发动机冷却系统的设计与匹配

散热系统的设计与匹配

一、发动机的热平衡概述：

在发动机的气缸中，燃料燃烧后所放出的总热量，只有25- 40%转化为有效功，其它部分均以不同方式散失于外界。

燃料的总热量在有效功和各种损失之间的分配利用情况称 为发动机的热平衡。它通常由实验测定。

若发动机每小时耗油量为G T ，则燃料完全燃烧每小时所放出的热量为Q T =GT ×H U 式中H U 为燃料的热值。热量Q T 大体分配如下：

1．转化为有效功的热量Q E ；

2．废气带走的热量Q R ：

3．传递给冷却介质的热量Q S ：

冷却介质指冷却水或冷却空气以及润滑油等。在这部分损失的热量中，包括工作循环中的工质向气缸壁及燃烧室壁的传热损失，废气通过排气道时传给冷却介质的热量，由机械摩擦产生而传给冷却介质的热量等 。

4．其它热损失Q L ：

热平衡用各项组成部分的每小时热量表示，其热平衡方程为：Q T =QE +QS +QR +QL

其中传给冷却介质的热量柴油机为25-30%，汽油机为20-25%。

二、发动机的冷却系：

1．冷却系的作用：

在可燃混合气的燃烧过程中，气缸内气体温度可达1800- 2000度，直接与高温气体接触的机件（如气缸体、气缸盖、活塞、气门等）若不及时加以冷却，则其中运动机件将可能因受热膨胀而破坏正常间隙，或因润滑油在高温下失效卡死，各机件也可能因高温而导致其机械强度降低甚至损坏。因此，为保证发动机正常工作，必须对这些在高温条件下工作的机件加以冷却。发动机冷却必须适度。若发动机冷却不足，由于气缸充气量减少和燃烧不正常，发动机功率将下降，且发动机零件也会因润滑不良而加速磨损。但若冷却过度，一方面由于热量散失过多，使转变成有用功的热量减少，另一方面由于混合气与冷却缸壁接触，使其中原已汽化的燃油又流到曲轴箱内，不仅增加了燃油消耗，且使机油变稀而影响润滑，结果也将使发动机功率下降，磨损加剧。因此，冷却系的任务就是使工作中的发动机得到适度的冷却，从而保持在最适宜的温度范围内工作。

2．冷却系的分类：

汽车上常用的冷却系有水冷与风冷二种。目前水冷系应用较广泛，部分小排量发动机采用风冷系。采用水冷系时，使气缸盖内的冷却水温度在80-90度之间，采用风冷系时，铝气缸壁的温度允许为150-180度，铝气缸盖则为160-200度。

风冷系：发动机中使高温零件的热量直接散入大气而进行冷却的一系列装置。

水冷系：使高温零件的热量先传导给水，然后再散入大气而进行冷却的一系列装置。

三、水冷系工作原理简介：

目前单缸柴油机大多采用蒸发式水冷方式。多缸机多采用 强制循环水冷方式。对后者工作原理介绍如下。

汽车上的水冷系大都是用水泵强制地使水（或冷却液）在 冷却系内进行循环流动的，故称为强制循环水冷系。水冷发动机的气缸盖和气缸体内都铸造出贮水的连通的夹层空间（称为水套），使水得以接近受热零件，并可在其中循环流动。散热器中的冷却水，由水泵压送到机体内各水道中，直接切向进入气缸套周围，然后绕气缸套流至气缸盖。工作过的冷却水由气缸盖前端经节温器出水管流回散热器。当水温低于散热器初开温度（一般为70度左右）时，节温器关闭，冷却水经气缸盖前盖板上的小循环水接管流到水泵进水管，再次进入水泵，实现小循环；当水温在散热器初开温度与全开温度（一般为80度左右）之间时，节温器打开，此时冷却水经节温器流入散热器上水室，沿扁铜管向下流至下水室，在此过程中冷却水被风扇吸入或排出的空气所冷却（通常为吸风式），实现大循环。冷却了的水又在水泵的作用下经水管再流入水套。如此不断地循环，因而使发动机中高温条件下工作的零件不断地得到冷却。

为保证发动机在不同负荷和转速条件下经常在最适宜的温度下工作，冷却系中常常还有节温器、导流罩、百叶窗等部件。

四、水冷系主要部件的构造：

散热器的分类及构造：

汽车上常用的散热器按材质分可分为铝质（铸铝）散热器 和铜质（黄铜）散热器，按结构分可分为管片式散热器和管带式散热器。目前管带式黄铜散热器应用较为广泛。

散热器主要构造分上水室、下水室、和散热器芯（包括冷却管和散热带）。冷却时水依次流经上水室、散热器芯、下水室，经水泵的抽吸作用实现循环流动。

五、散热系的匹配计算及结构设计：

1、 冷却面积的计算及散热器的选用：

根据所选发动机有关技术参数计算所需冷却面积并选定合适的散 热器及合适的配套厂家。

2、 进行冷却系结构设计需考虑的内容：

根据整车布置图考虑所选散热器是否有足够的安装空间，具体考 虑散热器的结构形式，散热器上表面是否与驾驶室地板不发生干涉，散热器加水口位置是否合适，散热器与车架上支架孔安装尺寸是否合适，散热器护风罩与发动机风扇径向及轴向间隙是否合适，散热器中心与发动机风扇中心是否符合设计要求，进出水管连接是否合适，以及整个系统安装的密封性及蒸汽阀开启压力、保压时间等内容。并明确交货验收所依据的标准及供货状态等内容。

明确供货时对散热器总成及包装运输要求等内容。

六．冷却系散热面积计算实例：

现以我厂FT600ZH 三轮车（采用LJ276MT 汽油机）及BJ1056PE 汽车（采用CY4102BQ 柴油机）为例，对散热面积的计算加以介绍。

（一）、FT600ZH 冷却系散热面积计算：

1、 冷却系散去的热量Qw ：

Qw = A*ge*Ne*hn 3600

0.265×0.33×17×43100= 3600

=17.8(kJ/s)

式中：A —— 传给冷却系热量占总热量百分比

汽油机A=0.23～0.30

ge ——燃油耗 （kg/kw.h）

Ne ——功率（kw ）

Hn ——燃料热值（Kj/kg） 汽油hn=43100

2、散热器的散热面积：

Qw F= (m2) K R *Δt

其中 Δt=tw-ta

Δtw Δta =（）-（ta1+ ） 22

920=（98- ）-（40+） 22

=43.5℃

式中：K R ——取0.069～0.117

Δtw tw ——冷却水平均温度 tw= tw1- 2

Δta ta ——冷却空气平均温度 2

tw1——散热器进水温度 取95～100℃

Δtw ——散热器冷却水进出口温差 Δtw=6～12℃

ta1——散热器进口空气温度 ta1=40℃

Δta ——散热器冷却空气进出口温差 Δta=10～30℃

F= 17.8=4.4(m2) 0.093×43.5

实际散热面积(理论)

F Δ=β*F

=4.4×1.15

=5.05(m2)

式中：β=1.1～1.25

现用散热器实际散热面积图纸要求不小于5 m2，正常工作时应能满足发动机对散热量的需求。

注：目前散热器为两排管结构，如增加为三排管就会使机仓距离更小（目前为60mm ）。据用户反映，高温主要是发生在怠速停车时发动机仓内涡流热风循环所致。建议能在车身上做改动，阻断热风涡流循环，可从根本上解决此问题。

（二）、1056PE 冷却系散热面积计算：

1、冷却系散去的热量Qw ：

A*ge*Ne*hnQw = 3600

0.215×0.247×70.6×41870= 3600

=43.6(kJ/s)

式中：A —— 传给冷却系热量占总热量百分比

柴油机A=0.18～0.25

ge ——燃油耗 （kg/kw.h）

Ne ——功率（kw ）

Hn ——燃料热值（Kj/kg） 柴油hn=41870

2、散热器的散热面积：

Qw F= (m2) K R *Δt

其中 Δt=tw-ta

Δtw Δta =（）-（ta1+ ） 22

920=（98- ）-（40+） 22

=43.5℃

式中：K R ——取0.069～0.117

Δtw tw ——冷却水平均温度 tw= tw1- 2

Δta ta ——冷却空气平均温度 2

tw1——散热器进水温度 取95～100℃

Δtw ——散热器冷却水进出口温差 Δtw=6～12℃

ta1——散热器进口空气温度 ta1=40℃

Δta ——散热器冷却空气进出口温差 Δta=10～30℃

F= 43.6=11 (m2

0.093×43.5)

实际散热面积(理论)

F Δ=β*F

=11×1.18

=13(m2)

式中：β=1.1～1.25

现用散热器实际散热面积为11m 2，计算相对保守，考虑到同二汽同类车型类比，目前选用11m 2散热器。

底盘室 2001.4.26