一种汽车底盘发动机冷却系统的设计方法

摘要：研究了一种用于校核发动机冷却系统散热能力的计算方法。该方法通过计算发动机工作所需的散热量，进而推算所需散热器的散热面积，然后通过数据比较选择合适的冷却系统。关键词：冷却系统；发动机；散热器；中冷器；散热面积；膨胀水箱1前言发动机运转时油料充分燃烧产生大量热量，如果不加以适当冷却，会导致机体过热、机油变质和烧损、零部件磨损加剧，从而影响发动机的工作效率和使用寿命。因此，必须要通过有冷却液的散热器和风扇对发动机机体进行散热，通过水循环和空气循环将热量带走。2冷却系统概述冷却系统的主要组成部件有散热器、中冷器、膨胀水箱、护风罩以及与发动机连接的各种胶管，如图1所示。散热器通过冷却液循环带走热量，属于大循环，通过节温器来进行控制，只有水温达到发动机设定的温度后散热器才会工作，低于设定值时发动机内部的小循环水路工作［1］。中冷器通过风扇将内部热量带走，从而实现对压缩后的热空气降温。在实际应用中要充分考虑散热器和中冷器的散热能力，在有限的空间里，尽量将散热器和中冷器做大，提高散热器的散热效率［2］。本文以一款4×4油田勘探车底盘为例，详细介绍发动机冷却系统参数的设计过程。该油田勘探车属于特种作业底盘，需要适应野外崎岖山坡路面，要求发动机功率较大，同时还要满足长时间的行驶要求，这就对发动机的可靠性提出了比较严苛的要求。针对发动机散热系统要有较为详细的理论数据作为支撑，而不能只是简单的参照或者对比选型。以往都会将发动机参数发给散热器厂家，由厂家来匹配，没有具体的设计数据，因此散热系统出现问题往往会比较被动。通过计算得到的结果能更好地反映发动机工作的实际情况，在选用散热器才更有针对性。该设计方法也是对散热系统的经验总结，能比较快速准确地计算发动机的实际散热需求，也可以运用到其它车型。3发动机主要参数型号：MCO7H.33-60。型式：直列六缸、四冲程、水冷、增压。排量：7360mL。气缸直径与行程：108mm×134mm。额定功率：240kW（2200r/min）。最大扭距：1412N·m（1200～1600r/min）。4散热器参数计算4.1散热器散热功率发动机燃料燃烧产生的热能大部分用来做功，一部分热能会传递给冷却系统，我们将这部分热能认为是散热器需要散发的能量［3］，可以用以下公式估算：[Qw=AGeNeHu3600（kW）]

（1）式中，A为散热器需要散发的燃料热量比，一般情况下，A=0.18～0.25，取0.25；Ge为燃料消耗比，柴油机0.20～0.26kg/（kW·h），取0.25；Ne为发动机最大功率，取最大功率240kW；Hu为燃料低热值，对柴油机取41870kJ/kg。将上述数值代入式（1）得：[Qw=0.25×0.25×240×418703600kW]=174kW=149642kcal/h即，发动机需要的散热量为174kW。4.2冷却水循环量计算出发动机所需散走的热量后，可计算冷却水循环量：[Vw=QΔtwγwCw（m3/s）]

（2）式中，[Δtw]为冷却水循环的容许温升（6℃～12℃），取[Δtw=]8℃；[rw]为水的密度（1000kg/m3）；[Cw]为水比热（4.187kJ/（kg·℃））。将上述数值代入式（2）得：Vw=312L/min即，选取的散热器的水循环流量为312L/min。4.3冷却空气用量冷却空气用量Va通常等同于散热器的散热功率QW，冷却空气需要量如下：[Va=Qw/（ΔtraCpa）=174/（20×1.01×1.005）m3/s]=8.57m3/s（3）式中，Δt为空气流经散热器前后的温差，通常Δt＝10～30℃，取20℃；[ra]为空气密度，一般取1.01kg/m3；Cp为空气的定压比热容，Cp=1.005kJ/（kg·K）。4.4散热器能力校核4.4.1散热器传热系数K的确定散热器传热系数K的计算公式如下：[K=11αw+δλ+1αa]

（4）式中，[αw]為冷却水到散热器壁的导热系数，当冷却水速度为0.2～0.6m/s时，[αw]约为2000～3500kcal/（m2·h·℃）；λ为散热管导热系数（铝的导热系数237W/（m·k））；[δ]为散热管壁厚，一般可取0.15～0.2mm；[αL]为散热管到空气的散热系数，当流过散热管的空气流速为10～20m/s时，[αL=]60～105kcal/（m2·h·℃）。将上述数值代入式（4）得：K[=]102kcal/（m2·h·℃）=427kJ/（m2·h·℃）4.4.2散热面积计算散热器的散热面积A可由下式计算：[A=ψQW/（KΔt）]

（5）式中，K为散热器的传热系数，kcal/（m2·h·℃）；ψ为散热器贮备系数，水垢及油泥影响等，一般ψ=1.1～1.5，取1.1；Δt为冷却水和空气的平均温差，取柴油机最高允许出水温度tw=90℃，由于散热器前装了中冷器，空气先对中冷器进行了冷却，进入散热器的空气已经被加热，取空气前后平均温差ta=45℃。将上述数值代入式（5）得：[A=1.1×174×3600/（427×（90-45））m2=35.86m2]因此，选取的散热器的散热面积应接近35m2。5风冷式中冷器中冷器一般由铝合金材料制成，按照冷却介质的不同，常见的中冷器可以分为风冷式和水冷式两种［4］。发动机排出的废气的温度非常高，通过增压器的热传导会提高进气的温度。而且，空气在被压缩的过程中密度会升高，同时也导致增压器排出的空气温度升高，随气压升高，氧气密度降低，从而影响发动机的有效充气效率。如果想要进一步提高充气效率，就要降低进气温度。5.1主要参数风冷式中冷器的主要参数如下：Gah为增压空气流量（kg/s）；Gac为冷却介质流量（kg/s）；CPb為增压空气比热容（J/（kg·℃））；CPW为冷却介质比热容（J/（kg·℃））；tb为中冷器进口（热空气）温度（℃）；ts为中冷器出口（冷却后空气）温度（℃）；tw1为冷却介质进口温度（℃）；tw2为冷却介质出口温度（℃）。5.2中冷器的散热量中冷器的散热量Q是指冷却介质将进入中冷器的热空气降温后所吸收的热量，其计算公式如下：Q=GahCPb（tb-ts）

（6）式中，Gah=0.32kg/s（由发动机厂家提供）；CPb=1.026kJ/（kg·℃）；tb=200℃；ts=40℃。将上述数值代入式（6）计算得：Q=52kW5.3冷却介质出口温度冷却介质通过中冷器后温度会升高，其计算公式如下：[tw2=tw1+Q/（CpwGac）]

（7）式中，tw1=25℃（环境温度）；Cpw=1.005kJ/（kg·℃）;Gac=0.45m2×1.184kg/m3×10m/s=5.32kg/s。将上述数值代入式（7）计算得：tw2=35℃5.4中冷器的传热系数K中冷器本身的传热系数计算过程较为复杂，涉及的参数也较多，在实际计算时可以参考该相同结构产品的传热系数。传热系数计算公式如下：[1K=1?b+r1+r2+r3+r4+1?wAbAw]该参数计算比较复杂，通过比较同结构产品，可以取K=54.4W/（m2·K）。5.5利用对数平均温差校核中冷器散热面积5.5.1对数平均温差[Δtm]对数平均温差计算公式如下：[Δtm=（tb-tw2）-（ts-tw1）/ln（tb-tw2）/（ts-tw1）]代入数值计算可得：[Δtm=62.5K]5.5.2散热面积校核散热面积校核计算如下：Ab=[Q（KΔtm）]=15.3m2计算所得的中冷器散热面积与实际散热面积会存在一些误差，可以根据实际所需适当更改中冷器的设计参数来满足实际要求。6膨胀水箱设计6.1设计原则冷却液在发动机冷却回路流动，随温度升高体积膨胀，为吸收这部分膨胀体积而设置了膨胀水箱，膨胀水箱高度要高于冷却系统的所有部件，尽量靠近散热器布置，使得水管长度最短［5］。膨胀水箱的容积应为散热器水箱容积的4%～6%。6.2结构形式6.2.1整体式膨胀水箱与散热器组装成一体，适合大空间布置，节省连接水管数量，通常用于不受空间限制的车型。6.2.2分离式膨胀水箱与散热器分离，单独装配，需要增加连接水管，通常用于水箱布置空间有限，膨胀水箱需要单独安装的车型。该4×4车型由于驾驶室底部空间有限，膨胀水箱采用了分离式结构，将膨