佟 杰

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

搭載汽油機(jī)的某微卡產(chǎn)品的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

佟 杰

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

冷卻系統(tǒng)的主要功用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況變化及時(shí)適量地將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量通過散熱器總成散發(fā)到環(huán)境中，保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)的工作效率和使用壽命將起到很大的影響。因此，文章以某微卡車型為例，論述了冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校核。

冷卻系統(tǒng)；散熱器；匹配；校核

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)有風(fēng)冷和水冷之分，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)一般為強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng)，其利用水泵提高冷卻液壓力，強(qiáng)制冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)循環(huán)流動(dòng)，再通過散熱器將熱量散發(fā)到環(huán)境中去。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為重要，冷卻性能的好壞直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性。冷卻系統(tǒng)的功用是使發(fā)動(dòng)機(jī)始終在最適宜的溫度狀態(tài)下工作，既要防止發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，又要保證發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)后能迅速升溫。

1 冷卻系統(tǒng)的組成

冷卻系統(tǒng)主要由散熱器總成、水泵、冷卻風(fēng)扇、冷卻水套（發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部）、水管、補(bǔ)償水箱、節(jié)溫器、護(hù)風(fēng)罩、擋風(fēng)板、導(dǎo)風(fēng)板、保溫簾、冷卻液等組成。

2 冷卻系統(tǒng)的功用

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作期間，最高燃燒溫度可達(dá) 2500℃，即使在怠速或中等轉(zhuǎn)速下，燃燒室的平均溫度也在 1000℃以上。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的主要功用是保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作，這樣才能使得發(fā)動(dòng)機(jī)擁有良好的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

3 搭載汽油機(jī)的某微卡產(chǎn)品冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)校核

3.1 設(shè)計(jì)要求

冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求見表1

表1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

3.2 冷卻系統(tǒng)校核

3.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)及發(fā)熱量的估算

發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)見表2，發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)

發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量估算：Qw=L.ge.Ne.hn/3600 （4-2-1）

L—發(fā)動(dòng)機(jī)傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比，汽油機(jī)取L=0.18；

ge—發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗率，Kg/Kw·h；

Ne—發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出功率，Kw；

hn—燃料低熱值，Kj/Kg，對(duì)于汽油機(jī)取hn=43900Kj/Kg。

根據(jù)公式（4-2-1）及表3，可估算出發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)、扭矩點(diǎn)的散熱量，見表4。

表4 發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)、扭矩點(diǎn)散熱量

3.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)水泵性能參數(shù)

表5 發(fā)動(dòng)機(jī)水泵性能參數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)水泵與曲軸之間通過帶輪驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)水泵轉(zhuǎn)速與曲軸轉(zhuǎn)速之比為1.347。發(fā)動(dòng)機(jī)水泵性能參數(shù)見表5。

3.2.3 電子扇總成結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

微卡車型所搭載的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)匹配一個(gè)單一風(fēng)檔電子風(fēng)扇總成，ECU根據(jù)水溫傳感器輸出的水溫信號(hào)控制電子扇繼電器的通斷從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度的管控。電子扇總成參數(shù)見表6，電子扇總成單體性能參數(shù)見表7。

表6 電子扇總成參數(shù)

表7 電子扇總成單體性能參數(shù)

3.2.4 散熱器結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

根據(jù)駕駛室空間及發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量開發(fā)散熱器總成，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表8，性能參數(shù)見表9。

表8 散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)

表9 散熱器性能參數(shù)

表9詳述了散熱器在各種不同風(fēng)量和水流量下對(duì)應(yīng)的風(fēng)阻和水阻，通過求算數(shù)平均值可以得到散熱器在一定風(fēng)量下的平均風(fēng)阻和一定水流量下的平均水阻。經(jīng)驗(yàn)表明冷卻系統(tǒng)中的系統(tǒng)風(fēng)阻約是散熱器風(fēng)阻的3倍，冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)水阻約是散熱器水阻的9倍，這樣就得到了冷卻系統(tǒng)在一定風(fēng)量下的系統(tǒng)風(fēng)阻和一定水流量下的系統(tǒng)水阻。冷卻系統(tǒng)的風(fēng)阻參數(shù)見表10，水阻參數(shù)見表11。

表10 冷卻系統(tǒng)的風(fēng)阻參數(shù)

表11 冷卻系統(tǒng)的水阻參數(shù)

3.2.5 通過散熱器的風(fēng)量計(jì)算

由表7及表10通過作圖法可以得出散熱器總成與電子扇配合時(shí)的風(fēng)量與壓降的關(guān)系曲線如圖1。

圖1 散熱器與電子扇配合關(guān)系曲線

圖中冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量-風(fēng)阻曲線與電子扇的風(fēng)量-風(fēng)阻曲線的交點(diǎn)即為冷卻系統(tǒng)中散熱器與電子扇的配合點(diǎn)，可讀出冷卻系統(tǒng)風(fēng)量的具體數(shù)值，見表12。

表12 冷卻系統(tǒng)風(fēng)量

由 q=s×v （4-2-2）

q-冷卻系統(tǒng)風(fēng)量；

s-散熱器迎風(fēng)面積；

v-散熱器迎風(fēng)風(fēng)速；

由表9知s=0.188㎡，通過公式(4-2)可得出散熱器迎風(fēng)風(fēng)速，見表13。

表13 通過散熱器風(fēng)量

3.2.6 發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)散熱器水流量的計(jì)算

由表5及表11通過作圖法可以得出散熱器總成與發(fā)動(dòng)機(jī)水泵配合時(shí)在不同轉(zhuǎn)速下的水流量與水阻的關(guān)系曲線如圖2。

圖2 散熱器與水泵配合關(guān)系曲線

圖中冷卻系統(tǒng)的水流量-水阻曲線與水泵的水流量-水阻曲線的交點(diǎn)即為冷卻系統(tǒng)中散熱器與水泵的配合點(diǎn)，可讀出散熱器在各種水泵轉(zhuǎn)速下水流量的具體數(shù)值，見表14。

表14 散熱器在各種水泵轉(zhuǎn)速下的水流量

由表 14通過作圖法得出散熱器水流量與水泵轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖3。

圖3 散熱器水流量與水泵轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線

根據(jù)水泵與曲軸的傳動(dòng)比，可得出發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)散熱器的水流量，數(shù)據(jù)見表15。

表15 發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)散熱器的水流量

3.2.7 發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)散熱器散熱系數(shù)的計(jì)算

由表9通過作圖法可得出散熱器在不同水流量時(shí)散熱系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系曲線見圖4。

圖4 散熱器在不同水流量時(shí)散熱系數(shù)與風(fēng)速的關(guān)系曲線

由表13中散熱器迎風(fēng)風(fēng)速2.82m/s，從圖4中可得出散熱器在不同水流量時(shí)的散熱系數(shù)見表16。

表16 散熱器在不同水流量時(shí)的散熱系數(shù)

由表16通過作圖法可得出迎風(fēng)風(fēng)速為2.82m/s時(shí)散熱器散熱系數(shù)與水流量的關(guān)系曲線，見圖5。

圖5 散熱器散熱系數(shù)與水流量的關(guān)系曲線

由表15中發(fā)動(dòng)機(jī)在功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)的水流量，結(jié)合圖5可得出發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)時(shí)散熱器的散熱系數(shù)見表17。

表17 發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)散熱器的散熱系數(shù)

3.2.8 發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)散熱器散熱量的計(jì)算

表9詳述了散熱器在液氣溫差ΔT=60℃時(shí)的散熱量，由表1知發(fā)動(dòng)機(jī)最高出水溫度為108℃、許用環(huán)境溫度為40℃，則實(shí)際液氣溫差允許值為：ΔT=108-40=68℃。

由 Q=K×S×ΔT （4-2-3）

Q-散熱器散熱量；

K-散熱器散熱系數(shù)；

S-散熱器散熱面積；

ΔT -散熱器液氣溫差；

表18 液氣溫差ΔT=68℃時(shí)散熱器的散熱量參數(shù)

由表 18通過作圖法可得出散熱器在不同水流量時(shí)散熱量與風(fēng)速的關(guān)系曲線見圖6。

圖6 散熱器在不同水流量時(shí)散熱量與風(fēng)速的關(guān)系曲線

由表13中散熱器迎風(fēng)風(fēng)速2.82m/s，從圖6中可得出散熱器在不同水流量時(shí)的散熱量見表19。

表19 散熱器在不同水流量時(shí)的散熱量

由表19通過作圖法可得出迎風(fēng)風(fēng)速為2.82m/s時(shí)散熱器散熱量與水流量的關(guān)系曲線，見圖7。

圖7 散熱器散熱量與水流量的關(guān)系曲線

由表15中發(fā)動(dòng)機(jī)在功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)的水流量，結(jié)合圖7可得出發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)時(shí)散熱器的散熱量見表20。

表20 發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)和扭矩點(diǎn)散熱器的散熱量

將表4、表13、表15、表17、表20中數(shù)據(jù)匯總得到發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)、扭矩點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)及散熱器參數(shù)見表21。

表21 功率點(diǎn)、扭矩點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器參數(shù)

由表21中發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)、扭矩點(diǎn)散熱器散熱量均大于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱量，可初步判斷散熱器散熱性能滿足使用要求。

3.2.9 冷卻系統(tǒng)液氣溫差的計(jì)算

散熱器散熱量不小于發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱量是散熱器能夠達(dá)到性能要求的一個(gè)先決條件，最終散熱器的散熱能力是否合格的必要條件是理論計(jì)算液氣溫差（△T‘）不大于整車要求的液氣溫差（△T即發(fā)動(dòng)機(jī)允許的最高出水水溫與最大許用的環(huán)境溫度的差值）。根據(jù)表1設(shè)計(jì)要求中發(fā)動(dòng)機(jī)允許最高出水溫度108℃和最低許用環(huán)境溫度40℃，可得出整車要求的液氣溫差△T為108-40=68℃。

ε-NTU法常用于計(jì)算液氣溫差，表示熱交換器的“關(guān)于熱傳遞大小”的無因次指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

其中，Qe-發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量，Kj /h；

Cw-冷卻液的熱當(dāng)量，Kj /h·℃（Cw=Cpw×Gw）；

Ca-空氣的熱當(dāng)量，Kj /h·℃（Ca=Cpa×Ga）；

K-散熱器的散熱系數(shù)，Kj /h·m2·℃；

A-散熱器的總散熱面積，m2；

Cpw-冷卻液比熱，Kj /Kg·℃，一般取4.2007 Kj/Kg·℃；

Gw-冷卻液質(zhì)量流量，Kg/h（Gw=Vw×ρw）；

Vw-冷卻液的體積流量，m3/h；

ρw-冷卻液的比重，Kg/m3，一般取965Kg/m3；

Cpa-冷卻空氣比熱，Kj /Kg·℃，一般取1.009Kj/Kg·℃；

Ga-空氣的重量流量，Kg/h （Ga = Va×ρa(bǔ)）；Va-冷卻空氣的體積流量，m3/h；

ρa(bǔ)-空氣的比重，Kg/m3，一般取1.2Kg/m3。由表21根據(jù)公式(4-2-7)、公式(4-2-8)計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)、扭矩點(diǎn)冷卻液的熱當(dāng)量和空氣的熱當(dāng)量見表22。

表22 功率點(diǎn)、扭矩點(diǎn)時(shí)冷卻液的熱當(dāng)量和空氣的熱當(dāng)量

由公式（4-2-4）、公式（4-2-5）及公式（4-2-6）計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)功率點(diǎn)、扭矩點(diǎn)冷卻系統(tǒng)的液氣溫差見表23。

表23 功率點(diǎn)、扭矩點(diǎn)冷卻系統(tǒng)的液氣溫差

由表 23中功率點(diǎn)、扭矩點(diǎn)冷卻系統(tǒng)的液氣溫差分別為64.4℃、45.5℃均小于表1中冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的最大液氣溫差68℃，因此可以判定該冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論校核合格。

3.2.10 熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證

表24 熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)

該輕型在轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)室進(jìn)行了熱平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明整車功率點(diǎn)、扭矩點(diǎn)熱平衡均合格，具體熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表24。

將表23理論計(jì)算與表24試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出冷卻系統(tǒng)液氣溫差理論計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差率見表25。

表25 液氣溫差理論計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差率

表 25顯示功率點(diǎn)液氣溫差理論計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差率非常小，而扭矩點(diǎn)時(shí)誤差率較大是因?yàn)榕ぞ攸c(diǎn)散熱器散熱能力富余使得電子扇間歇性工作，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度循環(huán)波動(dòng)所致，扭矩點(diǎn)水溫波動(dòng)曲線見圖8。

圖8 扭矩點(diǎn)水溫波動(dòng)曲線

3.3 總結(jié)

該微卡車型冷卻系統(tǒng)研發(fā)過程中通過設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)確地校核了散熱器的散熱性能，與熱平衡試驗(yàn)結(jié)果極為吻合，實(shí)現(xiàn)了散熱器的合理選型，保證了冷卻系統(tǒng)與整車的合理匹配。

[1] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì).[M]清華大學(xué)出版社.

[2] 王望予.汽車設(shè)計(jì).[M]機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[3] （日）武田信之.載貨汽車設(shè)計(jì).[M]人民交通出版社,1997.

[4] 陳家瑞.汽車構(gòu)造.[M]機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

Design of cooling system for a micro card product equipped with gasoline engine

Tong Jie
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

The purpose of the engine’s cooling system is to remove the heat in proper quantity from the engine to environment timely according to the change of engine’s working condition by radiator, to keep the engine operating at its most efficient temperature. The design of a cooling system is reasonable or not can greatly affect the engine’s working efficiency and it’s operating life.Therefore, this paper takes a Vaccae model as an example, discusses the design and check of cooling system.

cooling system; radiator; matching; check

U462.2

A

1671-7988 (2017)21-63-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.023

CLC NO.: U462.1

A

1671-7988 (2017)21-63-05

佟杰（1982-），女，助理工程師。就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。