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小型汽车发动机的散热冷却系统介绍


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     1.发动机冷却系统的功能 

  汽车发动机(汽油机或柴油机)在工作时,与高温燃气相接触的零件最高温度高达2000摄氏度以上,发动机冷却系统的主要功能就是把受热零件吸收的部分热量及时散发出去,保证发动机在最适宜的温度状态下工作。一般正常的冷却水温在85-110°C之间。 
  2.发动机冷却系统的类型 
  汽车发动机的冷却系统主要有以下几种类型,其特点如表1所示。 
  目前,汽车用发动机的冷却系统常用结构是“冷却水强制循环冷却方式”,具有冷却可靠、效果好的特点。 
  3.发动机冷却系统的组成与工作原理 
  强制循环水冷式发动机的冷却系统主要是由冷却水套、水泵、散热器、水管、节温器、冷却风扇、膨胀水箱等组成。 
  其工作原理是利用水泵提高冷却液的压力,强制冷却液在发动机的冷却水道中循环流动,将发动机多余的热量带走,使其保持在最佳工作温度。有小循环与大循环两种工作模式。小循环是指在发动机冷启动后,温度较低的冷却液不会将节温器打开,此时冷却液只经过水泵在发动机的水道中进行循环,使发动机尽快达到正常的工作温度。等发动机温度上升,冷却液温度达到节温器设定值(一般为80度)时,节温器阀门打开,冷却液从发动机水道中流出,经过散热器冷却后的冷却液再进入人发动机进行冷却循环,也就是大循环,使发动机尽量保持在最佳工作温度。 
  4 散热器的设计计算 
  散热器是冷却系统中的重要部件,其主要作用是储存冷却液,并将冷却液携带的热量散发出去,从而降低发动机冷却液温度,最终达到发动机降温的过程。散热器的合理设计,可以更好地保证发动机的动力性,经济性及可靠性。 
  4.1 散热器组成及分类 散热器主要由两个水室及芯体组成,按结构不同可分为管片式和管带式两种。(表2) 
  4.2 散热器技术参数 ①散热系数:因使用材料,风速,水流量不同而不同,现在主要使用铝制散热器,其传热系数在同样条件下较高,制作简单,质量小,成本低。②空气阻力:主要和芯体结构有关,主要是散热器管距及散热带波峰距,风阻越小散热器散热效率越高。③风扇功率:风扇功率越大风量越大,散热效果越好,但同时也消耗了发动机更多功率,并产生了更大的噪声。乘用车风扇现在多采用电子扇。④散热带波峰距:小的波峰距可以提供更大的散热面积,但同时也增加了散热器的风阻,反之亦然。⑤散热面积:散热器管,带的表面积之和。散热面积越大,散热效率越好。⑥迎风面积:散热器芯体正面迎风部分的面积。⑦压降:指在一定条件吓冷却液从散热器入口流至散热器出口过程中压力的下降部分,压降与散热器结构及制作材料有管,在水泵扬程一定的条件下压降越小,散热器中冷却液流速越快,冷却效率越高。 
  4.3 散热器的匹配计算 
  4.3.1 散热量计算 计算整车需要冷却系统带走的热量,根据整车具体实际情况考虑,是否包括冷凝器,中冷器的散热量。额定工况发动机散热量:Qw=A*ge*Ne*Hn/3600;最大扭距工况发动机热量:Qw’=A*ge’*Ne’*Hn/3600。其中,A——传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比(一般柴油机=0.18~0.25,涡流机比直喷机高;汽油机A=0.23~0.30),Hn——燃料热值,柴油和汽油的低热值分别为41870Kj/Kg和43100Kj/Kg。 
  由上可以得出散热系统所需带走的热量,取其中最大值。以下以额定点为例。 
  4.3.2 散热器散热面积 散热器面积:F=Q/(Kr*△t),其中△t=tw-ta;冷却水平均温度:tw=tw1-△tw/2;散热器进水温度:tw1;散热器进出水温差:△tw:一般取5~10;冷却空气平均温度:ta=t1+△ta/2;散热器进风温度:t1;散热器冷却空气进出温差:△ta一般取20~30。 
  平均温度修正系数:汽车发动机的冷却形式,属于两种流体(空气及冷却水)互不混合的交叉流式换热形式,所以要以修正系数对平均温差进行修正,取=0.98。 
  由此可以初步计算出散热器散热面积,散热器散热面积与功率的比一般如下:小客车:=0.136~0.204m■/kW;载重车:■=0.204~0.408m/kW;拖拉机:=0.408~0.680m/kW。 
  4.3.3 额定点散热器内冷却液流量Vw计算 
  Qw=Vw*△tw*γw*cw。其中,Vw=Qw/(△twγwcw)及额定点水泵流量,此数值可由发动机提供,也可由上述公式进行计算得出。 
  4.3.4 散热器迎风面积F计算 F=Qw/Δt/γa/CP/V。上式中,Qw—— 额定点散热量;Δt——散热器冷却空气进出温差,一般取20~30,CP——空气比热容,γa——空气的比重,V——空气流速(矿山车和拖拉机取8m/s,载重车取8~10m/s,小客车取12m/s)。然后算出芯体的宽b和高h,最佳比例为b=h。b=■。 
  4.3.5 芯体厚度lR(m) lR=。上式中:φ——散热器芯体的容积紧凑性系数,即单位散热芯部容积所具有的散热面积,m2/m3。φ值越大,散热器越小,空气阻力越大。主要取决于散热片和水管的数目、布置和形状,一般取500~1000,对于选定的芯部结构,φ是一个定值。散热器的设计尽量做到风阻小,冷却效率高。在整车空间布置允许的条件下,尽量增大散热器的迎风面积,减薄芯子厚度。这样可以充分利用风扇的风量和车的迎面风,提高散热器的散热效率。货车散热器一般采用纵流结构,因为货车的布置空间较宽裕。而且纵流式结构的散热器强度及悬置的可靠性好。轿车由于空间限制,也可采用横流结构。 

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