散熱系統(tǒng)匹配計算分析方法

1、汽車?yán)鋮s系統(tǒng)匹配分析計算方法目錄一，概述 .1二，汽車對冷卻系統(tǒng)的要求 .2三，冷卻系統(tǒng)選型布置 2四，設(shè)計計算匹配 .612五，設(shè)計驗證、概述冷卻系的主要功用是把受熱零件吸收的部分熱量及時散發(fā)出去，保證發(fā)動機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。匹配良好的冷卻系統(tǒng)對整車的動力性，經(jīng)濟(jì)性都有著至關(guān)重要的作用。冷卻不足會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)過熱，產(chǎn)生許多不良反映：發(fā)動機(jī)過熱，進(jìn)氣系數(shù)下降，燃燒不正常（爆燃、早燃等），機(jī)油變質(zhì)和燒損，零部件摩擦和磨損加?。ㄈ缁钊?、活塞環(huán)和缸套咬傷，缸蓋發(fā)生熱疲勞裂紋等），引起發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性全面惡化，最明顯的癥狀則是我們平常所見的發(fā)動機(jī)開鍋。冷卻過度會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)過冷，不良

2、反映有：汽油機(jī)混合氣形成不良，機(jī)油被燃油稀釋；柴油機(jī)工作粗暴，散熱損失增加，零部件磨損加?。ū日９ぷ鳒囟裙ぷ鲿r大好幾倍），也會使發(fā)動機(jī)工作變壞。在冬天發(fā)動機(jī)啟動后需要長時間熱機(jī)。最終也導(dǎo)致整車的燃油經(jīng)濟(jì)性大打折扣。冷卻系按照冷卻介質(zhì)不同可以分為風(fēng)冷和水冷（圖1-1），如果把發(fā)動機(jī)中高溫零件的熱量直接散入大氣而進(jìn)行冷卻的裝置稱為風(fēng)冷系。而把這些熱量先傳給冷卻水，然后再散入大氣而進(jìn)行冷卻的裝置稱為水冷系。由于水冷系冷卻均勻， 效果好，而且發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音小， 目前汽車發(fā)動機(jī)上廣泛采用的是水冷系。圖1-1、汽車對冷卻系統(tǒng)的要求1、保證發(fā)動機(jī)在任何工況下工作在最佳溫度范圍；隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)水平的提高，現(xiàn)

3、在發(fā)動機(jī)的最佳工作溫度也有所提高，約851102、保證啟動后發(fā)動機(jī)能在短時間內(nèi)達(dá)到最佳溫度范圍；3、散熱器散熱效率高，可靠性好，壽命長；風(fēng)扇（主要是電子扇）運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，噪聲小，消耗功率低; 水泵盡量小的消耗發(fā)動機(jī)功率。4、體積小，重量輕，成本低，可靠性好;6、拆裝、維修方便。三、冷卻系統(tǒng)布置選型（一）冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、分類:液體冷卻蒸發(fā)冷卻簡單蒸發(fā)冷卻以加注冷卻液來補(bǔ)償冷卻介質(zhì)蒸發(fā)損失的蒸發(fā)冷卻。帶輔助水箱的蒸發(fā)冷卻用輔助水箱補(bǔ)充冷卻介質(zhì)的蒸發(fā)冷卻。帶冷凝器的蒸發(fā)冷卻蒸發(fā)的冷卻介質(zhì)在冷凝器中凝結(jié)后，通。過冷卻回路流回到發(fā)動機(jī)加水箱的蒸發(fā)冷卻。循環(huán)冷卻對流冷卻利用熱虹吸作用使冷卻液自然循環(huán)的冷卻方式

4、。強(qiáng)制冷卻開式強(qiáng)制冷卻冷卻介質(zhì)不進(jìn)行再循環(huán)的強(qiáng)制。冷卻方式。單循環(huán)強(qiáng)制冷卻冷卻介質(zhì)在冷卻水箱、冷卻塔、管式冷卻器、散熱器 等中進(jìn)行冷卻的強(qiáng)制冷卻方式。雙循環(huán)強(qiáng)制冷卻利用副回路（外循環(huán)）中的冷卻液在熱交換器中對發(fā) 動機(jī)冷卻介質(zhì)進(jìn)行再冷卻的強(qiáng)制冷卻方式。空氣冷卻自然空氣冷卻利用自然空氣循環(huán)的冷卻方式。強(qiáng)制空氣冷卻利用風(fēng)扇迫使空氣循環(huán)的冷卻方式。2、常用結(jié)構(gòu)：冷卻水強(qiáng)制循環(huán)冷卻方式主要零部件：發(fā)動機(jī)水套、水泵、節(jié)溫器、散熱器、風(fēng)扇以及連接管路。工作原理：散熱器上水室兼起膨脹水箱或者補(bǔ)償水箱的作用。注意事項：為保證冷卻系統(tǒng)排氣順暢，加水充分，排水徹底，散熱器的上水室加水口處為冷卻系統(tǒng)的 最高點(diǎn)，下水室

5、出水口為冷卻系的最低點(diǎn)。同時，為滿足發(fā)動機(jī)排氣、冷卻液膨脹蒸發(fā)和冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水的 需要，上水室要有足夠的空間。其結(jié)構(gòu)如（圖 1）。（圖1）（1）帶補(bǔ)償水桶結(jié)構(gòu)。（圖2）組成：發(fā)動機(jī)水路、水泵、節(jié)溫器、散熱器、風(fēng)扇、補(bǔ)償水桶以及連接管路。原理：發(fā)動機(jī)溫度升高后， 冷卻液受熱膨脹，冷卻系統(tǒng)內(nèi)部壓力升高，散熱器壓力蓋出氣閥開啟排氣。隨著壓力的持續(xù)升高，冷卻系統(tǒng)內(nèi)部氣體排盡，冷卻液開始外溢并流入補(bǔ)償水桶內(nèi)。當(dāng)冷卻液溫降低后， 系統(tǒng)內(nèi)冷卻液體積減小，壓力下降，散熱器壓力蓋進(jìn)氣閥開啟，補(bǔ)償水桶內(nèi)的冷卻液會被重新被吸回冷卻 系。注意事項：為保證冷卻系統(tǒng)內(nèi)的氣體能夠全部排除，散熱器的加水口及下水室應(yīng)處在冷卻系統(tǒng)

6、（補(bǔ)償 水桶出外）的最高點(diǎn)及最低點(diǎn)。補(bǔ)償水桶到散熱器的連接管路要密封緊密。另外，補(bǔ)償水桶還要有足夠的 容量和膨脹空間。（2）帶膨脹水箱結(jié)構(gòu)。（圖3）組成：發(fā)動機(jī)水路、水泵、節(jié)溫器、散熱器、風(fēng)扇、膨脹水箱以及連接管路。原理：膨脹水箱布置在冷卻系統(tǒng)的最高點(diǎn)，系統(tǒng)壓力蓋安裝在膨脹水箱上，系統(tǒng)直接通過膨脹水箱排 氣和補(bǔ)水。注意事項：因包括膨脹水箱在內(nèi)的整個系統(tǒng)壓力一樣，所以各連接管路一定要密封緊密。膨脹水箱要 有足夠的抗壓能力和空間。散熱器的最高點(diǎn)可以低于發(fā)動機(jī) 。-3 -壓力竝（圖2）（圖3）注：以上結(jié)構(gòu)中，發(fā)動機(jī)排氣都必不可少，否則:1，如排氣不好，殘存空氣會對發(fā)動機(jī)內(nèi)壁造成氣蝕,影響發(fā)動機(jī)性能。

7、-4 -2，因發(fā)動機(jī)水套空氣的存在導(dǎo)致散熱不均勻，散熱效果不良，最終影響發(fā)動機(jī)的正常工作。3，有可能導(dǎo)致整車暖風(fēng)不熱，因暖風(fēng)系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)大都是聯(lián)通的，及傳熱，儲存熱量的介質(zhì)都是冷 卻液，發(fā)動機(jī)內(nèi)殘存的空氣很容易進(jìn)入暖風(fēng)系統(tǒng)，影響氣正常工作。4, 影響冷卻液的加注速度和加注效果，無發(fā)動機(jī)排氣，防凍液加注時需多次加注才可以 加滿。隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的發(fā)展，發(fā)動機(jī)對冷卻系統(tǒng)中的空氣排除要求也日漸增高，四、設(shè)計計算匹配（一）散熱器散熱器是冷卻系統(tǒng)中的重要部件，其主要作用是儲存冷卻液，并將冷卻液攜帶的熱量散發(fā)出去，從而 降低發(fā)動機(jī)冷卻液溫度，最終達(dá)到發(fā)動機(jī)降溫的過程。進(jìn)一步保證發(fā)動機(jī)的動力性，經(jīng)濟(jì)性及可靠

8、性。 一、散熱器組成及分類散熱器主要由兩個水室及芯體組成，主要有管片式和管帶式兩種。型式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)管片式剛度好，耐壓高，芯體不易阻塞制造工藝復(fù)雜管帶式制造方便，散熱效果好空氣阻力大（二），散熱器技術(shù)參數(shù)1，散熱系數(shù)：因使用材料，風(fēng)速，水流量不同而不同，現(xiàn)在主要使用鋁制散熱器，其傳熱系數(shù)在同樣條件下較高，制作簡單，質(zhì)量小，成本低。2，空氣阻力：主要和芯體結(jié)構(gòu)有關(guān)，主要是散熱器管距及散熱帶波峰距，風(fēng)阻越小散熱器散熱效率越高。 3，風(fēng)扇功率：風(fēng)扇功率越大風(fēng)量越大，散熱效果越好，但同時也消耗了發(fā)動機(jī)更多功率，并產(chǎn)生了更大 的噪聲。乘用車風(fēng)扇現(xiàn)在多采用電子扇。4，散熱帶波峰距：小的波峰距可以提供更大的散熱

9、面積，但同時也增加了散熱器的風(fēng)阻，反之亦然， 5，散熱面積：散熱器管，帶的表面積之和。散熱面積越大，散熱效率越好。6，迎風(fēng)面積：散熱器芯體正面迎風(fēng)部分的面積。 7，壓降：指在一定條件下冷卻液從散熱器入口流至散熱器出口過程中壓力的下降部分，壓降與散熱器結(jié) 構(gòu)及制作材料有關(guān)，在水泵揚(yáng)程一定的條件下壓降越小，散熱器中冷卻液流速越快，冷卻效率越高。（三），風(fēng)扇技術(shù)參數(shù)及介紹1，靜不平衡量 （g/m） ：是扇葉以中心軸為基準(zhǔn)，因制造工藝而產(chǎn)生的不平衡力矩，靜不平衡量越小，風(fēng)扇 運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的晃動越小，噪聲越小，風(fēng)扇可靠性越好。電子扇一般控制在 40g/m 以內(nèi)，本參數(shù)的 控制可反映出供應(yīng)商的制造水平高

10、低。2，噪聲：噪聲要求應(yīng)達(dá)到整車噪聲要求（四）風(fēng)扇介紹4.1 護(hù)風(fēng)罩 風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩是為了提高風(fēng)扇的冷卻效率，使通過散熱器芯部的氣流均勻分布，并減少發(fā)動機(jī)艙內(nèi)熱空 氣回流而設(shè)計的。因此，設(shè)計風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩時應(yīng)注意技術(shù)的合理性，主要有以下幾點(diǎn)：1、對于前置發(fā)動機(jī)，風(fēng)扇護(hù)風(fēng)罩的設(shè)計分整體式和分開式兩種；對于后置式發(fā)動機(jī)，一般都采用整 體式。分開式護(hù)風(fēng)罩兩部分之間有相對運(yùn)動，必須用帆布圈柔性密封連接。2、護(hù)風(fēng)罩與風(fēng)扇葉尖的徑向間隙應(yīng)盡可能小，以保證風(fēng)扇冷卻效率。當(dāng)采用分開式護(hù)風(fēng)罩時，風(fēng)扇 與護(hù)風(fēng)罩無相對運(yùn)行，其徑向間隙應(yīng)不超過風(fēng)扇直徑的 1.5 % ，或者 5 mm 10 mm ；當(dāng)采用整體式護(hù)風(fēng)罩 時，風(fēng)

11、扇與護(hù)風(fēng)罩有相對運(yùn)動，其徑向間隙也不應(yīng)超過風(fēng)扇直徑的2.5 %，或者 15 mm 20 mm 。3、應(yīng)注意護(hù)風(fēng)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，不應(yīng)有阻擋風(fēng)扇氣流的死角。4、風(fēng)扇伸入護(hù)風(fēng)罩的軸向位置，與進(jìn)氣效率有很大關(guān)系，對于吸風(fēng)式風(fēng)扇，風(fēng)扇葉片的投影寬度應(yīng)伸入護(hù)風(fēng)罩內(nèi) 2/3 為宜。5、在安裝護(hù)風(fēng)罩時必須注意， 護(hù)風(fēng)罩與散熱器之間不得有縫隙 ，應(yīng)采用橡膠或泡沫塑料墊加以密封， 以保證冷卻效率不降低。6、駕駛員應(yīng)經(jīng)常檢查風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩之間的徑向間隙，以確保發(fā)動機(jī)風(fēng)扇與散熱器發(fā)生相對位移時， 風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩之間不產(chǎn)生碰觸。7、從成本角度考慮，在大批量生產(chǎn)的車型中，多采用塑料護(hù)風(fēng)罩。發(fā)動機(jī)曲軸帶動風(fēng)扇發(fā)動機(jī)曲軸通過

12、皮帶輪帶動冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越快，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動越快。只要發(fā)動機(jī)啟動，它就 要運(yùn)轉(zhuǎn)，不能視發(fā)動機(jī)溫度變化而變化，采用這種方案，如果要調(diào)節(jié)散熱器的冷卻強(qiáng)度，要在散熱器上裝 上活動百頁窗以控制進(jìn)入的風(fēng)量。風(fēng)扇離合器控制風(fēng)扇 為了確保冷卻風(fēng)扇的送風(fēng)能力，設(shè)計時都按低速考慮，保證在低速時風(fēng)扇有足夠的送風(fēng)量，這樣考慮 的結(jié)果，使高速時的風(fēng)扇送風(fēng)能力過大。因此，在車輛通常行駛情況下，應(yīng)該把風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速控制在適當(dāng)范 圍內(nèi)，這樣才能降低噪聲，提高發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性。使用風(fēng)扇離合器可以控制轉(zhuǎn)速（以下簡稱AFC ）。在 AFC內(nèi)部粘有粘性流體（硅油） ，靠其剪切力傳遞扭矩。在風(fēng)扇前面裝有雙金屬片，用來感知流過散熱器的空

13、氣溫度，因此，控制風(fēng)扇離合器工作腔內(nèi)的硅油量，使其只是在必要時，才傳遞扭矩使風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，當(dāng)水溫 比較低時離合器與轉(zhuǎn)軸分離，風(fēng)扇不動，當(dāng)水溫比較高時由溫度傳感器接通電源，使離合器與轉(zhuǎn)軸接合， 風(fēng)扇轉(zhuǎn)動。由于風(fēng)扇離合器容易實現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、使發(fā)動機(jī)工作溫度得到了控制，在汽車行業(yè)得到了一定 程度的推廣。但是經(jīng)過實驗，風(fēng)扇離合器的溫度控制性能、可靠性、維修性相對較差，因此越來越多的汽 車上開始采用電動風(fēng)扇。4.3、電動風(fēng)扇 電動風(fēng)扇是由電動機(jī)來驅(qū)動風(fēng)扇，電動機(jī)的起停是受水溫直接感應(yīng)的溫度開關(guān)來控制。汽車在低速怠 速時冷卻效果好，冷車啟動時水溫上升較快。電動機(jī)功率一般比較低，因此風(fēng)扇的風(fēng)量受到限制。電控式冷

14、卻風(fēng)扇是一種更先進(jìn)的控制方式， 該系統(tǒng)能使風(fēng)扇產(chǎn)生最佳風(fēng)量， 并大幅度降低風(fēng)扇的噪聲。 為了控制合理的送風(fēng)量，使用專用計算機(jī)收集下列傳感器信號，如水溫傳感器、空調(diào)器開關(guān)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 傳感器等，計算機(jī)利用這些信息，計算出最佳風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。該系統(tǒng)僅僅在需要時由電動馬達(dá)帶動風(fēng)扇工作， 供給所需的風(fēng)量。這種系統(tǒng)的位置布置自由度大，故在發(fā)動機(jī)橫置的車中的應(yīng)用逐漸增加。用這種方式控 制的風(fēng)扇，在冷卻液溫度低時風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動，而在冷卻液溫度高時風(fēng)扇增加轉(zhuǎn)速。由于電動風(fēng)扇容易實現(xiàn) 上述控制， 故其有提高發(fā)動機(jī)暖機(jī)性能、 提高經(jīng)濟(jì)性、 降低噪聲的優(yōu)點(diǎn)。 電動風(fēng)扇不使用發(fā)動機(jī)做動力源， 所以其轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速無關(guān)。電動

15、風(fēng)扇使用蓄電池電能，蓄電池只在需要風(fēng)扇供風(fēng)時才給風(fēng)扇供電。這 種風(fēng)扇無動力損失，構(gòu)造簡單，總布置方便。電動風(fēng)扇按其轉(zhuǎn)速分為二種形式，一種為單速式，一種為雙 速式。自控電動冷卻風(fēng)扇可以充分利用汽車行駛迎面風(fēng)的冷卻作用而大量減少發(fā)動機(jī)驅(qū)動冷卻風(fēng)扇的功率 損失， 縮短了預(yù)熱時間， 實現(xiàn)最佳溫度控制， 大量減少了發(fā)動機(jī)的傳熱損失， 是當(dāng)前降低汽車耗油最有效、 最簡捷的途徑之一。因此在節(jié)能和排放法規(guī)日趨嚴(yán)格的發(fā)達(dá)國家的轎車上得到廣泛的應(yīng)用。四， 設(shè)計計算匹配 （一）參數(shù)輸入：- 6 -1，發(fā)動機(jī)參數(shù):項目代號設(shè)計輸入備注散熱系數(shù)A額定工況功率Ne燃油消耗 率ge最大扭矩工況最大扭距Me功率Ne燃油消耗

16、率ge2，水泵參數(shù):a,額定工況項目代號設(shè)計輸入備注轉(zhuǎn)速r/min流量Vw功率b,最大扭矩工況項目代號設(shè)計輸入備注轉(zhuǎn)速r/min流量Vw功率（二）匹配計算1，散熱量計算：整車需要冷卻系統(tǒng)帶走的熱量計算，根據(jù)整車具體不知情況考慮是否包括冷凝器，中冷 器的散熱量。額定工況發(fā)動機(jī)散熱量：Qw=A*ge*Ne*H n/3600最大扭距工況發(fā)動機(jī)熱量：Qw =A*ge *Ne *Hn/3600其中參數(shù)為：A:傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比（一般柴油機(jī)=0.180.25，渦流機(jī)比直噴機(jī)高；汽油機(jī) A=0.230.30）Hn：燃料熱值，柴油和汽油的低熱值分別為41870Kj/Kg和43100Kj/Kg

17、由上可以得出散熱系統(tǒng)所需帶走的熱量，取其中最大值。以下以額定點(diǎn)為例。2,散熱器散熱面積散熱器面積：F=Q/（ Kr* t?） t=tw-ta冷卻水平均溫度:tw= twl- tw/2散熱器進(jìn)水溫度：twl散熱器進(jìn)出水溫差： tw: 一般取510冷卻空氣平均溫度：ta=t什 ta/2散熱器進(jìn)風(fēng)溫度：ti散熱器冷卻空氣進(jìn)出溫差： ta 一般取2030平均溫度修正系數(shù) ？：汽車發(fā)動機(jī)的冷卻形式，屬于兩種流體(空氣及冷卻水)互不混合的交叉流式換熱形式，所以要以修正系數(shù)？對平均溫差進(jìn)行修正，此處?。?0.98由此可以初步計算出散熱器散熱面積，散熱器散熱面積與功率的比一般如下：小客車：F =0.136 0

18、.204m2/kWNe載重車： Zl =0.204 0.408m2/ kWNe拖拉機(jī)： 立=0.408 0.680m2/ kWNe3額定點(diǎn)散熱器內(nèi)冷卻液流量Vw計算Qw =Vw* tw* Y w*cwVw= Qw/( tw Y wcw)及額定點(diǎn)水泵流量，此數(shù)值可由發(fā)動機(jī)提供，也可由上述公式進(jìn)行計算得出。4,散熱器迎風(fēng)面積F計算F= Qw / t/ y a/ C p/VQw:額定點(diǎn)散熱量 t :散熱器冷卻空氣進(jìn)出溫差，一般取2030O：空氣比熱容Y a： 空氣的比重V :空氣流速(礦山車和拖拉機(jī)取8m/s，載重車取810m/s，小客車取12 m/s)然后算出芯體的寬 b和高h(yuǎn),最佳比例為b=h。5, 芯體厚度Ir (m)*=卅式中：0散熱器芯體的容積緊湊性系數(shù)，即單位散熱芯部容積所具有的散熱面積，m2/m3。0值越大，散熱器越小，空氣阻力越大。主要取決于散熱片和水管的數(shù)目、布置和形狀，一般取5001000.對于選定的芯部結(jié)構(gòu)，它是一個定值。注：1、在整車空間布置允許的條件下，盡量增大散熱器的迎風(fēng)面積，減薄芯子厚度。這樣可以充分利用 風(fēng)扇的風(fēng)量和車的迎面風(fēng)，提高散熱器的散熱效率。2、貨車散熱器一般采用縱流結(jié)構(gòu)，因為貨車的布置空間較寬裕。而且縱流式結(jié)構(gòu)的散熱器強(qiáng)度及懸 置的可靠性好。轎車由于空間限制，也可采用橫流結(jié)構(gòu)。6, 電子扇風(fēng)量 Va計算：當(dāng)汽車在行