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作者简介:张 杰(1972-),男,黑龙江五常人,助理工程师,主要从事发动机设计工作。
收稿日期:2003-12-28简述发动机冷却系统设计及散热量的计算张 杰(柳州五菱汽车有限责任公司柳州机械厂,广西柳州 545005)摘要:通过介绍内燃机冷却系统,分析不同系统的优缺点,以便于设计人员选择。
了解散热量的计算,掌握设计、选用水泵、散热器和风扇等冷却系统的主要部件。
关键词:内燃机;冷却系统;散热量中图分类号:T K 4 文献标识码:B 文章编号:1672-545X (2004)02-0021-04前言 作为汽车动力的核心,汽车发动机性能的好坏,将直接影响汽车的性能。
内燃机运转时,与高温燃气相接触的零件受到强烈的加热,如不加以适当的冷却,会使内燃机过热,充气系数下降,燃烧不正常(爆燃、早燃等),机油变质和烧损,零件的摩擦和磨损加剧,引起内燃机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。
但是,如果冷却过强,汽油机混合气形成不良,机油被燃油稀释,柴油机工作粗暴,散热损失和摩擦损失增加,零件的磨损加剧,也会使内燃机工作变坏。
因此,选择适当的冷却型式和冷却介质也成为设计发动机的关键。
1 冷却介质 内燃机的发明人奥托(O tto )就是采用水作为冷却气缸的介质。
水具有良好的热容量(比热大),与壁面之间的换热系数较高,而且一般说来,也是比较便宜和随手可得的,这也就是水冷方式目前得到广泛应用的原因。
但水冷方式也存在一些缺点,因为不是任何一种水都适用于作冷却剂,而且至少在运输车辆上常常无法带有足够的水量来实现完全的水冷,为此,冷却本身还要通过空气—水热变换器(冷却水箱)再进行冷却。
这样,就自然联想到可以直接使用空气来作为冷却介质。
但由于空气与壁面的热交换系数较小,必须加大内燃机上的冷却面积才能保证有效的冷却,这当然要在结构设计上付出一定的代价。
利用高温介质如乙二醇(沸腾温度180℃)来代替水作为冷却介质,但由于乙二醇与水相比有比热小、导热系数低和粘度高等一系列缺点,因而其散热效果也不及水冷却系,所以这种冷却形式在目前一般用途的内燃机中已不再使用。
发动机及各主要附件系统匹配设计一、发动机:1、发动机分类及工作原理：发动机是汽车的动力源。
它是将某一形式的能量转变为机械能的机器。
按燃烧种类分类可分为汽油机、柴油机、燃气机及代用燃料机等。
按工作冲程分为四冲程发动机和二冲程发动机。
按工作原理和构造可分为点燃式内燃机、压燃式内燃机、混合式内燃机、转子发动机、燃气轮机、外燃机及电动机等。
也可按缸数、燃烧室型式等分类。
柴油机是内燃机的一种，是把柴油和空气混合后直接输入机器内部燃烧而产生热能，然后再转变为机械能。
它具有热效率高、体积小、便于移动、起动性能好等优点而得到广泛应用。
车用内燃机，根据其将热能转变为机械能的主要构件的形式，可分为活塞式内燃机和燃气轮机两大类。
活塞式内燃机按活塞运动方式分为往复活塞式和旋转活塞式两种，往复活塞式应用最广泛。
在发动机内每一次将热能转化为机械能，都必须经过空气吸入、压缩和输入燃料，使之着火燃烧而膨胀做功，然后将生成的废气排出这样一系列连续过程，称为发动机的一个工作循环。
对于活塞往复式发动机，可以根据每一工作循环所需活塞行程数来分类。
凡活塞往复四个单程完成一个工作循环的称为四冲程发动机，活塞往复两个单程即完成一个工作循环的称为二冲程发动机。
目前我厂产品所用发动机多为四冲程多缸柴油机。
2、柴油机的优缺点与汽油机比较，柴油机因压缩比高，燃油消耗率平均比汽油机低30%左右，且柴油价格相对较低，所以燃油经济性好。
柴油机的主要优点是热效率高、油耗低、可靠性高、耐久性好。
一般载质量7t 以上的货车大都用柴油机。
柴油机的缺点是转速较汽油机低，工作粗暴，噪声大，质量大，制造和维修费用高。
3、发动机选用：目前发动机以选用为主。
各发动机主管在会同整车总布置人员满足整车性能和布置要求的前提下与发动机厂确定技术状态。
不同的车型对匹配发动机的特性要求有一定差异，应在理论计算的基础上通过试验验证发动机是否满足要求，对不能满足使用要求的应通过发动机性能的优化和整车传动系速比的匹配使发动机与整车得到最优化匹配，在满足动力性要求的前提下取得较好的燃油经济性。
载货汽车冷却系统匹配设计一、设计思路:为选定的发动机匹配相应的散热器，保证发动机在使用环境下正常运转。
二、设计步骤1、根据发动机参数及统计数据，初步选定一种散热器。
2、利用热平衡原理，计算发动机在标定工况下散热器的散热量，校核是否满足发动机的散热要求；并验算发动机在最大扭矩工况下的热平衡。
3、冷却系统设计中应考虑的其它问题。
三、初选散热器经验，为充分发挥风扇的能力，一般要求散热器的宽度和高度略大于风扇的直径；载重汽车散热器的比散热面积约A/Ne 为0.2 m2/kW.由此,初选一散热器SHQ2202．3 散热器的性能2．3．1 散热器的基本性能散热器的基本性能是由低温流体的空气和高温流体的水进行热交换前后的各种温度和热量而表征的。
它是由散热器入口的空气和水的温度，散热器的整个散热面积，热通过率、各流体（空气，水受到热量时空气吸热后的温度，水放热后的温度以及水的放热量（空气的吸热量）来所决定的。
放热量与所需的目标温度是否一致，是决定散热器的基本性能的基础，请参考表2.1。
散热器的基本性能表2.1求汽车散热器性能的重点是从表2.1设定值，利用ε–NTU 的方法来求ε（参考2.3.2）)(1112a w a a t t t t -=-ε (2.1)由此求得未知数t a2 此外,水的散热量为)(21w w pw w w t t G G Q -••= 空气的吸热量)(12a a pa a a t t C G Q -••= 散热量和吸热量根据能量守恒定律,则有 Q w =Q a 故)()(2121w w pw w a a pa a t t C G t t C G -••=-••从式(2.5)求得未知数t w2，也可以求得散热器的散热量。
t a1: 入口空气温度 ℃ t a2: 出口空气温度 ℃ ε：ε-NTU 的系数 t w1：入口水温度 ℃ t w2：出口水温度 ℃ Q w ：水的散热量 kJ/h G w ：水的重量流量N/hG pw:: 水比热 kJ/kg ℃｛J/kgK ｝Q a : 空气的吸热量 kJ/h G a ：空气的重量流量N/h C pa : 空气的比热 kJ/kg ℃ 2.3.2 ε-NTU 法ε-NTU 是Effective Number of Heat Transfer Unit 的缩写。
基于GT-Suite的重型载货车冷却系统仿真及匹配设计马书亮;陈涛;姜军;张庆辉;范文峰【摘要】A 1d-Quasi 3d hybrid simulative model of a heavy-duty truck engine cooling system is built based on GT-Suite, The accuracy of the simulation model is verified through comparing calculation results such as engine water temperature and water flow under extreme operating conditions with test results. The fan type of the engine cooling system is matched based on this model,the result shows that the power consumption is reduced with meeting the requirement of the vehicle cooling performance. Thus the fuel economy of the vehicleis improved.%基于GT-Suite软件建立了某重型载货车发动机冷却系统的一维–准三维混合仿真模型，通过对发动机极限工况下出水温度、出水流量等计算结果与试验值对比分析，验证了仿真模型的准确性。
最后在此模型基础上对发动机冷却系统进行风扇选型匹配，实现了满足整车冷却性能要求的前提下，减小了其消耗功率，从而提高了整车经济性。
【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】4页(P7-9,25)【关键词】准三维;发动机冷却系统;匹配GT-Suite【作者】马书亮;陈涛;姜军;张庆辉;范文峰【作者单位】一汽解放汽车有限公司，吉林长春130011;一汽解放汽车有限公司，吉林长春 130011;一汽解放汽车有限公司，吉林长春 130011;一汽解放汽车有限公司，吉林长春 130011;一汽解放汽车有限公司，吉林长春 130011【正文语种】中文【中图分类】U464.138CLC NO.: U464.138 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-07-04发动机冷却系统的主要功能是对发动机进行适当的冷却，保证发动机在正常温度范围内工作。
冷却系统计算校核报告项目名称：某系设计开发编制：日期：校对：日期：审核：日期：批准：日期：目录1 概述 (1)1.1 项目来源 (1)1.2 冷却系统简介 (1)1.3 计算目的 (1)2 冷却系统设计的输入条件 (1)3 散热器设计基本参数的确定 (2)3.1 发动机水套散热量Qw及Qwm (2)3.2 散热器最大散热量Qmax (2)4 散热器设计计算 (3)4.1 散热器芯的正面面积 (3)4.2 散热面积S (3)5 最大扭矩工况下散热面积的校核 (4)6 风扇参数设计 (5)6.1 外径的确定 (5)6.2 风扇风量的确定 (5)7膨胀箱压力盖开启压力及膨胀箱容积确定 (7)8进水管计算 (8)9出水管计算 (8)10 计算结果 (8)11 结论 (9)参考文献 (9)1 概述1.1 项目来源根据《某车型整车开发技术协议》，按照车型开发的设计依据和要求，本计算报告对冷却系统进行了匹配计算。
1.2冷却系统简介冷却系统由散热器、电子风扇、膨胀水箱及管路等部件组成。
其功能是对发动机进行强制冷却，保证发动机能始终处于最适宜的温度状态下工作，以获得较高的动力性、经济性及可靠性。
冷却系统结构型式如下图所示：图1 冷却系统的结构图1.3计算目的通过计算确定设计的散热器及风扇是否与所选发动机相匹配。
2 冷却系统设计的输入条件冷却系统设计的输入条件见表1、表2表1 冷却系统设计基本参数3 散热器设计基本参数的确定3.1发动机水套散热量Qw及Qwm发动机最大水套散热量:Qw =60.42kJ/s=51961.8 千卡/h最大扭矩工况时发动机水套散热量：Qwm＝（0.6～0.7）Qw式中：Qw ——额定功率时发动机水套散热量，kJ/s取中间值0.65，则Qwm =0.65 Qw=0.65×60.42kJ/s=39.273kJ/s3.2发动机传给冷却液的热量（Qw）额定功率点工况：5600rpmQw=AgePeHu/3600=0.25×0.3275×56.11×42500/3600=54.2KJ/s=46601.4千卡/hA-燃料热能传给冷却系的分数，取同类机型的统计量汽油机。
