jù)汽車設(shè)計(jì)手冊提供公式 （公式1）式中：發(fā)動(dòng)機(jī)需要的散熱器最大散熱量，； 發(fā)動(dòng)機(jī)水套散熱量，； 系數(shù)輕型車和轎車取下限，中型以上的車輛和工程車取上限。該車型系數(shù)取下限則發(fā)動(dòng)機(jī)需要的散熱器最大散熱量為散熱器的最大散熱量為，比發(fā)動(dòng)機(jī)需要的散熱器最大散熱量大，理論上能夠滿足該發(fā)動(dòng)機(jī)對散熱器最大散熱量的要求。2.5 沸騰風(fēng)溫該車型冷卻系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)冷卻型，沸騰風(fēng)溫為。2.6 系統(tǒng)壓力按照汽車設(shè)計(jì)手冊推薦的標(biāo)準(zhǔn)，轎車、輕型車的系統(tǒng)壓力為70kPa110kPa。參考副水箱的蓋開啟壓力，該車型的

5、冷卻系統(tǒng)壓力為108kPa。2.7 散熱器設(shè)計(jì)工況和校核工況設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為額定功率工況，校核點(diǎn)選在最大扭矩工況。3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 散熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1.1 散熱器芯子正面面積依據(jù)汽車設(shè)計(jì)手冊，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器芯子正面面積有以下兩種計(jì)算方法：a) 依據(jù)汽車設(shè)計(jì)手冊提供公式 （公式2）式中：發(fā)動(dòng)機(jī)需要的散熱器芯子正面面積，； 發(fā)動(dòng)機(jī)排量，。發(fā)動(dòng)機(jī)需要的散熱器正面面積；b) 依據(jù)汽車設(shè)計(jì)手冊提供公式 （公式3） 其中： 發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，； 系數(shù)取上限，取下限。由于，系數(shù)取下限為，則發(fā)動(dòng)機(jī)需要的散熱器芯子正面面積從上述兩次計(jì)算可知，實(shí)際使用的散熱器正面面積只要大于就可以滿足要求了。根據(jù)提供的散

6、熱器的參數(shù)，則散熱器芯子正面面積Ff為由以上計(jì)算可知，散熱器實(shí)際芯子正面面積比發(fā)動(dòng)機(jī)需要的散熱器正面面積大，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。3.1.2 散熱管尺寸散熱器散熱管尺寸為“”，其截面形狀見圖2：圖2 散熱管截面形狀示意圖則水管外周長3.1.3 散熱器芯厚散熱器芯厚。3.1.4 散熱器散熱面積依據(jù)汽車設(shè)計(jì)手冊提供公式 （公式4）式中：發(fā)動(dòng)機(jī)需要的散熱器散熱面積，；散熱系數(shù)，按照汽車設(shè)計(jì)手冊推薦的標(biāo)準(zhǔn)，k值通常為，這里取為；液氣平均溫差，。 （公式5）式中：熱平衡時(shí)冷卻液溫度，系統(tǒng)壓力為98.7kPa時(shí)，這里取為熱平衡時(shí)空氣溫度，通過公式6計(jì)算 （公式6）式中：沸騰風(fēng)溫，參見2.4節(jié)，；散熱器

7、進(jìn)出空氣溫差，按公式7計(jì)算 （公式7）式中：空氣定壓比熱，；質(zhì)量風(fēng)速，其中空氣密度為，則 則散熱器進(jìn)出空氣溫差為根據(jù)公式4，5，6，計(jì)算得發(fā)動(dòng)機(jī)需要散熱器散熱面積為故散熱器的散熱面積只要大于等于即可滿足要求。該車型散熱器共有51條散熱帶和穿插其間的50條散熱管。散熱器的散熱帶波高為，波距為，帶寬為，散熱帶形狀如圖3所示。以下計(jì)算忽略散熱帶和散熱管的壁厚。圖3 散熱帶截面形狀示意圖散熱帶與主片之間留有的間隙，則散熱帶的波峰數(shù)為：散熱帶展開長度根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算實(shí)際的散熱面積 （公式8）式中：散熱面積，散熱帶散熱面積，散熱管散熱面積，其中 （公式9）式中：散熱器芯厚， 散熱帶展開長度， 散熱帶條數(shù)。

8、 （公式10）式中：散熱管數(shù)， 散熱器芯寬， 散熱管外周長，則比發(fā)動(dòng)機(jī)需要的散熱面積要大由以上計(jì)算可知，該車型散熱器散熱面積比發(fā)動(dòng)機(jī)要求的散熱面積大，能夠滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對散熱器散熱面積的要求。3.2 風(fēng)扇參數(shù)設(shè)計(jì)該車型選用軸流式薄片型風(fēng)扇，采用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法來估算。3.2.1 風(fēng)扇外徑的確定依據(jù)汽車設(shè)計(jì)手冊所推薦的標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)扇掃過的環(huán)形面積占散熱器芯子正面面積的百分比應(yīng)大于45。左右風(fēng)扇的葉片外徑一致，取其中一個(gè)風(fēng)扇散熱來考慮，則： （公式11）式中：風(fēng)扇外徑，散熱器芯子正面面積 ，。 將代入公式11，得由該車型風(fēng)扇數(shù)模測得風(fēng)扇的直徑為，不在上述范圍內(nèi)。風(fēng)扇外徑掃過的環(huán)行面積（）： （公式12）則由以上

9、計(jì)算可得出結(jié)論，風(fēng)扇外徑不能滿足要求。但此標(biāo)準(zhǔn)僅為推薦標(biāo)準(zhǔn)，而且風(fēng)扇外徑比較接近要求值，同時(shí)因?yàn)樯崞餍倔w的寬度為，考慮到風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，所以扇外徑?jīng)]有必要再增大了，即我們可以認(rèn)為該風(fēng)扇能夠滿足要求。3.2.2 風(fēng)扇風(fēng)量的確定該車型風(fēng)扇風(fēng)量初步定為3096m3/h。圖4、圖5為電子風(fēng)扇左右風(fēng)扇的性能試驗(yàn)結(jié)果曲線。由圖可得在靜壓小于等于40Pa時(shí)，能滿足風(fēng)扇風(fēng)量的要求。圖4 左風(fēng)扇的性能試驗(yàn)結(jié)果曲線圖5 右風(fēng)扇的性能試驗(yàn)結(jié)果曲線4 結(jié)論通過以上計(jì)算可以得出結(jié)論：該車型的冷卻系統(tǒng)各方面性能基本滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，可以進(jìn)行樣件開發(fā)并且裝車后進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證。參考文獻(xiàn)1 汽車工程手冊編輯委員會(huì)編.汽車工程手冊設(shè)計(jì)篇第一版.人民交通出版社，2001.62 長春汽車研究所編.汽車設(shè)計(jì)手冊發(fā)動(dòng)機(jī)附件卷，1998.5.作者簡介鄭建，男，學(xué)士，工程師，從事汽車動(dòng)力底盤設(shè)計(jì)，海馬