一種汽車底盤發動機冷卻系統的設計方法

常金麗 李黎黎

摘要：研究了一種用于校核發動機冷卻系統散熱能力的計算方法。該方法通過計算發動機工作所需的散熱量，進而推算所需散熱器的散熱面積，然后通過數據比較選擇合適的冷卻系統。

關鍵詞：冷卻系統；發動機；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

發動機運轉時油料充分燃燒產生大量熱量，如果不加以適當冷卻，會導致機體過熱、機油變質和燒損、零部件磨損加劇，從而影響發動機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扇對發動機機體進行散熱，通過水循環和空氣循環將熱量帶走。

2 冷卻系統概述

冷卻系統的主要組成部件有散熱器、中冷器、膨脹水箱、護風罩以及與發動機連接的各種膠管，如圖1所示。散熱器通過冷卻液循環帶走熱量，屬于大循環，通過節溫器來進行控制，只有水溫達到發動機設定的溫度后散熱器才會工作，低于設定值時發動機內部的小循環水路工作［1］。中冷器通過風扇將內部熱量帶走，從而實現對壓縮后的熱空氣降溫。在實際應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，詳細介紹發動機冷卻系統參數的設計過程。

該油田勘探車屬于特種作業底盤，需要適應野外崎嶇山坡路面，要求發動機功率較大，同時還要滿足長時間的行駛要求，這就對發動機的可靠性提出了比較嚴苛的要求。針對發動機散熱系統要有較為詳細的理論數據作為支撐，而不能只是簡單的參照或者對比選型。以往都會將發動機參數發給散熱器廠家，由廠家來匹配，沒有具體的設計數據，因此散熱系統出現問題往往會比較被動。通過計算得到的結果能更好地反映發動機工作的實際情況，在選用散熱器才更有針對性。

該設計方法也是對散熱系統的經驗總結，能比較快速準確地計算發動機的實際散熱需求，也可以運用到其它車型。

3 發動機主要參數

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 散熱器參數計算

4.1 散熱器散熱功率

發動機燃料燃燒產生的熱能大部分用來做功，一部分熱能會傳遞給冷卻系統，我們將這部分熱能認為是散熱器需要散發的能量［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0.20～0.26 kg/（kW·h），取0.25；Ne為發動機最大功率，取最大功率240 kW；Hu為燃料低熱值，對柴油機取41 870 kJ/kg。

將上述數值代入式（1）得：

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

149 642 kcal /h

即，發動機需要的散熱量為174 kW。

4.2 冷卻水循環量

計算出發動機所需散走的熱量后，可計算冷卻水循環量：

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

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

將上述數值代入式（2）得：

Vw=312 L/min

即，選取的散熱器的水循環流量為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K的確定

散熱器傳熱系數K的計算公式如下：

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

式中，[αw]為冷卻水到散熱器壁的導熱系數，當冷卻水速度為0.2～0.6 m/s時，[αw]約為2 000～3 500 kcal/（m2·h·℃）；λ為散熱管導熱系數（鋁的導熱系數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，當流過散熱管的空氣流速為10～20 m/s時，[αL=]60～105 kcal/（m2·h·℃）。

將上述數值代入式（4）得：

K[=]102 kcal/（m2·h·℃）=427 kJ/（m2·h·℃）

4.4.2 散熱面積計算

散熱器的散熱面積A可由下式計算：

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

式中，K為散熱器的傳熱系數，kcal/（m2·h·℃）；ψ為散熱器貯備系數，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，空氣先對中冷器進行了冷卻，進入散熱器的空氣已經被加熱，取空氣前后平均溫差ta=45℃。

將上述數值代入式（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接近35 m2。

5 風冷式中冷器

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

發動機排出的廢氣的溫度非常高，通過增壓器的熱傳導會提高進氣的溫度。而且，空氣在被壓縮的過程中密度會升高，同時也導致增壓器排出的空氣溫度升高，隨氣壓升高，氧氣密度降低，從而影響發動機的有效充氣效率。如果想要進一步提高充氣效率，就要降低進氣溫度。

5.1 主要參數

風冷式中冷器的主要參數如下：Gah為增壓空氣流量（kg/s）；Gac為冷卻介質流量（kg/s）；CPb為增壓空氣比熱容（J/（kg·℃））；CPW為冷卻介質比熱容（J/（kg·℃））；tb為中冷器進口（熱空氣）溫度（℃）；ts為中冷器出口（冷卻后空氣）溫度（℃）；tw1為冷卻介質進口溫度（℃）；tw2為冷卻介質出口溫度（℃）。

5.2 中冷器的散熱量

中冷器的散熱量Q是指冷卻介質將進入中冷器的熱空氣降溫后所吸收的熱量，其計算公式如下：

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

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

將上述數值代入式（6）計算得：

Q=52 kW

5.3 冷卻介質出口溫度

冷卻介質通過中冷器后溫度會升高，其計算公式如下：

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

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

將上述數值代入式（7）計算得：

tw2=35 ℃

5.4 中冷器的傳熱系數K

中冷器本身的傳熱系數計算過程較為復雜，涉及的參數也較多，在實際計算時可以參考該相同結構產品的傳熱系數。

傳熱系數計算公式如下：

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

該參數計算比較復雜，通過比較同結構產品，可以取K=54.4 W/（m2·K）。

5.5 利用對數平均溫差校核中冷器散熱面積

5.5.1 對數平均溫差[Δtm]

對數平均溫差計算公式如下：

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

代入數值計算可得：

[Δtm=62.5 K]

5.5.2 散熱面積校核

散熱面積校核計算如下：

Ab=[ Q（KΔtm） ]=15.3 m2

計算所得的中冷器散熱面積與實際散熱面積會存在一些誤差，可以根據實際所需適當更改中冷器的設計參數來滿足實際要求。

6 膨脹水箱設計

6.1 設計原則

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

6.2 結構形式

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，節省連接水管數量，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構，將膨脹水箱安裝在駕駛室前部，通過水管與散熱器連接。

7 結語

冷卻系統設計是發動機能夠正常平穩工作的重要環節，發動機過熱或者過冷都會對發動機自身性能產生不利影響，縮短使用壽命。所以，通過計算校核冷卻系統的散熱能力就能夠很容易選擇散熱器的規格，從而匹配適宜的散熱器和中冷器。

總之，發動機的散熱系統是一個非常重要的部分，它可以保證發動機的高效運轉，提高發動機的壽命，為用戶提供更加可靠的使用體驗。

參考文獻：

[1]柴油機設計手冊編輯委員會.柴油機設計手冊[M].北京：中國農業機械出版社，1984.

[2]黎蘇，李明海.西安交通大學.內燃機原理[M].北京：中國農業機械出版社，1981.

[3]俞佐平.傳熱學[M].北京：人民教育出版社，1979.

[4]楊連生.內燃機設計[M].北京：中國農業機械出版社，1980.

[5]劉永平.機車柴油機結構設計[M].北京：中國鐵道出版社，1981.

作者簡介：

常金麗，女，1978年生，副教授，研究方向為機械設計及理論。