一種汽車底盤發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

常金麗 李黎黎

摘要：研究了一種用于校核發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱能力的計(jì)算方法。該方法通過計(jì)算發(fā)動機(jī)工作所需的散熱量，進(jìn)而推算所需散熱器的散熱面積，然后通過數(shù)據(jù)比較選擇合適的冷卻系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng)；發(fā)動機(jī)；散熱器；中冷器；散熱面積；膨脹水箱

中圖分類號：U463.1? 收稿日期：2023-10-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.008

1 前言

發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)油料充分燃燒產(chǎn)生大量熱量，如果不加以適當(dāng)冷卻，會導(dǎo)致機(jī)體過熱、機(jī)油變質(zhì)和燒損、零部件磨損加劇，從而影響發(fā)動機(jī)的工作效率和使用壽命。因此，必須要通過有冷卻液的散熱器和風(fēng)扇對發(fā)動機(jī)機(jī)體進(jìn)行散熱，通過水循環(huán)和空氣循環(huán)將熱量帶走。

2 冷卻系統(tǒng)概述

冷卻系統(tǒng)的主要組成部件有散熱器、中冷器、膨脹水箱、護(hù)風(fēng)罩以及與發(fā)動機(jī)連接的各種膠管，如圖1所示。散熱器通過冷卻液循環(huán)帶走熱量，屬于大循環(huán)，通過節(jié)溫器來進(jìn)行控制，只有水溫達(dá)到發(fā)動機(jī)設(shè)定的溫度后散熱器才會工作，低于設(shè)定值時(shí)發(fā)動機(jī)內(nèi)部的小循環(huán)水路工作［1］。中冷器通過風(fēng)扇將內(nèi)部熱量帶走，從而實(shí)現(xiàn)對壓縮后的熱空氣降溫。在實(shí)際應(yīng)用中要充分考慮散熱器和中冷器的散熱能力，在有限的空間里，盡量將散熱器和中冷器做大，提高散熱器的散熱效率［2］。

本文以一款4×4油田勘探車底盤為例，詳細(xì)介紹發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)過程。

該油田勘探車屬于特種作業(yè)底盤，需要適應(yīng)野外崎嶇山坡路面，要求發(fā)動機(jī)功率較大，同時(shí)還要滿足長時(shí)間的行駛要求，這就對發(fā)動機(jī)的可靠性提出了比較嚴(yán)苛的要求。針對發(fā)動機(jī)散熱系統(tǒng)要有較為詳細(xì)的理論數(shù)據(jù)作為支撐，而不能只是簡單的參照或者對比選型。以往都會將發(fā)動機(jī)參數(shù)發(fā)給散熱器廠家，由廠家來匹配，沒有具體的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，因此散熱系統(tǒng)出現(xiàn)問題往往會比較被動。通過計(jì)算得到的結(jié)果能更好地反映發(fā)動機(jī)工作的實(shí)際情況，在選用散熱器才更有針對性。

該設(shè)計(jì)方法也是對散熱系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，能比較快速準(zhǔn)確地計(jì)算發(fā)動機(jī)的實(shí)際散熱需求，也可以運(yùn)用到其它車型。

3 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

型號：MCO7H.33-60。

型式：直列六缸、四沖程、水冷、增壓。

排量：7 360 mL。

氣缸直徑與行程：108 mm×134 mm。

額定功率：240 kW（2 200 r/min）。

最大扭距：1 412 N·m（1 200～1 600 r/min）。

4 散熱器參數(shù)計(jì)算

4.1 散熱器散熱功率

發(fā)動機(jī)燃料燃燒產(chǎn)生的熱能大部分用來做功，一部分熱能會傳遞給冷卻系統(tǒng)，我們將這部分熱能認(rèn)為是散熱器需要散發(fā)的能量［3］，可以用以下公式估算：

[Qw=AGeNeHu3 600（kW）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，A為散熱器需要散發(fā)的燃料熱量比，一般情況下，A=0.18～0.25，取0.25；Ge為燃料消耗比，柴油機(jī)0.20～0.26 kg/（kW·h），取0.25；Ne為發(fā)動機(jī)最大功率，取最大功率240 kW；Hu為燃料低熱值，對柴油機(jī)取41 870 kJ/kg。

將上述數(shù)值代入式（1）得：

[Qw=0.25×0.25×240×41 8703 600 kW]=174 kW=

149 642 kcal /h

即，發(fā)動機(jī)需要的散熱量為174 kW。

4.2 冷卻水循環(huán)量

計(jì)算出發(fā)動機(jī)所需散走的熱量后，可計(jì)算冷卻水循環(huán)量：

[Vw=QΔtwγwCw（m3/s）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[Δtw]為冷卻水循環(huán)的容許溫升（6 ℃～12 ℃），取[Δtw=]8 ℃；[rw]為水的密度（1 000 kg/m3）；[Cw]為水比熱（4.187 kJ/（kg·℃））。

將上述數(shù)值代入式（2）得：

Vw=312 L/min

即，選取的散熱器的水循環(huán)流量為312 L/min。

4.3 冷卻空氣用量

冷卻空氣用量Va通常等同于散熱器的散熱功率QW，冷卻空氣需要量如下：

[Va=Qw/（ΔtraCpa）=174/（20×1.01×1.005）m3/s] =8.57 m3/s （3）

式中，Δt為空氣流經(jīng)散熱器前后的溫差，通常Δt＝10～30 ℃，取20 ℃；[ra]為空氣密度，一般取1.01 kg/m3；Cp為空氣的定壓比熱容，Cp=1.005 kJ/（kg·K）。

4.4 散熱器能力校核

4.4.1 散熱器傳熱系數(shù)K的確定

散熱器傳熱系數(shù)K的計(jì)算公式如下：

[K=11αw+δλ+1αa]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

式中，[αw]為冷卻水到散熱器壁的導(dǎo)熱系數(shù)，當(dāng)冷卻水速度為0.2～0.6 m/s時(shí)，[αw]約為2 000～3 500 kcal/（m2·h·℃）；λ為散熱管導(dǎo)熱系數(shù)（鋁的導(dǎo)熱系數(shù)237 W/（m·k））；[δ]為散熱管壁厚，一般可取0.15～0.2 mm；[αL]為散熱管到空氣的散熱系數(shù)，當(dāng)流過散熱管的空氣流速為10～20 m/s時(shí)，[αL=]60～105 kcal/（m2·h·℃）。

將上述數(shù)值代入式（4）得：

K[=]102 kcal/（m2·h·℃）=427 kJ/（m2·h·℃）

4.4.2 散熱面積計(jì)算

散熱器的散熱面積A可由下式計(jì)算：

[A=ψQW/（KΔt）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

式中，K為散熱器的傳熱系數(shù)，kcal/（m2·h·℃）；ψ為散熱器貯備系數(shù)，水垢及油泥影響等，一般ψ=1.1～1.5，取1.1；Δt為冷卻水和空氣的平均溫差，取柴油機(jī)最高允許出水溫度tw=90℃，由于散熱器前裝了中冷器，空氣先對中冷器進(jìn)行了冷卻，進(jìn)入散熱器的空氣已經(jīng)被加熱，取空氣前后平均溫差ta=45℃。

將上述數(shù)值代入式（5）得：

[A=1.1×174×3 600/（427×（90-45）） m2=35.86 m2]

因此，選取的散熱器的散熱面積應(yīng)接近35 m2。

5 風(fēng)冷式中冷器

中冷器一般由鋁合金材料制成，按照冷卻介質(zhì)的不同，常見的中冷器可以分為風(fēng)冷式和水冷式兩種［4］。

發(fā)動機(jī)排出的廢氣的溫度非常高，通過增壓器的熱傳導(dǎo)會提高進(jìn)氣的溫度。而且，空氣在被壓縮的過程中密度會升高，同時(shí)也導(dǎo)致增壓器排出的空氣溫度升高，隨氣壓升高，氧氣密度降低，從而影響發(fā)動機(jī)的有效充氣效率。如果想要進(jìn)一步提高充氣效率，就要降低進(jìn)氣溫度。

5.1 主要參數(shù)

風(fēng)冷式中冷器的主要參數(shù)如下：Gah為增壓空氣流量（kg/s）；Gac為冷卻介質(zhì)流量（kg/s）；CPb為增壓空氣比熱容（J/（kg·℃））；CPW為冷卻介質(zhì)比熱容（J/（kg·℃））；tb為中冷器進(jìn)口（熱空氣）溫度（℃）；ts為中冷器出口（冷卻后空氣）溫度（℃）；tw1為冷卻介質(zhì)進(jìn)口溫度（℃）；tw2為冷卻介質(zhì)出口溫度（℃）。

5.2 中冷器的散熱量

中冷器的散熱量Q是指冷卻介質(zhì)將進(jìn)入中冷器的熱空氣降溫后所吸收的熱量，其計(jì)算公式如下：

Q=GahCPb（tb-ts）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

式中，Gah=0.32 kg/s（由發(fā)動機(jī)廠家提供）；CPb=1.026 kJ/（kg·℃）；tb=200 ℃；ts=40 ℃。

將上述數(shù)值代入式（6）計(jì)算得：

Q=52 kW

5.3 冷卻介質(zhì)出口溫度

冷卻介質(zhì)通過中冷器后溫度會升高，其計(jì)算公式如下：

[tw2=tw1+Q/（CpwGac）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中，tw1=25 ℃（環(huán)境溫度）；Cpw=1.005 kJ/（kg·℃）;Gac=0.45 m2×1.184 kg/m3×10 m/s=5.32 kg/s。

將上述數(shù)值代入式（7）計(jì)算得：

tw2=35 ℃

5.4 中冷器的傳熱系數(shù)K

中冷器本身的傳熱系數(shù)計(jì)算過程較為復(fù)雜，涉及的參數(shù)也較多，在實(shí)際計(jì)算時(shí)可以參考該相同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的傳熱系數(shù)。

傳熱系數(shù)計(jì)算公式如下：

[1K=1?b+r1+r2+r3+r4+1?wAbAw]

該參數(shù)計(jì)算比較復(fù)雜，通過比較同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，可以取K=54.4 W/（m2·K）。

5.5 利用對數(shù)平均溫差校核中冷器散熱面積

5.5.1 對數(shù)平均溫差[Δtm]

對數(shù)平均溫差計(jì)算公式如下：

[Δtm=（tb-tw2）-（ts-tw1）/ln（tb-tw2）/（ts-tw1）]

代入數(shù)值計(jì)算可得：

[Δtm=62.5 K]

5.5.2 散熱面積校核

散熱面積校核計(jì)算如下：

Ab=[ Q（KΔtm） ]=15.3 m2

計(jì)算所得的中冷器散熱面積與實(shí)際散熱面積會存在一些誤差，可以根據(jù)實(shí)際所需適當(dāng)更改中冷器的設(shè)計(jì)參數(shù)來滿足實(shí)際要求。

6 膨脹水箱設(shè)計(jì)

6.1 設(shè)計(jì)原則

冷卻液在發(fā)動機(jī)冷卻回路流動，隨溫度升高體積膨脹，為吸收這部分膨脹體積而設(shè)置了膨脹水箱，膨脹水箱高度要高于冷卻系統(tǒng)的所有部件，盡量靠近散熱器布置，使得水管長度最短［5］。膨脹水箱的容積應(yīng)為散熱器水箱容積的4%～6%。

6.2 結(jié)構(gòu)形式

6.2.1 整體式

膨脹水箱與散熱器組裝成一體，適合大空間布置，節(jié)省連接水管數(shù)量，通常用于不受空間限制的車型。

6.2.2 分離式

膨脹水箱與散熱器分離，單獨(dú)裝配，需要增加連接水管，通常用于水箱布置空間有限，膨脹水箱需要單獨(dú)安裝的車型。

該4×4車型由于駕駛室底部空間有限，膨脹水箱采用了分離式結(jié)構(gòu)，將膨脹水箱安裝在駕駛室前部，通過水管與散熱器連接。

7 結(jié)語

冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是發(fā)動機(jī)能夠正常平穩(wěn)工作的重要環(huán)節(jié)，發(fā)動機(jī)過熱或者過冷都會對發(fā)動機(jī)自身性能產(chǎn)生不利影響，縮短使用壽命。所以，通過計(jì)算校核冷卻系統(tǒng)的散熱能力就能夠很容易選擇散熱器的規(guī)格，從而匹配適宜的散熱器和中冷器。

總之，發(fā)動機(jī)的散熱系統(tǒng)是一個非常重要的部分，它可以保證發(fā)動機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，提高發(fā)動機(jī)的壽命，為用戶提供更加可靠的使用體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

常金麗，女，1978年生，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。