一种汽车底盘发动机冷却系统的设计方法
2024-03-09常金丽李黎黎
常金丽 李黎黎
摘要：研究了一种用于校核发动机冷却系统散热能力的计算方法。该方法通过计算发动机工作所需的散热量，进而推算所需散热器的散热面积，然后通过数据比较选择合适的冷却系统。
关键词：冷却系统；发动机；散热器；中冷器；散热面积；膨胀水箱
中图分类号：U463.1 收稿日期：2023-10-20
DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.02.008
1 前言
发动机运转时油料充分燃烧产生大量热量，如果不加以适当冷却，会导致机体过热、机油变质和烧损、零部件磨损加剧，从而影响发动机的工作效率和使用寿命。因此，必须要通过有冷却液的散热器和风扇对发动机机体进行散热，通过水循环和空气循环将热量带走。
2 冷却系统概述
冷却系统的主要组成部件有散热器、中冷器、膨胀水箱、护风罩以及与发动机连接的各种胶管，如图1所示。散热器通过冷却液循环带走热量，属于大循环，通过节温器来进行控制，只有水温达到发动机设定的温度后散热器才会工作，低于设定值时发动机内部的小循环水路工作［1］。中冷器通过风扇将内部热量带走，从而实现对压缩后的热空气降温。在实际应用中要充分考虑散热器和中冷器的散热能力，在有限的空间里，尽量将散热器和中冷器做大，提高散热器的散热效率［2］。
本文以一款4×4油田勘探车底盘为例，详细介绍发动机冷却系统参数的设计过程。
该油田勘探车属于特种作业底盘，需要适应野外崎岖山坡路面，要求发动机功率较大，同时还要满足长时间的行驶要求，这就对发动机的可靠性提出了比较严苛的要求。针对发动机散热系统要有较为详细的理论数据作为支撑，而不能只是简单的参照或者对比选型。以往都会将发动机参数发给散热器厂家，由厂家来匹配，没有具体的设计数据，因此散热系统出现问题往往会比较被动。通过计算得到的结果能更好地反映发动机工作的实际情况，在选用散热器才更有针对性。
该设计方法也是对散热系统的经验总结，能比较快速准确地计算发动机的实际散热需求，也可以运用到其它车型。
3 发动机主要参数
型号：MCO7H.33-60。
型式：直列六缸、四冲程、水冷、增压。
排量：7 360 mL。
气缸直径与行程：108 mm×134 mm。
额定功率：240 kW（2 200 r/min）。
最大扭距：1 412 N·m（1 200～1 600 r/min）。
4 散热器参数计算
4.1 散热器散热功率
发动机燃料燃烧产生的热能大部分用来做功，一部分热能会传递给冷却系统，我们将这部分热能认为是散热器需要散发的能量［3］，可以用以下公式估算：
[Qw=AGeNeHu3 600（kW）] （1）
式中，A为散热器需要散发的燃料热量比，一般情况下，A=0.18～0.25，取0.25；Ge为燃料消耗比，柴油机0.20～0.26 kg/（kW·h），取0.25；Ne为发动机最大功率，取最大功率240 kW；Hu为燃料低热值，对柴油机取41 870 kJ/kg。
将上述数值代入式（1）得：
[Qw=0.25×0.25×240×41 8703 600 kW]=174 kW=
149 642 kcal /h
即，发动机需要的散热量为174 kW。
4.2 冷却水循环量
计算出发动机所需散走的热量后，可计算冷却水循环量：
[Vw=QΔtwγwCw（m3/s）] （2）
式中，[Δtw]为冷却水循环的容许温升（6 ℃～12 ℃），取[Δtw=]8 ℃；[rw]为水的密度（1 000 kg/m3）；[Cw]为水比热（4.187 kJ/（kg·℃））。
将上述数值代入式（2）得：
Vw=312 L/min
即，选取的散热器的水循环流量为312 L/min。
4.3 冷却空气用量
冷却空气用量Va通常等同于散热器的散热功率QW，冷却空气需要量如下：
[Va=Qw/（ΔtraCpa）=174/（20×1.01×1.005）m3/s] =8.57 m3/s （3）
式中，Δt为空气流经散热器前后的温差，通常Δt＝10～30 ℃，取20 ℃；[ra]为空气密度，一般取1.01 kg/m3；Cp为空气的定压比热容，Cp=1.005 kJ/（kg·K）。
4.4 散热器能力校核
4.4.1 散热器传热系数K的确定
散热器传热系数K的计算公式如下：
[K=11αw+δλ+1αa] （4）
式中，[αw]為冷却水到散热器壁的导热系数，当冷却水速度为0.2～0.6 m/s时，[αw]约为2 000～3 500 kcal/（m2·h·℃）；λ为散热管导热系数（铝的导热系数237 W/（m·k））；[δ]为散热管壁厚，一般可取0.15～0.2 mm；[αL]为散热管到空气的散热系数，当流过散热管的空气流速为10～20 m/s时，[αL=]60～105 kcal/（m2·h·℃）。
将上述数值代入式（4）得：
K[=]102 kcal/（m2·h·℃）=427 kJ/（m2·h·℃）
4.4.2 散热面积计算
散热器的散热面积A可由下式计算：
[A=ψQW/（KΔt）] （5）
式中，K为散热器的传热系数，kcal/（m2·h·℃）；ψ为散热器贮备系数，水垢及油泥影响等，一般ψ=1.1～1.5，取1.1；Δt为冷却水和空气的平均温差，取柴油机最高允许出水温度tw=90℃，由于散热器前装了中冷器，空气先对中冷器进行了冷却，进入散热器的空气已经被加热，取空气前后平均温差ta=45℃。
将上述数值代入式（5）得：
[A=1.1×174×3 600/（427×（90-45）） m2=35.86 m2]
因此，选取的散热器的散热面积应接近35 m2。
5 风冷式中冷器
中冷器一般由铝合金材料制成，按照冷却介质的不同，常见的中冷器可以分为风冷式和水冷式两种［4］。
发动机排出的废气的温度非常高，通过增压器的热传导会提高进气的温度。而且，空气在被压缩的过程中密度会升高，同时也导致增压器排出的空气温度升高，随气压升高，氧气密度降低，从而影响发动机的有效充气效率。如果想要进一步提高充气效率，就要降低进气温度。
5.1 主要参数
风冷式中冷器的主要参数如下：Gah为增压空气流量（kg/s）；Gac为冷却介质流量（kg/s）；CPb為增压空气比热容（J/（kg·℃））；CPW为冷却介质比热容（J/（kg·℃））；tb为中冷器进口（热空气）温度（℃）；ts为中冷器出口（冷却后空气）温度（℃）；tw1为冷却介质进口温度（℃）；tw2为冷却介质出口温度（℃）。
5.2 中冷器的散热量
中冷器的散热量Q是指冷却介质将进入中冷器的热空气降温后所吸收的热量，其计算公式如下：
Q=GahCPb（tb-ts） （6）
式中，Gah=0.32 kg/s（由发动机厂家提供）；CPb=1.026 kJ/（kg·℃）；tb=200 ℃；ts=40 ℃。
将上述数值代入式（6）计算得：
Q=52 kW
5.3 冷却介质出口温度
冷却介质通过中冷器后温度会升高，其计算公式如下：
[tw2=tw1+Q/（CpwGac）] （7）
式中，tw1=25 ℃（环境温度）；Cpw=1.005 kJ/（kg·℃）;Gac=0.45 m2×1.184 kg/m3×10 m/s=5.32 kg/s。
将上述数值代入式（7）计算得：
tw2=35 ℃
5.4 中冷器的传热系数K
中冷器本身的传热系数计算过程较为复杂，涉及的参数也较多，在实际计算时可以参考该相同结构产品的传热系数。
传热系数计算公式如下：
[1K=1?b+r1+r2+r3+r4+1?wAbAw]
该参数计算比较复杂，通过比较同结构产品，可以取K=54.4 W/（m2·K）。
5.5 利用对数平均温差校核中冷器散热面积
5.5.1 对数平均温差[Δtm]
对数平均温差计算公式如下：
[Δtm=（tb-tw2）-（ts-tw1）/ln（tb-tw2）/（ts-tw1）]
代入数值计算可得：
[Δtm=62.5 K]
5.5.2 散热面积校核
散热面积校核计算如下：
Ab=[ Q（KΔtm） ]=15.3 m2
计算所得的中冷器散热面积与实际散热面积会存在一些误差，可以根据实际所需适当更改中冷器的设计参数来满足实际要求。
6 膨胀水箱设计
6.1 设计原则
冷却液在发动机冷却回路流动，随温度升高体积膨胀，为吸收这部分膨胀体积而设置了膨胀水箱，膨胀水箱高度要高于冷却系统的所有部件，尽量靠近散热器布置，使得水管长度最短［5］。膨胀水箱的容积应为散热器水箱容积的4%～6%。
6.2 结构形式
6.2.1 整体式
膨胀水箱与散热器组装成一体，适合大空间布置，节省连接水管数量，通常用于不受空间限制的车型。
6.2.2 分离式
膨胀水箱与散热器分离，单独装配，需要增加连接水管，通常用于水箱布置空间有限，膨胀水箱需要单独安装的车型。
该4×4车型由于驾驶室底部空间有限，膨胀水箱采用了分离式结构，将膨胀水箱安装在驾驶室前部，通过水管与散热器连接。
7 结语
冷却系统设计是发动机能够正常平稳工作的重要环节，发动机过热或者过冷都会对发动机自身性能产生不利影响，缩短使用寿命。所以，通过计算校核冷却系统的散热能力就能够很容易选择散热器的规格，从而匹配适宜的散热器和中冷器。
总之，发动机的散热系统是一个非常重要的部分，它可以保证发动机的高效运转，提高发动机的寿命，为用户提供更加可靠的使用体验。
参考文献：
[1]柴油机设计手册编辑委员会.柴油机设计手册[M].北京：中国农业机械出版社，1984.
[2]黎苏，李明海.西安交通大学.内燃机原理[M].北京：中国农业机械出版社，1981.
[3]俞佐平.传热学[M].北京：人民教育出版社，1979.
[4]杨连生.内燃机设计[M].北京：中国农业机械出版社，1980.
[5]刘永平.机车柴油机结构设计[M].北京：中国铁道出版社，1981.
作者简介：
常金丽，女，1978年生，副教授，研究方向为机械设计及理论。
