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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GT,则燃料完全燃烧每小时所放
出的热量为QT=GT×HU 式中HU为燃料的热值。热量QT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QR:

3.传递给冷却介质的热量QS:
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QL:
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:QT=QE+QS+QR+Q
L

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*hn3600
= 0.265×0.33×17×431003600
=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:

F= QwKR*Δt (m2)
其中 Δt=tw-ta
=(tw1-Δtw2 )-(ta1+Δta2 )
=(98-92 )-(40+202 )
=43.5℃
式中:KR——取0.069~0.117
tw——冷却水平均温度 tw= tw1-Δtw2
ta——冷却空气平均温度 ta= ta1+Δta2
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= 17.80.093×43.5 =4.4(m2)
实际散热面积(理论)
FΔ=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:
Qw = A*ge*Ne*hn3600
= 0.215×0.247×70.6×418703600
=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:

F= QwKR*Δt (m2)
其中 Δt=tw-ta
=(tw1-Δtw2 )-(ta1+Δta2 )
=(98-92 )-(40+202 )
=43.5℃
式中:KR——取0.069~0.117

tw——冷却水平均温度 tw= tw1-Δtw2
ta——冷却空气平均温度 ta= ta1+Δta2
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= 43.60.093×43.5 =11 (m2)
实际散热面积(理论)
FΔ=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11m2,计算相对保守,考虑到同二汽同
类车型类比,目前选用11m2散热器。

底盘室
2001.4.26

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