关于冷却系的软件计算

1、合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室冷却系统的计算校核及通过由天津大学内燃机燃冷却系统的计算校核及通过由天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室开发的软件进行验证的报告烧学国家重点实验室开发的软件进行验证的报告对于我公司开发的 HFC6700KAY 配由日产公司开发的 TB45E 发动机，我公司采用了理论与实际相结合的方法进行理论优化设计。当发动机运转时,最高温度可达 18002000O C,与高温燃气相连的零件受到强烈的加热，如不加以适当的冷却，机内温度太高会导致发动机充气系数下降，燃烧不正常，如爆燃、早燃等不良现象；机油变质和燃烧，零件的摩擦和磨损加剧；从而引起发动机的动力性、经济性、可靠性和耐久

2、性全面恶化。然而冷却能力过强同样会对发动机到来不良的后果：实践表明，当冷却水温在4050 O C 下工作时，其零件磨损比在 8090 O C 下工作时大好几倍，从提高发动机循环效率的观点出发，希望通过冷却系带走的热量尽可能少些，但这会导致汽缸、活塞、气门的寿命下降，缸盖发生热疲劳裂纹，润滑油变质等。因此，冷却系的设计最主要的功能是保证发动机在最适宜的温度状态下工作。所谓最适宜的温度主要是指各零件保持正常的温度，理论及实践表明各零件的正常的工作温度如下：汽缸壁 110180 O C汽缸壁内壁（燃烧室部分） 110180 O C进气门顶 300400 O C排气门顶 600800 O C活塞顶（铸

3、铁） 400500 O C活塞顶（铝活塞） 250400 O C而要使各零部件保持在上述范围，就需控制冷却水温，使其保持在一定的范围内，不致过高或过低。一般内燃机的冷却水温保持在 75100 O C。当然，对各种具体发动机，发动机厂家根据其实验依据有其不同的要求范围，根据日产公司提供的要求，其冷却水温度应保持在 75115 O C 之间。合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室发动机参数：发动机参数：ENGINE:NISSAN TB45EEngine Description ModelGasoline,4-cycle, 6 cylinders TypeIn-line,water-cooled,ele

4、ctric injection,OHVBoreXStroke99.5x96.0mmDisplacement4.478()Dimension(L x W x L)925x710 x850mmWeight291kg(Approx.)Max.speed(rpm)5400Idle Revolution(rpm)650(FICD ON:90050)Engine Oil5w-30(SJ Grade)Oil capacity Hight/Low()7.5/6.5B PerformanceMax.Output(JIS NET)132.3KJ/4400rpmMax.Torque(JIS NET)333.2N.M

5、Fuel consumption292g/ps.h(215g/kw.h)Compression Ratio8.5汽车基本参数汽车基本参数底盘型号6700KAY常用车速110km/h主传动比6.142车轮直径724风扇传动比1.2424风扇1308010Z23散热器1301010Z23散热器（散热器（1301010Z23）参数）参数结构形式芯子结构尺寸宽 X 高 X厚冷却管尺 寸冷却管数 量波距散热片（带）数（片）散 热面 积管带568X648X492.0X131683.085725.0风扇（风扇（1308010S6）参数）参数结构形式：SHAKE-HEAD叶片外径：500叶片内径：160 合肥

6、底盘股份有限公司汽车研究所二室汽车散热器应保证汽车在变化的行驶条件对发动机的冷却作用，也就是能控制发动机的温度。因此，在设计散热器时应该把散热器作为整个系统来考虑，大体包括通风系与水循环系。主要设计步骤：1.估算空气通道的阻力，并按所需的空气流量及空气道和散热器总阻力，选择风扇。2.散热器的计算3.冷却系的水阻力，并按所需的水流量及水流道阻力，选择水泵。一）散热器的设计1 冷却系散走的热量Qw =AgeNeh/3600（KJ/S）A发动机散走热量占燃料热能的百分比，对于汽油机 A=0.20.23Ne发动机功率（KW）h燃料的低热值（kg）标定工况下A=0.2 kg/kw.h Ne=132kwH

7、u=43100kJ/kgQw=0.2x0.3x132x43100/3600=94.82KJ/S见图(一)所示，在标定工况下发动机转速为 4400（rpm）时，散热量为1400kal/min,换算为 4.2x1400/60=98 kJ/kg，可见理论计算值与实验数据是比较接近的。在以后的计算的过程中按 98 kJ/s 计算。2 冷却水的循环量根据热平衡原理，可计算出冷却水的循环量： Vw=Qw/tw .w.cwtw冷却水在发动机中循环时的允许温升，为了保证发动机的性能，对于现代强制循环冷却系，tw 取 6o c w 水的比重（1000kg/m3 ）cw 水的比热（取 4.187kg/kg. o

8、c） 合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室 图 1Vw=98x1000 x60/6x1000 x4.187=234(L/min),根据日方提供的冷却水循量测定结果报告（见表 1） ，在标定工况下冷却水循环量为 269.5L/min,是满足要求的。转速RAD 流量O/C 流量TH/C 流量全流量8004340.45.54.32.12.10750.653.8120064.660.48.46.62.62.5010.875.680.3160084.779.711.48.83.22.9014.899.3106.22000104101.514.5113.73.5018.7122.2134.724001231

9、19.417.513.34.34023144.8159.72800146.7140.220.315.44.74.2026.6171.7186.43200167.7159.722.517.54.94.4030.1194.9211.73600186175.624.519.15.14.7033.2215.6232.54000203.4191.226.420.75.24.7035.9235252.54400216204.727.9225.24.7038.1249.1269.54800225.6214.72923.45.24.7040.2259.8282.5表 1 3.冷却空气需要量 冷却空气的需要量根

10、据散热器热量和中冷器的热量来确定，根据能量守律，合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室按下式计算： Va=Qw+Qa/ta .a.cp ta 空气进气冷却系统以前与通过冷却系的温度差，通常取 1030 o ca 空气的重度，一般取 1.01kg/m3cp 空气定比热，取 1.047KJ/kg.oC Va=98/20 x1.01x1.047=4.63m3/s4.散热器的结构设计要点 散热器结构基本确定为管带式结构，由上下贮水箱、散热器芯部组成。冷却管尺寸采用 2.0X13(mm)，这与国际散热器冷却水管尺寸规格一致，管子的排列方式为顺排，为综合考虑传热系数和散热能力的关系，采用三排水管布置的形式，散

11、热片上宜采用百叶窗的翅片结构，翅片上的尺寸：波峰、波距、波峰数、通道数以及百叶窗的开口尺寸 a 与 b（如图 2）是影响散热系数的重要尺寸，为提高 KR，应该以这些参量作为变量，确定约束函数，建立目标函数和数学模型，以确定优化设计方案。 散热器的正面积 FR=Va/vava散热器正前面的空气流速（m/s） 。根据经验公式，对小客车取12m/s。 FR=4.63/12=0.385m2散热器的高度和宽度散热器的总体高度由整车总布置来确定，考虑其离地高度及发动机出水口的位置，初步确定其高度尺寸为 648。其宽度尺寸为 b=FR/h=0.385/0.648=0.594m计算散热器的水管数根据冷却水的循

12、环量来确定散热器的水管数合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室i=Vw/WfoW水在散热器内的流速，一般在 0.60.8m/sf0 没根水管的横断面积，米2f0=ax(b-a)+r2=2x11+3.14x1=25.14x10-6m2i=222(根)确定散热系数 KR传热系数的确定，我们通过实验（见表 2） ，取 0.14KJ/m2.s.oc计算散热器的散热表面积F=QW/KRtt冷却水和冷却空气的平均温差，tw-tatw 冷却水平均温度，tw=tw1-tw/2 ta 冷却空气平均温度，tw=ta1+ta/2 tw1散热器进水温度，取 90-95OC, ta1冷却空气的进口温度，取 40oCtw冷却

13、空气的进口温度差，一般取 6-12 oC ta散热器冷却空气的进出口温差，取 10-30 oC F=QW/KRt=98/0.14x28=25m2 考虑散热器经过一段时间后，散热片将蒙上尘土时，散热器性能将有降低，实际选用的散热面积要大一些，通常加一个储备系数，一般取 1.151.2 Fo=1.12x25=28 m2根据经念公式，对小客车而言，比散热面积为：Fo/NE=0.1360.204m2/kwm2=132x0.1360.204m2/kw=17.95226.928 m2由上可见，散热面积取 25 m2是比较合理的计算散热器的芯部厚度lw= Fo/FR 散热器容积紧凑系数，一般取 500100

14、0 lw= Fo/FR=25/0.385x5001000=5265mm二）水泵的计算 水泵的计算主要根据泵水量及压力来选择，而泵水量主要根据冷却水的循合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室环量来确定，在这里我们只对日产公司的水泵流量进行检核。冷却水的流量按下面的公式计算： Vv=Vw/vv水泵的容积效率，一般取 0.60.85Vv=234/0.85=275L/min见表 1，水泵的流量是能满足要求三）风扇的设计 风扇的选择主要根据扇风量和风压来确定，而风扇的扇风量根据冷却空气量来确定。扇风量应等于冷却空气量，通过上面计算应为 4.63m3/s 。风扇压力主要指冷却空气通过散热器，克服空气道的阻力：

15、 p=pR+p1pR散热器的阻力，重量风速为 1020kg/m2s 管片阻力 100500Pap1除散热器的阻力外，其他所有空气通道的阻力，约等于（0.41.1）pRp=1401050Pa见表 2，由风洞实验结果可取 p 值为 650Pa确定风扇外径D2=（0.790.93）FR1/2=0.490.577m(其中 FR为散热器的正面积，见上),日产公司选用为 500mm（我公司的图号 1302080S6）,是满足要求的。计算风扇的内径 D1实践表明，D1/D2 一般在 0.280.36 范围之内，日产公司选用的内径为180mm，D1/D2 为 0.36,是满足要求的。 综上所述，该套冷却系装置

16、的设计基本是合理的，风扇、水泵的设计都是非常合理的，水箱的设计基本是合理的，散热面积也满足要求，但其结构设计不尽合理，我觉得可以做如下改正： 结构形式芯子结构尺寸宽 X 高X 厚冷却管尺 寸冷却管数 量波距散热片（带）数（片）散 热面 积合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室管带600X648X552.0X132223.08待定25.0 下面我们通过天大的软件来进行验证：1.参数输入 包括汽车基本参数的输入、发动机的基本参数的输入和冷却系参数的输入。1.1 汽车基本参数的输入如图 2图 2发动机的常用转速为程序自动计算生成，他根据汽车常用车速，变速箱速比主传动比和车轮直径计算的汽车常用车速时发动机

17、的转速，以此作为确定进气管长度的依据，提高常用车速工况下发动机的充气系数。所有的数据一旦输入数据库，就可以进行编辑管理，生成数据文件。1.2 发动机基本参数输入合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室见下图 3，其中标定工况和最大扭距工况性能参数是冷却系设计计算的工况。图 31.3 冷却系参数的输入该模块是本软件系统的核心，他提供了一种全新的汽车冷却系统参数化数据管理功能，也是冷却系优化设计及校核的一种重要手段。该模块通过厂家将使用的风扇、散热器和中冷器的性能曲线输入到该系统中，可以作为原始数据直接调用；性能曲线输入后，可以通过插值的方法获得所需的数据，计算的精度有赖于提供曲线数量以及所取的点数。该

18、系统通过大量的积累可以发展成为一个自我优化的模型。风扇和散热器实验数据格式横坐标单位不同，即风扇表示善风量（m3/mi）合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室而散热器横坐标单位是质量风速（kg/m2s）,优化设计中程序将自动换算成统一的单位（m3/min） 。 图 4合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室图 5 图 6合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室图 7合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室 图 8 合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室 图 10果结果分析1、风扇与散热器的静压力：静压力越大，空气流量越大，风扇与散热器静压力差与散热器静压力之比应为 0.41.1,由上可知，标定工况下为 1.837,最大

19、扭矩为 1.0 满足要求。说明空气流量能大于散热器冷却需要。2、散热器进水温度（发动机出水温度）标定工况下为 40.40C，最大扭矩为47.70C，偏低。理想温度在 7090 O C 之间。3、风扇叶顶速度为 143.1m/s,国内推荐资料不得大于 110120m/s，噪声偏大。冷却后空气温度，国内推荐为 10300C，该计算结果为：标定工况为 200C；最大扭矩为 37.110C，说明风扇风量偏大。 综上所述，该冷却系风扇速度偏大，噪声偏大；散热器冷却能力能满足要求。合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室HFC6782 车型发动机车型发动机 CY4102BZQ 冷却系冷却系“天大软件应用天大软件

20、应用”、发动机参数的输入图 11、汽车基本参数的输入（图 12）、冷却系参数的输入（图 13）合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室 图 12 图 13合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室以上散热器的参数通过散热器厂家风洞实验提供，通过散热器的水流量分别为 205L/min，100L/ min，在不同的质量风速情况下的散热量和静压力。其各坐标为风动实验结果。、风扇输入 图 14风扇的功率曲线和效率曲线都是压力曲线自动生成，并成一一对应关系，这样主要是为了方便求出不同曲线所对应的特征值。、散热器参数的估算主要估算散热器的型号、散热器的宽和高（迎风面积）以及发动机提供冷却水进水和出水的温度差。输入发动机

21、散热系数对自然吸气的柴油机而言取 0.2；确定冷却空气进出合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室温度差为 20；确定散热器为管带式；根据整车布置的需要，初步确定散热器的高度为 595mm。 图 15 图 16合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室 、结果分析4、风扇与散热器的静压力：静压力越大，空气流量越大，风扇与散热器静压力差与散热器静压力之比应为 0.41.1,由上可知，标定工况下为 1.07,最大扭矩为 0.6 满足要求。说明空气流量能满足散热器冷却需要。5、散热器进水温度（发动机出水温度）标定工况下为 580C，最大扭矩为56.80C，稍偏低。理想温度在 7090 O C 之间。6、风扇叶顶速

22、度为 91.1m/s,国内推荐资料不得大于 110120m/s，满足要求。冷却后空气温度，国内推荐为 10300C，该计算结果为：标定工况为130C；最大扭矩为 14.10C，说明风扇风量满足要求。合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室江淮汽车冷却系计算软件应用HFC6700、HFC6782 四种车型冷却系的校核设 计审 核合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室HFC6782 车型发动机擦车型发动机擦 CA4113 冷却系冷却系“天大软件应用天大软件应用”1、发动机参数的输入图 17、汽车基本参数的输入（图 17）2、 冷却系参数的输入（图 18）合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室 图 18散热器的性

23、能曲线如图 13。风扇性能曲线如图 14。线所对应的特征值。、冷却系系统输入及优化设计（见图 19）系统优化配置根据冷却系零部件库中散热器和风扇的性能曲线，对汽车新冷却系统进行优化配置。评定散热器系统能否满足要求主要是发动机出口冷却水温度以及冷却空气通过散热系统的温度差，发动机冷却水温必须低于沸点温度，冷却空气温度必须低于设定值。在如图 19 中的交点为在标定工况下理论设计点，即在无任何损失的情况下，风扇和散热器的理论匹配点，实际上由于系统阻力，设计值要低于该值，即实际风量要低于理论风量，这就是进风系数，根据试验表明一般系统效率为60%70%。同样，对最大扭矩工况，也存在同样一个理论匹配点。 （见图 20）合肥底盘