汽车发动机冷却系统匹配设计

汽车发动机冷却系统匹配设计郑建 孙辉 谢巍婷海马（郑州）汽车有限公司 450016摘要 本文简单阐述了汽车发动机冷却系统的理论匹配设计过程。关键词 汽车，发动机，冷却系统，匹配设计Abstract Simple expounds Cooling System of automobile engine theoretics matching design process in this article.Key words Automobile, Engine, Cooling System, matching design前言汽车发动机冷却系统是整车中非常重要的一个系统，该系统的作用就是将发动机工作中产生的热量及时散发到外界，以使发动机不至于过热，并能够正常工作。这里需要再说明一下发动机工作时对温度的要求，虽然冷却系统是用来使发动机降温的，但并不说明越冷越好。最适宜发动机工作的温度一般在8595，根据不同的发动机有所差异。只有在这个温度范围内，发动机才能发挥出最佳性能，而且使用寿命也最长。因此，为了使发动机工作在最合适的温度范围内，需要使冷却系统同发动机达到最佳的匹配状态，即不使发动机过热，也不至于过冷，但通常我们需要解决的是过热问题。而对冷却系统进行匹配最快捷、有效、科学的方法是先进行理论计算，再进行样车验证试验，这样可以大大缩短匹配开发的周期。下面，以某款车型为了，介绍一下冷却系统的理论匹配设计。1 系统概述该车型冷却系统采用封闭直流强制循环管带式散热器，薄片型轴流吸风式风扇，由电机驱动风扇，电子风扇采用无级调速，下图为冷却系统示意图：图 1 冷却系统示意图2 冷却系统设计的基础参数2.1 发动机参数表 1 发动机参数发动机型式 L4 16V SOHC缸径冲程(mmmm) 1087散热器进水管散热器出水管散热器加水口散热器溢流口散热器放水阀电子风扇排量（L） 2.378压缩比 1:95气门数 6额定功率 kW/rpm /0最大扭矩 Nm/rpm 2742.2 发动机水套散热量由发动机厂家提供，发动机水套散热量 。hkJkWQ/160水2.3 冷却系统的参数列表表 2 冷却系统参数标准散热量 kJ/ 2380.散热器芯子规格（WHT） 6m47.0散热管尺寸 .m散热带波距 32散热器参数风速 aVs/0.8风扇风叶直径 D风扇参数 风扇风量开发目标值 /h396m2.4 散热器最大散热量依据汽车设计手册提供公式（公式 1）水Q)25.1(max式中： 发动机需要的散热器最大散热量， ；axQhkJ/发动机水套散热量， ；水 hkJ/系数轻型车和轿车取下限，中型以上的车辆和工程车取上限。该车型系数取下限 1.则发动机需要的散热器最大散热量为 hkJQ/237601.max散热器的最大散热量为 ，比发动机需要的散热器最大散热量大 ，理论上能够满足2380kJ/h0.3%该发动机对散热器最大散热量的要求。2.5 沸腾风温该车型冷却系统为标准冷却型，沸腾风温为 。Cta4012.6 系统压力按照汽车设计手册推荐的标准，轿车、轻型车的系统压力为 70kPa110kPa。参考副水箱的盖开启压力，该车型的冷却系统压力为 108kPa。2.7 散热器设计工况和校核工况设计工况点为额定功率工况，校核点选在最大扭矩工况。3 冷却系统的设计计算3.1 散热器的设计计算3.1.1 散热器芯子正面面积依据汽车设计手册 ，发动机散热器芯子正面面积有以下两种计算方法：a) 依据汽车设计手册提供公式（公式nf VF032.102）式中： 发动机需要的散热器芯子正面面积， ；0fFm发动机排量， 。nVL发动机需要的散热器正面面积 ；20 0.1762.38.1fFb) 依据汽车设计手册提供公式（公式max04.7.ef N3）其中：发动机额定功率， ；maxeNkW系数 取上限， 取下限。5.73kNe5.73max由于 ，系数取下限为 ，ke12max02.则发动机需要的散热器芯子正面面积 267.01mFf 从上述两次计算可知，实际使用的散热器正面面积只要大于 就可以满足要求了。3.根据提供的散热器的参数，则散热器芯子正面面积 Ff为 2267.071.046.70.HWFf 由以上计算可知，散热器实际芯子正面面积比发动机需要的散热器正面面积大，能够满足发动机的使用要求。3.1.2 散热管尺寸散热器散热管尺寸为“ ”，其截面形状见图 2：420.图 2 散热管截面形状示意图则水管外周长 mL21.5/0.40. 3.1.3 散热器芯厚散热器芯厚 。26mT3.1.4 散热器散热面积依据汽车设计手册提供公式（公式)/(max0tkQS4）式中：发动机需要的散热器散热面积， ；0S2散热系数， ，按照汽车设计手册推荐的标准，k 值通常为k)/(2ChmJ，这里取为 ；4)/(292kChmJ )/(4202ChmkJ液气平均温差， 。t（公式 5）acpwtt式中：热平衡时冷却液温度， ，系统压力为 98.7kPa 时， ，这里取为cpt C Ctwcp105C10热平衡时空气温度， ，通过公式 6 计算acpt （公式 6）aacptt5.01式中：沸腾风温， ，参见 2.4 节， ；1atCCta41散热器进出空气温差， ，按公式 7 计算（公式 7）)360/(maxapfVFQt 式中：空气定压比热， ；paC)/(048.1CkgJCpa质量风速， ，其中空气密度为 ，则 V)/(2skg 3/.1mkga)(40)()/3. 2ssmkVa则散热器进出空气温差为 CVFQt apfa3.19).18.267.0/(276)x根据公式 4，5，6，计算得发动机需要散热器散热面积为 2037.9mS故散热器的散热面积只要大于等于 即可满足要求。2.该车型散热器共有 51 条散热带和穿插其间的 50 条散热管。散热器的散热带波高为 ，波距为7m，带宽为 ，散热带形状如图 3 所示。以下计算忽略散热带和散热管的壁厚。2.34m26图 3 散热带截面形状示意图散热带与主片之间留有 的间隙，则散热带的波峰数为：4m29634./)0.7(散热带展开长度 mL68.34529).2.(根据以上参数计算实际的散热面积（公式tfS8）式中：散热面积，S2m散热带散热面积，f散热管散热面积，t 2其中（公式610nLTSf9）式中：散热器芯厚，Tm散热带展开长度，L散热带条数。n（公式601LWmSt10）式中：散热管数，n散热器芯宽，Wm散热管外周长，0L则 2651.408.34526mSf 832170t 25.0.54S比发动机需要的散热面积 要大23.9m%8.1509.3781%0S由以上计算可知，该车型散热器散热面积比发动机要求的散热面积大 ，能够满足发动机对散.热器散热面积的要求。3.2 风扇参数设计该车型选用轴流式薄片型风扇，采用经验统计法来估算。3.2.1 风扇外径的确定依据汽车设计手册所推荐的标准，风扇扫过的环形面积占散热器芯子正面面积的百分比应大于45。左右风扇的叶片外径一致，取其中一个风扇散热来考虑，则：（公式2/)93.08(D02fF11）式中：风扇外径，2Dm散热器芯子正面面积 ， 。0fF2将 代入公式 11，得2367.f m376.024./367.0)9.8(D2 由该车型风扇数模测得风扇的直径为 ，不在上述范围内。m风扇外径扫过的环行面积 （ ）：S2（公式22071.43.1596.3412）则45%.3102/73.0%12/ fFS由以上计算可得出结论，风扇外径不能满足要求。但此标准仅为推荐标准，而且风扇外径比较接近要求值，同时因为散热器芯体的宽度为 ，考虑到风扇护风罩的结构强度，所以扇外径没有必要再m增大了，即我们可以认为该风扇能够满足要求。3.2.2 风扇风量的确定该车型风扇风量初步定为 3096m3/h。图 4、图 5 为电子风扇左右风扇的性能试验结果曲线。由图可得在静压小于等于 40Pa 时，能满足风扇风量的要求。图 4 左风扇的性能试验结果曲线图 5 右风扇的性能试验结果曲线4 结论通过以上计算可以得出结论：该车型的冷却系统各方面性能基本满足发动机的要求，可以进行样件开发并且装车后进行热平衡试验验证。参考文献1 汽车工程手册编辑委员会编.汽车工程手册设计篇第一版.人民交通出版社，2001.62 长春汽车研究所编.汽车设计手册发动机附件卷，1998.5.作者简介郑建，男，学士，工程师，从事汽车动力底盘设计，海马（郑州）汽车有限公司技术中心，电话：1