发动机冷却系统设计参数的确定

1、发动机冷却系统设计参数的确定吴海荣1,郭新民2(1.聊城大学汽车与交通工程学院,山东聊城 252059;2.山东农业大学机械与电子工程学院,山东泰安 271018摘 要:发动机是工程机械的动力核心,其性能的好坏,将直接影响工程机械的使用性能。在发动机冷却系统的改进设计中,可以采取先确定基本设计参数,后将原冷却系统中水泵和风扇消耗功率及驱动转矩进行修正,以反推得到改进设计系统中冷却风扇驱动元件参数的方法。该方法既能简化计算,又能满足设计需要,具有广泛的应用价值。关键词:能源与动力工程;冷却系统;改进设计;发动机;设计参数中图分类号:TK414.2 文献标识码:A 文章编号:1003188X(20

2、07010223020 引言目前国内工程机械发动机冷却系统由于大多数都采用定传动比驱动,所以冷却风扇的转速不能随发动机热状态的改变而自动进行调节,常常会出现工程机械在低速大负荷工作时发动机温度过高;高速中小负荷工作时发动机过度冷却等现象,从而影响工程进度。为此,要从根本上改变冷却系统的驱动方式,使冷却风扇的转速随发动机冷却液的温度而自动调节,以满足发动机的实际散热需要1。在进行发动机冷却系统的改进设计中,为简化计算,需要先确定工程机械对冷却系统所要求的散热量,并且根据热平衡的热量分配,散入冷却系统中的热量应当由冷却介质散走。因此,可以由发动机散入冷却系统中的热量来确定所需冷却水的循环量及冷却空

3、气的循环量,进而完成对水泵和风扇消耗功率及驱动转矩的计算,以反推得到改进设计系统中冷却风扇驱动元件的参数。1 基本设计参数的确定目前,国内工程机械发动机大都是四行程柴油机,采用强制循环式水冷却系统。为了满足散热要求,一般把最大功率工况(额定工况作为冷却系统的计算工况。因此,从满足发动机的散热要求出发,在冷却系统的改进设计中,确定冷却系的散热量、冷却水循环流量和冷却空气的流量这3个十分重要的基本设计参数,有着很重要的意义。1.1 散热量wQ冷却系应散发出去的热量即散热量或称散热热流量,是设计冷却系统时的原始数据,受发动机的结构型式及其压缩比、功率大小等许多复杂因素影响,很难进行精确计算。因此,设

4、计时,通常采用经验公式2进行确定,即3600ueewhNAgQ= kJ/s (1 式中A传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比,对柴油机可取0.180.25;eg内燃机燃料消耗率,额定工况时可取0.2100.270 /kW·h;eN内燃机功率(kW;uh燃料低热值,柴油取42500kJ/。1.2 冷却水循环流量wV水冷式发动机冷却水的循环体积流量简称冷却水的循环量,可由热平衡方程进行计算2,即wwwww ctQV= m3/s (2 式中w t冷却水在发动机中循环时的充许温升,对强制循环式水冷却系统,可取6°12,具体选择时要考虑环境温度的影响;w冷却水的密度,若为纯水,可近似

5、地取1000kg/m3;wc水的比热,若为纯水,可近似取4.187kJ /kg·。1.3 冷却空气需要量aV冷却空气需要量,即冷却风扇的供风量或风扇的扇风量,一般根据散热器的散热量由热平衡方程收稿日期:2006-02-27基金项目:聊城大学科研基金资助项目(x041030作者简介:吴海荣(1969-,女,山东聊城人,讲师,工学硕士, (E-mailqichexueyuanwu。确定。散热器的散热量一般等于冷却系统的散热量,所以冷却空气的需要量2为aa a w a c t Q V =m 3/s (3式中 a t 空气进入散热器前后的温度差,通常为10°30。计算时可视工作环境

6、情况具体进行选择;a 空气的密度,一般取1.01kg/m 3; a c 空气的定压比热容,可近似取 1.047kJ/(·。2 水泵风扇消耗功率和驱动转矩的确定由于在发动机冷却系统的改进设计中,冷却风扇的驱动方式不同于原冷却系统。所以,确定水泵及风扇的消耗功率和驱动转矩时,应对原冷却系统中水泵及风扇的消耗功率和驱动转矩进行修正。 2.1 原冷却系统中水泵消耗的功率p N水泵消耗的功率,主要根据水泵的泵水压力及冷却水循环量,计算公式为3pm p h P V Pw P P V N ,=(4式中 P P 水泵的泵水压力。P P 取值,不但要保证足以克服水冷却系中所有的流动阻力并得到必要的冷却

7、水循环的流动速度,而且应使水在工作温度下,任一点的压力均大于此时的饱和蒸汽压力,以免产生气蚀现象。另外,在选择水泵的容积效率p V ,液力效率p h ,及机械效率p m ,时,应满足水泵的总效率p m p h p V p ,=为20%45%,这是因为国内外大量内燃机水泵的实验表明,水泵的总效率只有20%45%3。 2.2 原冷却系统中风扇的消耗功率f N风扇的消耗功率,主要取决于冷却空气的需要量和风扇的压力,公式为3fm f v f h af f V p N ,=(5式中 f p 风扇的压力又称风扇的供气压力。 为了使冷却空气能够顺利地通过散热器并且把散热量带走,风扇所供给的冷却空气必须克服散

8、热器及散热器以外的所有空气通道的阻力。另外,因风扇的总效率只有0.30.5,所以在选择风扇的容积效率f v ,液力效率f h ,和机械效率f m ,时,应满足风扇的总效率f m f h f V f ,=为30%50%3。 2.3 原冷却系统驱动水泵及风扇的转矩Tq根据原冷却系统中水泵及风扇的消耗功率,可别求得原冷却系统中驱动水泵及风扇的转矩为nNTq 9550=(6 2.4 功率转矩的修正由于在一般情况下,驱动水泵所需功率及转矩比驱动风扇所需功率及转矩小得多,而且水泵的工作环境变化也较小,所以主要是针对风扇进行功率及转矩的修正。修正时,要考虑设计冷却系统与原冷却系统相比系统的传动总效率、所需散

9、热量的变化及对风扇效率的影响等因素对设计冷却系统散热能力的综合影响。3 结论实践证明,以上计算方法既能简化计算过程,又能满足设计需要,在发动机冷却系统的改进设计中具有广泛的应用价值。 参考文献:1 吴海荣,郭新民,孙运柱.筑路机械液压驱动风扇冷却系统J.农机化研究,2005(3:149-150. 2 姚仲鹏,王新国.车辆冷却传热M.北京:北京理工大学出版社,2001.3 杨连生.内燃机设计M.中国农业出版社,1981. 4 陈培陵.汽车发动机原理M.大连:大连海事大学出版社,1998.Confirm of Design Parameter Determination of the Engine

10、 CoolingSystemWU Hai-rong 1, Guo Xin-min 2(1.School of Automobile & Traffic Engineering, Liaocheng University, Liaocheng 252059; China; 2.Mechanical & Electronic Engineering College, Shandong Agricultural University, Taian 271018, ChinaAbstract: In the improving design of the engine cooling system, we can define the basic design parameters first, and then correct the consumed power and driving torque of the water pump and fan of original cooling system, in order to push and get the parameters of the driving elements in the system instead, this method can simplify calcul