汽車?yán)鋮s系統(tǒng)匹配性探討

1、 設(shè)計(jì)與計(jì)算汽車?yán)鋮s系統(tǒng)匹配性探討總后軍事交通運(yùn)輸研究所楊小松摘要本文通過對(duì)冷卻系統(tǒng)各部件的計(jì)算和特性分析, 提出了汽車?yán)鋮s系統(tǒng)匹配的優(yōu)化方法。敘詞:汽車?yán)鋮s系計(jì)算方法匹配1概述汽車水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套、冷卻水泵、節(jié)溫器、冷卻風(fēng)扇等部件組成, 發(fā)動(dòng)機(jī)的幾個(gè)特殊工況為最低轉(zhuǎn)速工況(即怠速工況 、最大扭矩工況、最大功率工況和最大轉(zhuǎn)速工況。進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的計(jì)算和匹配時(shí), 對(duì)輕型車或轎車以最大功率工況為設(shè)計(jì)工況點(diǎn), 以最大扭矩工況為校核點(diǎn); 對(duì)中型以上載貨車則以最大扭矩工況為設(shè)計(jì)工況點(diǎn), 以最大功率工況為校核點(diǎn)。我們主要對(duì)輕型車或轎車?yán)鋮s系統(tǒng)的計(jì)算和匹配進(jìn)行分析、探討。i 氣缸數(shù); D

2、 氣缸直徑, c n 31000kg m ;W , 取C W =(kg K ; 4. 187kJQ W 冷卻水帶走的熱量,數(shù), 60. 65;H u 燃料的低熱值, 取H=43930kJ kg ;kJ s 。uH u 燃料燃燒不完全損失的熱量, 取H u =2476kJ kg ;空氣過量系數(shù), 最低轉(zhuǎn)速時(shí)=0. 86, 其他工況=0. 96?？紤]到水泵內(nèi)部可能有泄漏、水套銹蝕積存水垢等因素, 水泵的實(shí)際供水量V W 應(yīng)大于理論供水量W , 但不能過大, 一般取理論供水V 量的1. 21. 6倍為宜。即:1. 6 V W V W =(1. 2(3還應(yīng)當(dāng)說(shuō)明, 對(duì)于冷卻水泵和冷卻風(fēng)扇同軸, 并通過

3、皮帶一級(jí)傳動(dòng)與發(fā)電機(jī)軸連接的汽車, 水泵轉(zhuǎn)速n 泵為:n 泵=(D 1 D 2 n(43水泵的選擇計(jì)算和匹配水泵是強(qiáng)制循環(huán)水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系中的主要部件之一, 在設(shè)計(jì)冷卻系時(shí), 應(yīng)選擇相應(yīng)供水能力的水泵, 既要保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最惡劣工況下不發(fā)生過熱現(xiàn)象, 又要防止過量供水消耗能量。3. 1水泵供水量的確定式中:D 1曲軸上皮帶輪的計(jì)算直徑;D 2水泵軸上皮帶輪的計(jì)算直徑;n 發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速。2冷卻系統(tǒng)散掉的熱量一般來(lái)說(shuō), 水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)通過水介質(zhì)散掉的熱量Q W 占汽油機(jī)燃料能量的23%30%。應(yīng)通過試驗(yàn)測(cè)出實(shí)際Q W 值; 如條件不具備, 可由以下推薦的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算:1+2M m(Q W

4、=ci D n (H u -H u H u (1 式中:c 四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的比例系數(shù), c =0. 450. 53, 對(duì)輕型車或轎車取下限, 對(duì)中型以上載貨車取上限; 24水泵供水量應(yīng)以發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系設(shè)計(jì)工況條件的散熱要求確定?？捎上率角蟪?(t W (2 V W =Q W W C W 式中:V 發(fā)動(dòng)機(jī)所需理論供W 水量, m 3 s ;t W 冷卻水在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)循環(huán)允許的溫升, 一般在59之間; 水的密度, 取W W =因此, 我們把發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速n e 下工作時(shí), 由(4 式求出的水泵轉(zhuǎn)速為n 泵所對(duì)應(yīng)的水泵流量, 作為選擇水泵的一個(gè)依據(jù)。3. 2水泵泵水壓力p 的確定水泵泵水壓力應(yīng)當(dāng)足以克服

5、冷卻系統(tǒng)中所有的液體流動(dòng)阻力, 并獲得必要的冷卻水循環(huán)的流動(dòng)速度。一般由試驗(yàn)測(cè)出, 也可由下列經(jīng)驗(yàn)值確定, 即p =150kPa 。3. 3水泵特性和系統(tǒng)阻力特性及其匹配汽車研究與開發(fā) 設(shè)計(jì)與計(jì)算水泵的泵水壓力與流量有關(guān), 可用下式表示:p =f (V W 。圖1中示出其特性曲線1。圖中還示出了系統(tǒng)流動(dòng)阻力特性曲線2。由水泵特性可知, 隨著水泵泵水壓力的逐漸增大, 泵水量逐漸減少, 當(dāng)泵水壓力增大到某一值時(shí), 與系統(tǒng)阻力平衡, 曲線1與曲線2交于B 點(diǎn), 該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的水流量V W B 即為水泵穩(wěn)定泵水量, 該值應(yīng)與(3 式中求出的V W 值接近, 否則, 必須調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速或重新選擇水泵, 以達(dá)

6、到最佳匹配 。C 空空氣的比熱, 取C 空=(kg K ; 1000JT 散熱器的空氣溫差, 。(7 T =t a 1+0. 5t a式中:t a 1散熱器冷卻空氣進(jìn)口溫度, ;t a 散熱器冷卻空氣進(jìn)出口溫差, 。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)型散熱器1取, 輕型散熱器t a 1取34, 器t a 1取52, t a 取12, 90100mm 時(shí)t a 取1538。圖3是在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速保持一定情況下的流量特性曲線。圖中繪出了不同轉(zhuǎn)速時(shí)扇風(fēng)壓力和風(fēng)扇效率隨扇風(fēng)量的變化曲線, 轉(zhuǎn)速n 1>n 2>由圖可知, 在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為一定的n 3。情況下, 風(fēng)扇的靜壓力增加時(shí), 扇風(fēng)量逐漸下降, 當(dāng)扇風(fēng)壓力增加到某一數(shù)值時(shí)

7、, 即使壓力有很小變化, 扇, 說(shuō)明風(fēng)扇已在不穩(wěn)。將不同轉(zhuǎn)速振線(圖中未表示 。在喘振線的左邊為風(fēng)扇非穩(wěn)定工作區(qū), 空氣流量不穩(wěn)定, 發(fā)生喘振, 發(fā)出噪聲; 在喘振線的右邊為風(fēng)扇穩(wěn)定工作區(qū)。另外, 從圖3中看出, 風(fēng)扇效率大小是隨扇風(fēng)量的變化而變化的, 將不同轉(zhuǎn)速下最大效率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的扇風(fēng)壓力點(diǎn)(見圖3中A 1、A 2、A 3點(diǎn) 相連接, 就形成了最大效率點(diǎn)連接, 很顯然, 該線在喘振線右邊, 即在穩(wěn)定工 作區(qū)。5冷卻風(fēng)扇的特性和選擇在汽車上, 使空氣通過散熱器的裝置是軸流式風(fēng)扇。風(fēng)扇可由金屬或塑料制成。與金屬風(fēng)扇相比, 塑圖1水泵特性曲線4散熱器散熱能力和冷卻系統(tǒng)所需風(fēng)量的確定4. 1散熱器散

8、熱能力的確定新的散熱器在使用一段時(shí)間以后, 由于水垢的生成而使少量水管堵塞, 散熱性能下降10%左右; 此外, 由于壓力蓋泄漏以及氣流分布不均, 也會(huì)使其散熱能力下降5%10%。因此, 我們選用散熱器時(shí), 它的散熱能力Q m ax 應(yīng)比水套散掉的熱量Q w 高出15%20%。即:(5 1. 20 Q w Q m ax =(1. 154. 2冷卻系統(tǒng)所需風(fēng)量的確定料風(fēng)扇的優(yōu)點(diǎn)是制造成本低、風(fēng)量大, 能在各種轉(zhuǎn)速下變化葉型的攻角, 從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷、低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷等各種工況條件所需的風(fēng)量, 且在高轉(zhuǎn)速時(shí)耗功少。風(fēng)扇的特性分速度特性和流量特性。改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速, 依次測(cè)定不同轉(zhuǎn)速時(shí)的扇風(fēng)壓力p

9、 、扇風(fēng)量Q 、風(fēng)扇功率N f 和效率, 即可得到風(fēng)扇的速度特性, 見圖2。由圖2可看出, 風(fēng)扇的扇風(fēng)量與轉(zhuǎn)速成正比, 功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正比, 壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比。圖3風(fēng)扇流量特性曲線6冷卻系統(tǒng)內(nèi)空氣流動(dòng)阻力的確定冷卻系統(tǒng)內(nèi)空氣流動(dòng)阻力p 系統(tǒng)(Pa 表示如下:2p 系統(tǒng)=Q ,要想將發(fā)動(dòng)機(jī)傳給冷卻介質(zhì)的熱量散掉, 必須有足夠的空氣通過散熱器, 空氣量可由下式確定:(6 Q 空=Q W 空C 空T 3式中:空氣的密度, kg 空m ;(8圖2風(fēng)扇速度特性曲線式中:與進(jìn)風(fēng)道的形狀、大小等因素有關(guān)的系數(shù);251999年第2期 設(shè)計(jì)與計(jì)算Q 通過進(jìn)風(fēng)道的空氣量,3m s 。P 系統(tǒng)與Q 之間

10、的關(guān)系曲線稱為系統(tǒng)阻力特性曲線, 見圖4。顯然, 發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)氣道的阻力隨著冷卻空氣量的變化情況表現(xiàn)為拋物線型。不同型式的發(fā)動(dòng)機(jī), 冷卻系統(tǒng)具有不同的阻力特性曲線; 在同一型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)上, 當(dāng)調(diào)節(jié)散熱器進(jìn)氣百葉窗的開度, 或改變進(jìn)風(fēng)格柵的進(jìn)風(fēng)口大小時(shí), 即可改變系數(shù), 得到不同的阻力特性曲線, 見圖4中1、2、3線 。(10 p 行駛+p 扇=p 系統(tǒng)當(dāng)汽車在坡道或泥濘等惡劣路況行駛時(shí), 因車速低, 這樣由汽車行駛而產(chǎn)生的迎風(fēng)壓力p 很小, 可略去。這樣(10 式可簡(jiǎn)化為:(11 p 扇=p 系統(tǒng)點(diǎn)為A , 所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)風(fēng)量為Q B , 應(yīng)使Q B =Q 空, 可通過風(fēng)扇定律確定2線的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

11、n 2=n 1(Q 空 Q A ; 二是通過選擇風(fēng)阻小的散熱器或改善系統(tǒng)空氣阻力特性, 使阻力減小, 見圖中B 線與線1交于B 點(diǎn), 所對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)空氣流量Q B 與。反之, 如果A Q 空值大得較多, 則發(fā), 可采取增大風(fēng)節(jié)。但應(yīng)該看到, 增加風(fēng)阻可使A 點(diǎn)左移, 可能使風(fēng)扇工作在非穩(wěn)定區(qū), 所以現(xiàn)在多數(shù)輕型車或轎車均采用風(fēng)扇離合器, 以改變風(fēng)扇轉(zhuǎn)速, 使冷卻系統(tǒng)達(dá)到良好匹配。(2 A 點(diǎn)應(yīng)在風(fēng)扇特性曲線的穩(wěn)定工作區(qū), 若A 點(diǎn)落在喘振線的左邊, 則系統(tǒng)進(jìn)氣不穩(wěn)定, 發(fā)生喘振, 出現(xiàn)異常噪聲, 且風(fēng)扇效率低。要改變這種狀況, 可減小進(jìn)氣系統(tǒng)阻力, 一般應(yīng)重新選擇合適風(fēng)扇進(jìn)圖5就是冷卻風(fēng)扇與系統(tǒng)

12、阻力的匹配圖。由圖看出, 當(dāng)風(fēng)扇工作時(shí), 隨著空氣流動(dòng)的增加, , , , 而空氣流量穩(wěn)定在曲線交點(diǎn)下方空氣流量坐標(biāo)上所表明的Q A 量值上 。圖4系統(tǒng)阻力特性曲線因不易確定, 需進(jìn)行估算。由試驗(yàn)和資料表明, 冷卻系統(tǒng)空氣阻力為散熱器阻力的1. 51. 7倍。即:1. 7 p 散(9 p 系統(tǒng)=(1. 5式中:p 散散熱器的空氣阻力。圖5冷卻風(fēng)扇與冷卻系統(tǒng)匹配圖行匹配。(3 A 點(diǎn)應(yīng)在風(fēng)扇的高效率區(qū), 即A 點(diǎn)在最大效率線附近, 若A 點(diǎn)偏離最大效率線右邊太多, 則風(fēng)扇效率低, 功率損失大?？刹扇p小散熱器百葉窗開度或進(jìn)風(fēng)道加阻流板等措施改變系統(tǒng)阻力, 使A 點(diǎn)接近最大效率線?？傊? 影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的因素比較多, 我們?cè)趯?shí)際工作中, 對(duì)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)匹配時(shí)要考慮到各種因素, 進(jìn)行比較、試驗(yàn)等, 方可達(dá)到最佳效果。收稿日期:1998-11-16發(fā)動(dòng)機(jī)要正常工作、冷卻系統(tǒng)要達(dá)到最佳匹配, 還必須滿足如下條件:(1 冷卻系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量Q A 應(yīng)與由(6 式計(jì)算出的所需風(fēng)量Q 空相接近, 這是對(duì)冷卻系