一種汽車底盤發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計方法

摘要：研究了一種用于校核發(fā)動機冷卻系統(tǒng)散熱能力的計算方法。該方法通過計算發(fā)動機工作所需的散熱量，進而推算所需散熱器的散熱面積，然后通過數(shù)據(jù)比較選擇合適的冷卻系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng)；發(fā)動機；散熱器；中冷器；散熱面積；膨脹水箱1前言發(fā)動機運轉(zhuǎn)時油料充分燃燒產(chǎn)生大量熱量，如果不加以適當冷卻，會導致機體過熱、機油變質(zhì)和燒損、零部件磨損加劇，從而影響發(fā)動機的工作效率和使用壽命。因此，必須要通過有冷卻液的散熱器和風扇對發(fā)動機機體進行散熱，通過水循環(huán)和空氣循環(huán)將熱量帶走。2冷卻系統(tǒng)概述冷卻系統(tǒng)的主要組成部件有散熱器、中冷器、膨脹水箱、護風罩以及與發(fā)動機連接的各種膠管，如圖1所示。散熱器通過冷卻液循環(huán)帶走熱量，屬于大循環(huán)，通過節(jié)溫器來進行控制，只有水溫達到發(fā)動機設(shè)定的溫度后散熱器才會工作，低于設(shè)定值時發(fā)動機內(nèi)部的小循環(huán)水路工作［1］。中冷器通過風扇將內(nèi)部熱量帶走，從而實現(xiàn)對壓縮后的熱空氣降溫。在實際應用中要充分考慮散熱器和中冷器的散熱能力，在有限的空間里，盡量將散熱器和中冷器做大，提高散熱器的散熱效率［2］。本文以一款4×4油田勘探車底盤為例，詳細介紹發(fā)動機冷卻系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計過程。該油田勘探車屬于特種作業(yè)底盤，需要適應野外崎嶇山坡路面，要求發(fā)動機功率較大，同時還要滿足長時間的行駛要求，這就對發(fā)動機的可靠性提出了比較嚴苛的要求。針對發(fā)動機散熱系統(tǒng)要有較為詳細的理論數(shù)據(jù)作為支撐，而不能只是簡單的參照或者對比選型。以往都會將發(fā)動機參數(shù)發(fā)給散熱器廠家，由廠家來匹配，沒有具體的設(shè)計數(shù)據(jù)，因此散熱系統(tǒng)出現(xiàn)問題往往會比較被動。通過計算得到的結(jié)果能更好地反映發(fā)動機工作的實際情況，在選用散熱器才更有針對性。該設(shè)計方法也是對散熱系統(tǒng)的經(jīng)驗總結(jié)，能比較快速準確地計算發(fā)動機的實際散熱需求，也可以運用到其它車型。3發(fā)動機主要參數(shù)型號：MCO7H.33-60。型式：直列六缸、四沖程、水冷、增壓。排量：7360mL。氣缸直徑與行程：108mm×134mm。額定功率：240kW（2200r/min）。最大扭距：1412N·m（1200～1600r/min）。4散熱器參數(shù)計算4.1散熱器散熱功率發(fā)動機燃料燃燒產(chǎn)生的熱能大部分用來做功，一部分熱能會傳遞給冷卻系統(tǒng)，我們將這部分熱能認為是散熱器需要散發(fā)的能量［3］，可以用以下公式估算：[Qw=AGeNeHu3600（kW）]

（1）式中，A為散熱器需要散發(fā)的燃料熱量比，一般情況下，A=0.18～0.25，取0.25；Ge為燃料消耗比，柴油機0.20～0.26kg/（kW·h），取0.25；Ne為發(fā)動機最大功率，取最大功率240kW；Hu為燃料低熱值，對柴油機取41870kJ/kg。將上述數(shù)值代入式（1）得：[Qw=0.25×0.25×240×418703600kW]=174kW=149642kcal/h即，發(fā)動機需要的散熱量為174kW。4.2冷卻水循環(huán)量計算出發(fā)動機所需散走的熱量后，可計算冷卻水循環(huán)量：[Vw=QΔtwγwCw（m3/s）]

（2）式中，[Δtw]為冷卻水循環(huán)的容許溫升（6℃～12℃），取[Δtw=]8℃；[rw]為水的密度（1000kg/m3）；[Cw]為水比熱（4.187kJ/（kg·℃））。將上述數(shù)值代入式（2）得：Vw=312L/min即，選取的散熱器的水循環(huán)流量為312L/min。4.3冷卻空氣用量冷卻空氣用量Va通常等同于散熱器的散熱功率QW，冷卻空氣需要量如下：[Va=Qw/（ΔtraCpa）=174/（20×1.01×1.005）m3/s]=8.57m3/s（3）式中，Δt為空氣流經(jīng)散熱器前后的溫差，通常Δt＝10～30℃，取20℃；[ra]為空氣密度，一般取1.01kg/m3；Cp為空氣的定壓比熱容，Cp=1.005kJ/（kg·K）。4.4散熱器能力校核4.4.1散熱器傳熱系數(shù)K的確定散熱器傳熱系數(shù)K的計算公式如下：[K=11αw+δλ+1αa]

（4）式中，[αw]為冷卻水到散熱器壁的導熱系數(shù)，當冷卻水速度為0.2～0.6m/s時，[αw]約為2000～3500kcal/（m2·h·℃）；λ為散熱管導熱系數(shù)（鋁的導熱系數(shù)237W/（m·k））；[δ]為散熱管壁厚，一般可取0.15～0.2mm；[αL]為散熱管到空氣的散熱系數(shù)，當流過散熱管的空氣流速為10～20m/s時，[αL=]60～105kcal/（m2·h·℃）。將上述數(shù)值代入式（4）得：K[=]102kcal/（m2·h·℃）=427kJ/（m2·h·℃）4.4.2散熱面積計算散熱器的散熱面積A可由下式計算：[A=ψQW/（KΔt）]

（5）式中，K為散熱器的傳熱系數(shù)，kcal/（m2·h·℃）；ψ為散熱器貯備系數(shù)，水垢及油泥影響等，一般ψ=1.1～1.5，取1.1；Δt為冷卻水和空氣的平均溫差，取柴油機最高允許出水溫度tw=90℃，由于散熱器前裝了中冷器，空氣先對中冷器進行了冷卻，進入散熱器的空氣已經(jīng)被加熱，取空氣前后平均溫差ta=45℃。將上述數(shù)值代入式（5）得：[A=1.1×174×3600/（427×（90-45））m2=35.86m2]因此，選取的散熱器的散熱面積應接近35m2。5風冷式中冷器中冷器一般由鋁合金材料制成，按照冷卻介質(zhì)的不同，常見的中冷器可以分為風冷式和水冷式兩種［4］。發(fā)動機排出的廢氣的溫度非常高，通過增壓器的熱傳導會提高進氣的溫度。而且，空氣在被壓縮的過程中密度會升高，同時也導致增壓器排出的空氣溫度升高，隨氣壓升高，氧氣密度降低，從而影響發(fā)動機的有效充氣效率。如果想要進一步提高充氣效率，就要降低進氣溫度。5.1主要參數(shù)風冷式中冷器的主要參數(shù)如下：Gah為增壓空氣流量（kg/s）；Gac為冷卻介質(zhì)流量（kg/s）；CPb為增壓空氣比熱容（J/（kg·℃））；CPW為冷卻介質(zhì)比熱容（J/（kg·℃））；tb為中冷器進口（熱空氣）溫度（℃）；ts為中冷器出口（冷卻后空氣）溫度（℃）；tw1為冷卻介質(zhì)進口溫度（℃）；tw2為冷卻介質(zhì)出口溫度（℃）。5.2中冷器的散熱量中冷器的散熱量Q是指冷卻介質(zhì)將進入中冷器的熱空氣降溫后所吸收的熱量，其計算公式如下：Q=GahCPb（tb-ts）

（6）式中，Gah=0.32kg/s（由發(fā)動機廠家提供）；CPb=1.026kJ/（kg·℃）；tb=200℃；ts=40℃。將上述數(shù)值代入式（6）計算得：Q=52kW5.3冷卻介質(zhì)出口溫度冷卻介質(zhì)通過中冷器后溫度會升高，其計算公式如下：[tw2=tw1+Q/（CpwGac）]

（7）式中，tw1=25℃（環(huán)境溫度）；Cpw=1.005kJ/（kg·℃）;Gac=0.45m2×1.184kg/m3×10m/s=5.32kg/s。將上述數(shù)值代入式（7）計算得：tw2=35℃5.4中冷器的傳熱系數(shù)K中冷器本身的傳熱系數(shù)計算過程較為復雜，涉及的參數(shù)也較多，在實際計算時可以參考該相同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的傳熱系數(shù)。傳熱系數(shù)計算公式如下：[1K=1?b+r1+r2+r3+r4+1?wAbAw]該參數(shù)計算比較復雜，通過比較同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，可以取K=54.4W/（m2·K）。5.5利用對數(shù)平均溫差校核中冷器散熱面積5.5.1對數(shù)平均溫差[Δtm]對數(shù)平均溫差計算公式如下：[Δtm=（tb-tw2）-（ts-tw1）/ln（tb-tw2）/（ts-tw1）]代入數(shù)值計算可得：[Δtm=62.5K]5.5.2散熱面積校核散熱面積校核計算如下：Ab=[Q（KΔtm）]=15.3m2計算所得的中冷器散熱面積與實際散熱面積會存在一些誤差，可以根據(jù)實際所需適當更改中冷器的設(shè)計參數(shù)來滿足實際要求。6膨脹水箱設(shè)計6.1設(shè)計原則冷卻液在發(fā)動機冷卻回路流動，隨溫度升高體積膨脹，為吸收這部分膨脹體積而設(shè)置了膨脹水箱，膨脹水箱高度要高于冷卻系統(tǒng)的所有部件，盡量靠近散熱器布置，使得水管長度最短［5］。膨脹水箱的容積應為散熱器水箱容積的4%～6%。6.2結(jié)構(gòu)形式6.2.1整體式膨脹水箱與散熱器組裝成一體，適合大空間布置，節(jié)省連接水管數(shù)量，通常用于不受空間限制的車型。6.2.2分離式膨脹水箱與散熱器分離，單獨裝配，需要增加連接水管，通常用于水箱布置空間有限，膨脹水箱需要單獨安裝的車型。該4×4車型由于駕駛室底部空間有限，膨脹水箱采用了分離式結(jié)構(gòu)，將膨