發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設計與匹配

散熱系統(tǒng)的設計與匹配一、 發(fā)動機的熱平衡概述：在發(fā)動機的氣缸中，燃料燃燒后所放出的總熱量，只有25-40%轉(zhuǎn)化為有效功，其它部分均以不同方式散失于外界。燃料的總熱量在有效功和各種損失之間的分配利用情況稱為發(fā)動機的熱平衡。它通常由實驗測定。若發(fā)動機每小時耗油量為gt,則燃料完全燃燒每小時所放出的熱量為QT=GTXHu式中Hu為燃料的熱值。熱量Qt大體分配如下：1.轉(zhuǎn)化為有效功的熱量Q日E；2.廢氣帶走的熱量Q:R3.傳遞給冷卻介質(zhì)的熱量Q:S冷卻介質(zhì)指冷卻水或冷卻空氣以及潤滑油等。在這部分損失的熱量中，包括工作循環(huán)中的工質(zhì)向氣缸壁及燃燒室壁的傳熱損失，廢氣通過排氣道時傳給冷卻介質(zhì)的熱量，由機械摩擦產(chǎn)生而傳給冷卻介質(zhì)的熱量等。4.其它熱損失Q:熱平衡用各項組成部分的每小時熱量表示，其熱平衡方程為：Qt=Qe+Qs+Qr+Ql其中傳給冷卻介質(zhì)的熱量柴油機為 25-30%，汽油機為20-25%。二、 發(fā)動機的冷卻系：1.冷卻系的作用：在可燃混合氣的燃燒過程中，氣缸內(nèi)氣體溫度可達1800-2000度，直接與高溫氣體接觸的機件（如氣缸體、氣缸蓋、活塞、氣門等）若不及時加以冷卻，則其中運動機件將可能因受熱膨脹而破壞正常間隙，或因潤滑油在高溫下失效卡死，各機件也可能因高溫而導致其機械強度降低甚至損壞。因此，為保證發(fā)動機正常工作，必須對這些在高溫條件下工作的機件加以冷卻。發(fā)動機冷卻必須適度。若發(fā)動機冷卻不足，由于氣缸充氣量減少和燃燒不正常，發(fā)動機功率將下降，且發(fā)動機零件也會因潤滑不良而加速磨損。但若冷卻過度，一方面由于熱量散失過多，使轉(zhuǎn)變成有用功的熱量減少，另一方面由于混合氣與冷卻缸壁接觸，使其中原己汽化的燃油又流到曲軸箱內(nèi)，不僅增加了燃油消耗，且使機油變稀而影響潤滑，結(jié)果也將使發(fā)動機功率下降，磨損加劇。因此，冷卻系的任務就是使工作中的發(fā)動機得到適度的冷卻，從而保持在最適宜的溫度范圍內(nèi)工作。2.冷卻系的分類：汽車上常用的冷卻系有水冷與風冷二種。目前水冷系應用較廣泛，部分小排量發(fā)動機采用風冷系。采用水冷系時，使氣缸蓋內(nèi)的冷卻水溫度在80-90度之間，采用風冷系時，鋁氣缸壁的溫度允許為150-180度，鋁氣缸蓋則為160-200度。風冷系：發(fā)動機中使高溫零件的熱量直接散入大氣而進行冷卻的一系列裝置。水冷系：使高溫零件的熱量先傳導給水，然后再散入大氣而進行冷卻的一系列裝置。三、水冷系工作原理簡介：目前單缸柴油機大多采用蒸發(fā)式水冷方式。多缸機多采用強制循環(huán)水冷方式。對后者工作原理介紹如下。汽車上的水冷系大都是用水泵強制地使水（或冷卻液）在冷卻系內(nèi)進行循環(huán)流動的，故稱為強制循環(huán)水冷系。水冷發(fā)動機的氣缸蓋和氣缸體內(nèi)都鑄造出貯水的連通的夾層空間（稱為水套），使水得以接近受熱零件，并可在其中循環(huán)流動。散熱器中的冷卻水，由水泵壓送到機體內(nèi)各水道中，直接切向進入氣缸套周圍，然后繞氣缸套流至氣缸蓋。工作過的冷卻水由氣缸蓋前端經(jīng)節(jié)溫器出水管流回散熱器。當水溫低于散熱器初開溫度（一般為70度左右）時，節(jié)溫器關閉，冷卻水經(jīng)氣缸蓋前蓋板上的小循環(huán)水接管流到水泵進水管，再次進入水泵，實現(xiàn)小循環(huán)；當水溫在散熱器初開溫度與全開溫度（一般為80度左右）之間時，節(jié)溫器打開，此時冷卻水經(jīng)節(jié)溫器流入散熱器上水室，沿扁銅管向下流至下水室，在此過程中冷卻水被風扇吸入或排出的空氣所冷卻（通常為吸風式），實現(xiàn)大循環(huán)。冷卻了的水又在水泵的作用下經(jīng)水管再流入水套。如此不斷地循環(huán)，因而使發(fā)動機中高溫條件下工作的零件不斷地得到冷卻。為保證發(fā)動機在不同負荷和轉(zhuǎn)速條件下經(jīng)常在最適宜的溫度下工作，冷卻系中常常還有節(jié)溫器、導流罩、百葉窗等部件。四、水冷系主要部件的構(gòu)造:散熱器的分類及構(gòu)造：汽車上常用的散熱器按材質(zhì)分可分為鋁質(zhì)（鑄鋁）散熱器和銅質(zhì)（黃銅）散熱器，按結(jié)構(gòu)分可分為管片式散熱器和管帶式散熱器。目前管帶式黃銅散熱器應用較為廣泛。散熱器主要構(gòu)造分上水室、下水室、和散熱器芯（包括冷卻管和散熱帶）。冷卻時水依次流經(jīng)上水室、散熱器芯、下水室，經(jīng)水泵的抽吸作用實現(xiàn)循環(huán)流動。五、 散熱系的匹配計算及結(jié)構(gòu)設計：1、 冷卻面積的計算及散熱器的選用：根據(jù)所選發(fā)動機有關技術參數(shù)計算所需冷卻面積并選定合適的散熱器及合適的配套廠家。2、 進行冷卻系結(jié)構(gòu)設計需考慮的內(nèi)容：根據(jù)整車布置圖考慮所選散熱器是否有足夠的安裝空間，具體考慮散熱器的結(jié)構(gòu)形式，散熱器上表面是否與駕駛室地板不發(fā)生干涉，散熱器加水口位置是否合適，散熱器與車架上支架孔安裝尺寸是否合適，散熱器護風罩與發(fā)動機風扇徑向及軸向間隙是否合適，散熱器中心與發(fā)動機風扇中心是否符合設計要求，進出水管連接是否合適，以及整個系統(tǒng)安裝的密封性及蒸汽閥開啟壓力、保壓時間等內(nèi)容。并明確交貨驗收所依據(jù)的標準及供貨狀態(tài)等內(nèi)容。明確供貨時對散熱器總成及包裝運輸要求等內(nèi)容。冷卻系散熱面積計算實例：

現(xiàn)以我廠FT600ZH三輪車（采用LJ276MT汽油機）及BJ1056PE汽車（采用CY4102BQ柴油機）為例，對散熱面積的計算加以介紹。（一）、FT600ZH冷卻系散熱面積計算：1、冷卻系散去的熱量Qw：A*ge*Ne*hnQw=—3600—_0.265x0.33x17x43100= 3600=17.8（kJ/s）式中：A一傳給冷卻系熱量占總熱量百分比汽油機A=0.23?0.30ge 燃油耗 （kg/kw.h）Ne 功率（kw）Hn——燃料熱值（Kj/kg）汽油hn=431002、散熱器的散熱面積：「=禹其中「=禹其中△t=tw-ta(m2)/ △tw、 / △ta、=(tw1—廠)-(ta1+^)=(98-2)-(40+20)=43.5°C式中：Kr——取0.069?0.117tw——冷卻水平均溫度△twtw=tw1tw——冷卻水平均溫度△twtw=tw1—2~ta—冷卻空氣平均溫度△tata=ta1+ctw1 散熱器進水溫度取95?100°C△tw 散熱器冷卻水進出口溫差 △tw=6?12Cta1——ta1——散熱器進口空氣溫度ta1=40C△ta——散熱器冷卻空氣進出口溫差 △ta=10?30C0.093x43.5=4.4(m2)實際散熱面積（理論）FA=p*F=4.4X1.15=5.05(m2)式中：P=1.1?1.25現(xiàn)用散熱器實際散熱面積圖紙要求不小于5m2,正常工作時應能滿足發(fā)動機對散熱量的需求。注：目前散熱器為兩排管結(jié)構(gòu)，如增加為三排管就會使機倉距離更小（目前為60mm）。據(jù)用戶反映，高溫主要是發(fā)生在怠速停車時發(fā)動機倉內(nèi)渦流熱風循環(huán)所致。建議能在車身上做改動，阻斷熱風渦流循環(huán)，可從根本上解決此問題。（二）、1056PE冷卻系散熱面積計算：1、冷卻系散去的熱量Qw：

A*ge*Ne*hnQw= 36000.215x0.247x70.6x418703600=43.6(kJ/s)式中：A一傳給冷卻系熱量占總熱量百分比柴油機A=0.18?0.25ge 燃油耗 (kg/kw.h)Ne 功率（kw）Hn——燃料熱值（Kj/kg）柴油hn=418702、散熱器的散熱面積:(m2)其中△t=tw-ta△tw △ta=(tw1—廠)-(ta1+^))9=)9=(98-尋)-(=43.5°C式中：Kr——取0.069?0.117tw——冷卻水平均溫度△twtw=tw1—2—tatw——冷卻水平均溫度△twtw=tw1—2—ta—冷卻空氣平均溫度△tata=ta1+^—tw1 散熱器進水溫度取95?100C△tw——散熱器冷卻水進出口溫差△tw=6?12Ctai——散熱器進口空氣溫度 ta1