汽车冷却系统匹配性探讨

1、 设计与计算汽车冷却系统匹配性探讨总后军事交通运输研究所杨小松摘要本文通过对冷却系统各部件的计算和特性分析, 提出了汽车冷却系统匹配的优化方法。叙词:汽车冷却系计算方法匹配1概述汽车水冷发动机冷却系统主要由发动机冷却水套、冷却水泵、节温器、冷却风扇等部件组成, 发动机的几个特殊工况为最低转速工况(即怠速工况 、最大扭矩工况、最大功率工况和最大转速工况。进行冷却系统的计算和匹配时, 对轻型车或轿车以最大功率工况为设计工况点, 以最大扭矩工况为校核点; 对中型以上载货车则以最大扭矩工况为设计工况点, 以最大功率工况为校核点。我们主要对轻型车或轿车冷却系统的计算和匹配进行分析、探讨。i 气缸数; D

2、 气缸直径, c n 31000kg m ;W , 取C W =(kg K ; 4. 187kJQ W 冷却水带走的热量,数, 60. 65;H u 燃料的低热值, 取H=43930kJ kg ;kJ s 。uH u 燃料燃烧不完全损失的热量, 取H u =2476kJ kg ;空气过量系数, 最低转速时=0. 86, 其他工况=0. 96。考虑到水泵内部可能有泄漏、水套锈蚀积存水垢等因素, 水泵的实际供水量V W 应大于理论供水量W , 但不能过大, 一般取理论供水V 量的1. 21. 6倍为宜。即:1. 6 V W V W =(1. 2(3还应当说明, 对于冷却水泵和冷却风扇同轴, 并通过

3、皮带一级传动与发电机轴连接的汽车, 水泵转速n 泵为:n 泵=(D 1 D 2 n(43水泵的选择计算和匹配水泵是强制循环水冷发动机冷却系中的主要部件之一, 在设计冷却系时, 应选择相应供水能力的水泵, 既要保证发动机在最恶劣工况下不发生过热现象, 又要防止过量供水消耗能量。3. 1水泵供水量的确定式中:D 1曲轴上皮带轮的计算直径;D 2水泵轴上皮带轮的计算直径;n 发动机曲轴转速。2冷却系统散掉的热量一般来说, 水冷发动机冷却系统通过水介质散掉的热量Q W 占汽油机燃料能量的23%30%。应通过试验测出实际Q W 值; 如条件不具备, 可由以下推荐的经验公式进行计算:1+2M m(Q W

4、=ci D n (H u -H u H u (1 式中:c 四冲程发动机的比例系数, c =0. 450. 53, 对轻型车或轿车取下限, 对中型以上载货车取上限; 24水泵供水量应以发动机冷却系设计工况条件的散热要求确定。可由下式求出:(t W (2 V W =Q W W C W 式中:V 发动机所需理论供W 水量, m 3 s ;t W 冷却水在发动机内循环允许的温升, 一般在59之间; 水的密度, 取W W =因此, 我们把发动机在额定转速n e 下工作时, 由(4 式求出的水泵转速为n 泵所对应的水泵流量, 作为选择水泵的一个依据。3. 2水泵泵水压力p 的确定水泵泵水压力应当足以克服

5、冷却系统中所有的液体流动阻力, 并获得必要的冷却水循环的流动速度。一般由试验测出, 也可由下列经验值确定, 即p =150kPa 。3. 3水泵特性和系统阻力特性及其匹配汽车研究与开发 设计与计算水泵的泵水压力与流量有关, 可用下式表示:p =f (V W 。图1中示出其特性曲线1。图中还示出了系统流动阻力特性曲线2。由水泵特性可知, 随着水泵泵水压力的逐渐增大, 泵水量逐渐减少, 当泵水压力增大到某一值时, 与系统阻力平衡, 曲线1与曲线2交于B 点, 该点所对应的水流量V W B 即为水泵稳定泵水量, 该值应与(3 式中求出的V W 值接近, 否则, 必须调节水泵转速或重新选择水泵, 以达

6、到最佳匹配 。C 空空气的比热, 取C 空=(kg K ; 1000JT 散热器的空气温差, 。(7 T =t a 1+0. 5t a式中:t a 1散热器冷却空气进口温度, ;t a 散热器冷却空气进出口温差, 。对于标准型散热器1取, 轻型散热器t a 1取34, 器t a 1取52, t a 取12, 90100mm 时t a 取1538。图3是在风扇转速保持一定情况下的流量特性曲线。图中绘出了不同转速时扇风压力和风扇效率随扇风量的变化曲线, 转速n 1>n 2>由图可知, 在风扇转速为一定的n 3。情况下, 风扇的静压力增加时, 扇风量逐渐下降, 当扇风压力增加到某一数值时

7、, 即使压力有很小变化, 扇, 说明风扇已在不稳。将不同转速振线(图中未表示 。在喘振线的左边为风扇非稳定工作区, 空气流量不稳定, 发生喘振, 发出噪声; 在喘振线的右边为风扇稳定工作区。另外, 从图3中看出, 风扇效率大小是随扇风量的变化而变化的, 将不同转速下最大效率点所对应的扇风压力点(见图3中A 1、A 2、A 3点 相连接, 就形成了最大效率点连接, 很显然, 该线在喘振线右边, 即在稳定工 作区。5冷却风扇的特性和选择在汽车上, 使空气通过散热器的装置是轴流式风扇。风扇可由金属或塑料制成。与金属风扇相比, 塑图1水泵特性曲线4散热器散热能力和冷却系统所需风量的确定4. 1散热器散

8、热能力的确定新的散热器在使用一段时间以后, 由于水垢的生成而使少量水管堵塞, 散热性能下降10%左右; 此外, 由于压力盖泄漏以及气流分布不均, 也会使其散热能力下降5%10%。因此, 我们选用散热器时, 它的散热能力Q m ax 应比水套散掉的热量Q w 高出15%20%。即:(5 1. 20 Q w Q m ax =(1. 154. 2冷却系统所需风量的确定料风扇的优点是制造成本低、风量大, 能在各种转速下变化叶型的攻角, 从而改善发动机高转速大负荷、低转速低负荷等各种工况条件所需的风量, 且在高转速时耗功少。风扇的特性分速度特性和流量特性。改变风扇的转速, 依次测定不同转速时的扇风压力p

9、 、扇风量Q 、风扇功率N f 和效率, 即可得到风扇的速度特性, 见图2。由图2可看出, 风扇的扇风量与转速成正比, 功率与转速的3次方成正比, 压力与转速的平方成正比。图3风扇流量特性曲线6冷却系统内空气流动阻力的确定冷却系统内空气流动阻力p 系统(Pa 表示如下:2p 系统=Q ,要想将发动机传给冷却介质的热量散掉, 必须有足够的空气通过散热器, 空气量可由下式确定:(6 Q 空=Q W 空C 空T 3式中:空气的密度, kg 空m ;(8图2风扇速度特性曲线式中:与进风道的形状、大小等因素有关的系数;251999年第2期 设计与计算Q 通过进风道的空气量,3m s 。P 系统与Q 之间

10、的关系曲线称为系统阻力特性曲线, 见图4。显然, 发动机系统进气道的阻力随着冷却空气量的变化情况表现为抛物线型。不同型式的发动机, 冷却系统具有不同的阻力特性曲线; 在同一型号发动机上, 当调节散热器进气百叶窗的开度, 或改变进风格栅的进风口大小时, 即可改变系数, 得到不同的阻力特性曲线, 见图4中1、2、3线 。(10 p 行驶+p 扇=p 系统当汽车在坡道或泥泞等恶劣路况行驶时, 因车速低, 这样由汽车行驶而产生的迎风压力p 很小, 可略去。这样(10 式可简化为:(11 p 扇=p 系统点为A , 所对应的横坐标风量为Q B , 应使Q B =Q 空, 可通过风扇定律确定2线的风扇转速

11、n 2=n 1(Q 空 Q A ; 二是通过选择风阻小的散热器或改善系统空气阻力特性, 使阻力减小, 见图中B 线与线1交于B 点, 所对应横坐标空气流量Q B 与。反之, 如果A Q 空值大得较多, 则发, 可采取增大风节。但应该看到, 增加风阻可使A 点左移, 可能使风扇工作在非稳定区, 所以现在多数轻型车或轿车均采用风扇离合器, 以改变风扇转速, 使冷却系统达到良好匹配。(2 A 点应在风扇特性曲线的稳定工作区, 若A 点落在喘振线的左边, 则系统进气不稳定, 发生喘振, 出现异常噪声, 且风扇效率低。要改变这种状况, 可减小进气系统阻力, 一般应重新选择合适风扇进图5就是冷却风扇与系统

12、阻力的匹配图。由图看出, 当风扇工作时, 随着空气流动的增加, , , , 而空气流量稳定在曲线交点下方空气流量坐标上所表明的Q A 量值上 。图4系统阻力特性曲线因不易确定, 需进行估算。由试验和资料表明, 冷却系统空气阻力为散热器阻力的1. 51. 7倍。即:1. 7 p 散(9 p 系统=(1. 5式中:p 散散热器的空气阻力。图5冷却风扇与冷却系统匹配图行匹配。(3 A 点应在风扇的高效率区, 即A 点在最大效率线附近, 若A 点偏离最大效率线右边太多, 则风扇效率低, 功率损失大。可采取减小散热器百叶窗开度或进风道加阻流板等措施改变系统阻力, 使A 点接近最大效率线。总之, 影响发动机冷却系统的因素比较多, 我们在实际工作中, 对冷却系统设计匹配时要考虑到各种因素, 进行比较、试验等, 方可达到最佳效果。收稿日期:1998-11-16发动机要正常工作、冷却系统要达到最佳匹配, 还必须满足如下条件:(1 冷却系统进风量Q A 应与由(6 式计算出的所需风量Q 空相接近, 这是对冷却系