发动机散热器的设计

王鹏

摘 要：散热器是轨道特种车辆乃至整个汽车行业重要附件，其性能的好坏直接影响发动机的散热效果及其动力性、经济性和可靠性，乃至产生安全问题。

关键词：关键词：散热器；芯部；上贮水箱；下贮水箱；管带；冷却管

1 概述

散热器是轨道特种车辆乃至整个汽车行业重要附件，是水冷式内燃机冷却系统中不可缺少的一个组成部分，它的正常工作，保证了发动机乃至整个车辆的工作效率和可靠性。当发动机运转时，机体内部最高温度可达1800 ℃～2000 ℃，与高温燃气相连的零件受到强烈的加热，如不加以适当的冷却，机内温度太高会导致发动机充气系数下降，燃烧不正常，如爆燃、早燃等不良现象，机油变质，零件摩擦加剧，从而引起发动机性能的全面恶化。散热器的作用是将发动机水套内冷却液所携带的多余热量经过二次热交换，在外界强制气流的作用下，将多余的热量散发到空气中[1]。因此，散热器性能的好坏直接影响发动机的散热效果及其动力性、经济性和可靠性，乃至产生安全问题。

2 散热器的设计

散热器的设计以符合发动机在正常工作范围内散热量而设计，同时，满足车辆安装需求的最小空间和维护方便等内容综合考虑。

2.1 散热器的设计要求

散热能力满足发动机在各种工况下的需要；冷却系统消耗功率小，且热机快；体积小，重量轻，便于拆装维修；使用可靠，寿命长，制造成本低。

2.2 散热器的结构

散热器俗称水箱，它主要由上贮水箱、下贮水箱、散热器芯和护风圈组成，此外还有上下进出水口、放水口、放气孔和补水口等[2]。

2.2.1 散热器的结构形式 强制循环式水冷用散热器可分为直流型和横流型。直流型在特种轨道车辆发动机上使用极为广泛。。但是由于它的散热芯子垂直布置，芯子上下分别布置了上、下水室，高度尺寸较大，在发动机罩盖较低的轿车上布置比较困难。所以有些轿车上采用横流型。

2.2.2 散热器芯子的结构形式 散热器芯子是散热器的核心部分，起主要的散热作用，由散热管、散热片（或散热带）、上下主片等组成，用极薄的导热性能好的金属及其合金制造，能使其以最小的质量和尺寸达到最高的散热效果[3]。

2.3 理论依据及计算

2.3.1 散入冷却系统的热量

Qw受许多复杂因素的影响，很难精确计算，可用下列经验公式估算：

Qw=A ge Pe hu / 3600，kj/s ⑴

A-燃料热能传给冷却系的分数，取同类机型的统计量，

ge-燃料消耗率，kg/kw.h；汽油机0.205～0.320 取0.25

Pe-发动机有效功率，

hu-燃料低热值，一般取43100 kj/kg

若水冷式机油散热器，要增加散热量，Qw增大5%～10%.

2.3.2 冷却水的循环量

Vw= Qw/△TwγwCw，m3/s ⑵

Δtw-冷却水循环的容许温升（6°～12°），取8°

rw-水的密度，（1000 kg/m3）

Cw-水比热（4.187 kJ/kg.℃）

考虑到冷却液在各管道中的沿程阻力，实际冷却水循环量为Vp=1.2Vw

2.3.3 冷却空气的需要量Va

Va一般根据散热器的散热量来确定，散热量可近似等于散入冷却系统的热量Qw。

Va= Qw/△taγaCpa，m3/s ⑶

Δta-散热器前后流动空气的温度差，取20℃

ra-空气密度，一般ra取1.01 kg/m3

Cpa-空气的定压比热，可取Cpa=1.047 kJ/kg.℃

2.3.4 散热器所需的散热面积F

已知散热器散发的热量后，所需散热面积F可由下式计算：

K-散热器的传热系数千卡/米2.小时

-散热器贮备系数，水垢及油泥影响等，一般 = 1.1～1.5，取1.1

Δtm-冷却水与空气的平均温差，取26°

散热器的不同部位，其冷却水与空气温差不同，通常采用平均温差，

平均温差Δtm可由下列式计算：

—散热器进水温度，取 90° —散热器出水温度，取

—空气进入散热器时的温度，取20°

—空气离开散热器时的温度，取40°

αw—从冷却水到散热器壁的放热系数，当冷却水流速为0.2～0.6 m/s时，αw约为2000～3500千卡/米2.小时.℃，取3500。

—散热管导热系数，纯铝导热系数为230W/m.k，换算为197.8千卡/米2.小时.℃

δα—散热管壁厚，0.0002 m

αL—散热管到空气的散热系数，当流过散热管的空气流速为10～20m/s时，αL=60～105千卡/米2.小时.℃，取105。

3 散热器材料的选择

在选择散热器的材料时，主要考虑以下几点：传热性能好、抗腐蚀能力强、具有足够的强度、有良好的钎焊性能、易于加工成型及好的经济性。根据以上要求，散热器行业一直以铜及铜合金作为制造主要材料。随着工业的不断发展，对于散热器行业来说，要提高材料的利用率，减少铜的消耗，寻找替代材料，如铝、锌、铁等。由于铝资源较铜丰富，且比重仅为铜的1/3，具有质量轻、散热性能高、原材料成本低、可靠性好、铸造加工性能良好等优点。但其焊接工艺性差、生产设备投入大，限制了铝散热器的广泛应用。直到20世纪80年代，美国采用钎焊工艺制造铝散热器取得成功后，使其规模化生产和应用成为可能。铝制散热器目前已在特种轨道车辆上广泛使用。

参考文献：

[1]杨万福.发动机原理与汽车性能.北京：高等教育出版社，2004.

[2]陆新俭，张翼，苏铁熊.发动机冷却系管路热交换研究.机械管理开发，2007.

[3]张杰.简述发动机冷却系统设计及散热量计算.装备制造技术，2004.■endprint