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1、合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室 冷却系统的计算校核及通过由天津大学内燃机燃冷却系统的计算校核及通过由天津大学内燃机燃 烧学国家重点实验室开发的软件进行验证的报告烧学国家重点实验室开发的软件进行验证的报告 对于我公司开发的 HFC6700KAY 配由日产公司开发的 TB45E 发动机，我 公司采用了理论与实际相结合的方法进行理论优化设计。 当发动机运转时,最高温度可达 18002000O C,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；机油变质和燃烧，零件的摩擦和 磨损加剧；从而引起发动机的动力性、经济
2、性、可靠性和耐久性全面恶化。然 而冷却能力过强同样会对发动机到来不良的后果：实践表明，当冷却水温在 4050 O C 下工作时，其零件磨损比在 8090 O C 下工作时大好几倍，从提高 发动机循环效率的观点出发，希望通过冷却系带走的热量尽可能少些，但这会 导致汽缸、活塞、气门的寿命下降，缸盖发生热疲劳裂纹，润滑油变质等。因 此，冷却系的设计最主要的功能是保证发动机在最适宜的温度状态下工作。 所谓最适宜的温度主要是指各零件保持正常的温度，理论及实践表明各零 件的正常的工作温度如下： 汽缸壁 110180 O C 汽缸壁内壁（燃烧室部分） 110180 O C 进气门顶 300400 O C 排
3、气门顶 600800 O C 活塞顶（铸铁） 400500 O C 活塞顶（铝活塞） 250400 O C 而要使各零部件保持在上述范围，就需控制冷却水温，使其保持在一定的 范围内，不致过高或过低。一般内燃机的冷却水温保持在 75100 O C。当然， 对各种具体发动机，发动机厂家根据其实验依据有其不同的要求范围，根据日 产公司提供的要求，其冷却水温度应保持在 75115 O C 之间。 合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室 发动机参数：发动机参数： ENGINE:NISSAN TB45E Engine Description ModelGasoline,4-cycle, 6 cylinders
4、 TypeIn-line,water-cooled,electric injection,OHV BoreXStroke99.5x96.0mm Displacement 4.478() Dimension(L x W x L)925x710x850mm Weight291kg(Approx.) Max.speed(rpm)5400 Idle Revolution(rpm) 650(FICD ON:90050) Engine Oil5w-30(SJ Grade) Oil capacity Hight/Low() 7.5/6.5 B Performance Max.Output(JIS NET)1
5、32.3KJ/4400rpm Max.Torque(JIS NET)333.2N.M Fuel consumption292g/ps.h(215g/kwh) Compression Ratio8.5 汽车基本参数汽车基本参数 底盘型号6700KAY 常用车速110km/h 主传动比6.142 车轮直径724 风扇传动比1.2424 风扇1308010Z23 散热器1301010Z23 散热器（散热器（1301010Z23）参数）参数 结构 形式 芯子结构 尺寸 宽 X 高 X 厚 冷却管尺 寸 冷却管数 量 波距散热片 （带）数 （片） 散 热 面 积 管带568X648X 49 2.0X13
6、1683.085725.0 风扇（风扇（1308010S6）参数）参数 结构形式：SHAKE-HEAD 叶片外径：500 叶片内径：160 合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室 汽车散热器应保证汽车在变化的行驶条件对发动机的冷却作用，也就是能 控制发动机的温度。因此，在设计散热器时应该把散热器作为整个系统来考虑， 大体包括通风系与水循环系。主要设计步骤： 1.估算空气通道的阻力，并按所需的空气流量及空气道和散热器总阻力，选择 风扇。 2.散热器的计算 3.冷却系的水阻力，并按所需的水流量及水流道阻力，选择水泵。 一）散热器的设计 1 冷却系散走的热量 Qw =AgeNeh/3600（KJ/S）
7、A发动机散走热量占燃料热能的百分比，对于汽油机 A=0.20.23 Ne发动机功率（KW） h燃料的低热值（kg） 标定工况下 A=0.2 kg/kw.h Ne=132kw Hu=43100kJ/kg Qw=0.2x0.3x132x43100/3600=94.82KJ/S 见图(一)所示，在标定工况下发动机转速为 4400（rpm）时，散热量为 1400kal/min,换算为 4.2x1400/60=98 kJ/kg，可见理论计算值与实验数据是比较 接近的。在以后的计算的过程中按 98 kJ/s 计算。 2 冷却水的循环量 根据热平衡原理，可计算出冷却水的循环量： Vw=Qw/tw .w.cw
8、 tw冷却水在发动机中循环时的允许温升，为了保证发动机的性能， 对于现代强制循环冷却系，tw 取 6o c w 水的比重（1000kg/m3 ） cw 水的比热（取 4.187kg/kg. o c） 合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室 图 1 Vw=98x1000x60/6x1000x4.187=234(L/min),根据日方提供的冷却水循量测定结 果报告（见表 1） ，在标定工况下冷却水循环量为 269.5L/min,是满足要求的。 转速RAD 流量O/C 流量TH/C 流 量 全流量 8004340.45.54.32.12.10750.653.8 120064.660.48.46.62.6
9、2.5010.875.680.3 160084.779.711.48.83.22.9014.899.3106.2 2000104101.514.5113.73.5018.7122.2134.7 2400123119.417.513.34.34023144.8159.7 2800146.7140.220.315.44.74.2026.6171.7186.4 3200167.7159.722.517.54.94.4030.1194.9211.7 3600186175.624.519.15.14.7033.2215.6232.5 4000203.4191.226.420.75.24.7035.923
10、5252.5 4400216204.727.9225.24.7038.1249.1269.5 4800225.6214.72923.45.24.7040.2259.8282.5 表 1 3.冷却空气需要量 冷却空气的需要量根据散热器热量和中冷器的热量来确定，根据能量守律， 合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室 按下式计算： Va=Qw+Qa/ta .a.cp ta 空气进气冷却系统以前与通过冷却系的温度差，通常取 1030 o c a 空气的重度，一般取 1.01kg/m3 cp 空气定比热，取 1.047KJ/kg.oC Va=98/20x1.01x1.047=4.63m3/s 4.散热器的结
11、构设计要点 散热器结构基本确定为管带式结构，由上下贮水箱、散热器芯部组成。 冷却管尺寸采用 2.0X13(mm)，这与国际散热器冷却水管尺寸规格一致，管 子的排列方式为顺排，为综合考虑传热系数和散热能力的关系，采用三排 水管布置的形式，散热片上宜采用百叶窗的翅片结构，翅片上的尺寸：波 峰、波距、波峰数、通道数以及百叶窗的开口尺寸 a 与 b（如图 2）是影响 散热系数的重要尺寸，为提高 KR，应该以这些参量作为变量，确定约束函 数，建立目标函数和数学模型，以确定优化设计方案。 散热器的正面积 FR=Va/va va散热器正前面的空气流速（m/s） 。根据经验公式，对小客车取 12m/s。 FR
12、=4.63/12=0.385m2 散热器的高度和宽度 散热器的总体高度由整车总布置来确定，考虑其离地高度及发动机出水 口的位置，初步确定其高度尺寸为 648。 其宽度尺寸为 b=FR/h=0.385/0.648=0.594m 计算散热器的水管数 根据冷却水的循环量来确定散热器的水管数 合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室 i=Vw/Wfo W水在散热器内的流速，一般在 0.60.8m/s f0 没根水管的横断面积，米 2 f0=ax(b-a)+r2=2x11+3.14x1=25.14x10-6m2 i=222(根) 确定散热系数 KR 传热系数的确定，我们通过实验（见表 2） ，取 0.14KJ
13、/m2.s.oc 计算散热器的散热表面积 F=QW/KRt t冷却水和冷却空气的平均温差，tw-ta tw 冷却水平均温度，tw=tw1-tw/2 ta 冷却空气平均温度，tw=ta1+ta/2 tw1散热器进水温度，取 90-95OC, ta1冷却空气的进口温度，取 40oC tw冷却空气的进口温度差，一般取 6-12 oC ta散热器冷却空气的进出口温差，取 10-30 oC F=QW/KRt=98/0.14x28=25m2 考虑散热器经过一段时间后，散热片将蒙上尘土时，散热器性能将有降低， 实际选用的散热面积要大一些，通常加一个储备系数，一般取 1.151.2 Fo=1.12x25=28
14、 m2 根据经念公式，对小客车而言，比散热面积为： Fo/NE=0.1360.204m2/kw m2=132x0.1360.204m2/kw=17.95226.928 m2 由上可见，散热面积取 25 m2是比较合理的 计算散热器的芯部厚度 lw= Fo/FR 散热器容积紧凑系数，一般取 5001000 lw= Fo/FR=25/0.385x5001000=5265mm 二）水泵的计算 水泵的计算主要根据泵水量及压力来选择，而泵水量主要根据冷却水的循 合肥底盘股份有限公司汽车研究所二室 环量来确定，在这里我们只对日产公司的水泵流量进行检核。冷却水的流量按 下面的公式计算： Vv=Vw/v v水
15、泵的容积效率，一般取 0.60.85 Vv=234/0.85=275L/min 见表 1，水泵的流量是能满足要求 三）风扇的设计 风扇的选择主要根据扇风量和风压来确定，而风扇的扇风量根据冷却空气量 来确定。扇风量应等于冷却空气量，通过上面计算应为 4.63m3/s 。风扇压力 主要指冷却空气通过散热器，克服空气道的阻力： p=pR+p1 pR散热器的阻力，重量风速为 1020kg/m2s 管片阻力 100500Pa p1除散热器的阻力外，其他所有空气通道的阻力，约等于 （0.41.1）pR p=1401050Pa 见表 2，由风洞实验结果可取 p 值为 650Pa 确定风扇外径 D2=（0.790.93）FR1/2=0.490.577m(其中 FR为散热器的正面积，见上), 日 产公司选用为 500mm（我公司的图号 1302080S6）,是满足要求的。 计算风扇的内径 D1 实践表明，D1/D2 一般在 0.280.36 范围之内，日产公司选用的内径为 180mm，D1/D2 为 0.36,是满足要求的。 综上所述，该套冷却系装置的设计基本是合理的，风扇、水泵的设计都是非 常合理的，水箱的设计基本是合理的，散热面积也满足要求，但其结构设计不 尽合理，我觉得可以做如下改正： 结构 形式 芯子结构 尺寸 宽 X 高 X 厚 冷却管 尺 寸 冷却管 数 量 波
