散热系统匹配计算分析方法

汽车冷却系统匹配分析计算方法

目录

一，概述 (1)

二，汽车对冷却系统的要求 (2)

三，冷却系统选型布置 (2)

四，设计计算匹配 (6)

五，设计验证 (12)

一、概述

冷却系的主要功用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。匹配良好的冷却系统对整车的动力性，经济性都有着至关重要的作用。

冷却不足会导致发动机过热，产生许多不良反映：发动机过热，进气系数下降，燃烧不正常（爆燃、早燃等），机油变质和烧损，零部件摩擦和磨损加剧（如活塞、活塞环和缸套咬伤，缸盖发生热疲劳裂纹等），引起发动机的动力性、经济性、可靠性全面恶化，最明显的症状则是我们平常所见的发动机开锅。

冷却过度会导致发动机过冷，不良反映有：汽油机混合气形成不良，机油被燃油稀释；柴油机工作粗暴，散热损失增加，零部件磨损加剧（比正常工作温度工作时大好几倍），也会使发动机工作变坏。在冬天发动机启动后需要长时间热机。最终也导致整车的燃油经济性大打折扣。

冷却系按照冷却介质不同可以分为风冷和水冷（图1-1），如果把发动机中高温零件的热量直接散入大气而进行冷却的装置称为风冷系。而把这些热量先传给冷却水，然后再散入大气而进行冷却的装置称为水冷系。由于水冷系冷却均匀，效果好，而且发动机运转噪音小，目前汽车发动机上广泛采用的是水冷系。

图1-1

二、汽车对冷却系统的要求

1、保证发动机在任何工况下工作在最佳温度范围；随着发动机技术水平的提高，现在发动机的最佳工作温度也有所提高，约85~110

2、保证启动后发动机能在短时间内达到最佳温度范围；

3、散热器散热效率高，可靠性好，寿命长；风扇（主要是电子扇）运转可靠，噪声小，消耗功率低；水泵尽量小的消耗发动机功率。

4、体积小，重量轻，成本低，可靠性好；

6、拆装、维修方便。

三、冷却系统布置选型

（一）冷却系统结构

1、分类：

2、常用结构：冷却水强制循环冷却方式

主要零部件：发动机水套、水泵、节温器、散热器、风扇以及连接管路。

工作原理：散热器上水室兼起膨胀水箱或者补偿水箱的作用。

注意事项：为保证冷却系统排气顺畅，加水充分，排水彻底，散热器的上水室加水口处为冷却系统的最高点，下水室出水口为冷却系的最低点。同时，为满足发动机排气、冷却液膨胀蒸发和冷却系统补水的需要，上水室要有足够的空间。其结构如（图1）。

（图1）

（1）带补偿水桶结构。（图2）

组成：发动机水路、水泵、节温器、散热器、风扇、补偿水桶以及连接管路。

原理：发动机温度升高后，冷却液受热膨胀，冷却系统内部压力升高，散热器压力盖出气阀开启排气。随着压力的持续升高，冷却系统内部气体排尽，冷却液开始外溢并流入补偿水桶内。当冷却液温降低后，系统内冷却液体积减小，压力下降，散热器压力盖进气阀开启，补偿水桶内的冷却液会被重新被吸回冷却系。

注意事项：为保证冷却系统内的气体能够全部排除，散热器的加水口及下水室应处在冷却系统（补偿水桶出外）的最高点及最低点。补偿水桶到散热器的连接管路要密封紧密。另外，补偿水桶还要有足够的容量和膨胀空间。

（2）带膨胀水箱结构。（图3）

组成：发动机水路、水泵、节温器、散热器、风扇、膨胀水箱以及连接管路。

原理：膨胀水箱布置在冷却系统的最高点，系统压力盖安装在膨胀水箱上，系统直接通过膨胀水箱排气和补水。

注意事项：因包括膨胀水箱在内的整个系统压力一样，所以各连接管路一定要密封紧密。膨胀水箱要有足够的抗压能力和空间。散热器的最高点可以低于发动机。

（图2） （图3）

注：以上结构中，发动机排气都必不可少，否则：

1，如排气不好，残存空气会对发动机内壁造成气蚀，影响发动机性能。

2，因发动机水套空气的存在导致散热不均匀，散热效果不良，最终影响发动机的正常工作。

3，有可能导致整车暖风不热，因暖风系统和散热系统大都是联通的，及传热，储存热量的介质都是冷却液，发动机内残存的空气很容易进入暖风系统，影响气正常工作。

4，影响冷却液的加注速度和加注效果，无发动机排气，防冻液加注时需多次加注才可以 加满。随着发动机技术的发展，发动机对冷却系统中的空气排除要求也日渐增高，

四、设计计算匹配 （一）散热器

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。进一步保证发动机的动力性，经济性及可靠性。 一、 散热器组成及分类

散热器主要由两个水室及芯体组成，主要有管片式和管带式两种。

（二），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：指在一定条件下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关，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。（三），风扇技术参数及介绍

1，静不平衡量(g/m)：是扇叶以中心轴为基准，因制造工艺而产生的不平衡力矩，静不平衡量越小，风扇运转过程中产生的晃动越小，噪声越小，风扇可靠性越好。电子扇一般控制在40g/m以内，本参数的控制可反映出供应商的制造水平高低。

2，噪声：噪声要求应达到整车噪声要求

（四）风扇介绍

4.1护风罩

风扇护风罩是为了提高风扇的冷却效率，使通过散热器芯部的气流均匀分布，并减少发动机舱内热空气回流而设计的。因此，设计风扇护风罩时应注意技术的合理性，主要有以下几点：

1、对于前置发动机，风扇护风罩的设计分整体式和分开式两种；对于后置式发动机，一般都采用整体式。分开式护风罩两部分之间有相对运动，必须用帆布圈柔性密封连接。

2、护风罩与风扇叶尖的径向间隙应尽可能小，以保证风扇冷却效率。当采用分开式护风罩时，风扇与护风罩无相对运行，其径向间隙应不超过风扇直径的1.5 %，或者5 mm ~10 mm；当采用整体式护风罩时，风扇与护风罩有相对运动，其径向间隙也不应超过风扇直径的2.5 %，或者15 mm ~20 mm。

3、应注意护风罩结构设计的合理性，不应有阻挡风扇气流的死角。

4、风扇伸入护风罩的轴向位置，与进气效率有很大关系，对于吸风式风扇，风扇叶片的投影宽度应伸入护风罩内2/3为宜。

5、在安装护风罩时必须注意，护风罩与散热器之间不得有缝隙，应采用橡胶或泡沫塑料垫加以密封，以保证冷却效率不降低。

6、驾驶员应经常检查风扇与护风罩之间的径向间隙，以确保发动机风扇与散热器发生相对位移时，风扇与护风罩之间不产生碰触。

7、从成本角度考虑，在大批量生产的车型中，多采用塑料护风罩。

4.2 风扇

发动机曲轴带动风扇

发动机曲轴通过皮带轮带动冷却风扇旋转，发动机转速越快，风扇转动越快。只要发动机启动，它就要运转，不能视发动机温度变化而变化，采用这种方案，如果要调节散热器的冷却强度，要在散热器上装上活动百页窗以控制进入的风量。

风扇离合器控制风扇

为了确保冷却风扇的送风能力，设计时都按低速考虑，保证在低速时风扇有足够的送风量，这样考虑的结果，使高速时的风扇送风能力过大。因此，在车辆通常行驶情况下，应该把风扇的转速控制在适当范围内，这样才能降低噪声，提高发动机经济性。使用风扇离合器可以控制转速（以下简称AFC）。在AFC 内部粘有粘性流体（硅油），靠其剪切力传递扭矩。在风扇前面装有双金属片，用来感知流过散热器的空气温度，因此，控制风扇离合器工作腔内的硅油量，使其只是在必要时，才传递扭矩使风扇旋转，当水温比较低时离合器与转轴分离，风扇不动，当水温比较高时由温度传感器接通电源，使离合器与转轴接合，风扇转动。由于风扇离合器容易实现远距离控制、使发动机工作温度得到了控制，在汽车行业得到了一定程度的推广。但是经过实验，风扇离合器的温度控制性能、可靠性、维修性相对较差，因此越来越多的汽车上开始采用电动风扇。

4.3、电动风扇

电动风扇是由电动机来驱动风扇，电动机的起停是受水温直接感应的温度开关来控制。汽车在低速怠速时冷却效果好，冷车启动时水温上升较快。电动机功率一般比较低，因此风扇的风量受到限制。

电控式冷却风扇是一种更先进的控制方式，该系统能使风扇产生最佳风量，并大幅度降低风扇的噪声。为了控制合理的送风量，使用专用计算机收集下列传感器信号，如水温传感器、空调器开关、发动机转速传感器等，计算机利用这些信息，计算出最佳风扇转速。该系统仅仅在需要时由电动马达带动风扇工作，供给所需的风量。这种系统的位置布置自由度大，故在发动机横置的车中的应用逐渐增加。用这种方式控制的风扇，在冷却液温度低时风扇停止转动，而在冷却液温度高时风扇增加转速。由于电动风扇容易实现上述控制，故其有提高发动机暖机性能、提高经济性、降低噪声的优点。电动风扇不使用发动机做动力源，所以其转速与发动机转速无关。电动风扇使用蓄电池电能，蓄电池只在需要风扇供风时才给风扇供电。这种风扇无动力损失，构造简单，总布置方便。电动风扇按其转速分为二种形式，一种为单速式，一种为双速式。

自控电动冷却风扇可以充分利用汽车行驶迎面风的冷却作用而大量减少发动机驱动冷却风扇的功率损失，缩短了预热时间，实现最佳温度控制，大量减少了发动机的传热损失，是当前降低汽车耗油最有效、最简捷的途径之一。因此在节能和排放法规日趋严格的发达国家的轿车上得到广泛的应用。

四，设计计算匹配

（一）参数输入：

1，发动机参数：

2，水泵参数：

a，额定工况

b，最大扭矩工况

（二）匹配计算

1，散热量计算：整车需要冷却系统带走的热量计算，根据整车具体不知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

其中参数为：

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。

2，散热器散热面积

散热器面积：F=Q/（Kr*△t?）

△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=t 1+△t a /2 散热器进风温度： t 1

散热器冷却空气进出温差： △t a 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，此处取?=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：

kW m N F e

/204.0~136.020

= 载重车：

kW m N F e

/408.0~204.020

= 拖拉机：kW m N F e

/680.0~408.020

=

3额定点散热器内冷却液流量Vw 计算

Qw =Vw*△tw*γw*cw

Vw= Qw/(△tw γwcw)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，散热器迎风面积F 计算 F= Qw /Δt/γa / C P /V

Qw : 额定点散热量

Δt ：散热器冷却空气进出温差，一般取20~30

C P ： 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12 m/s ） 然后算出芯体的宽b 和高h ，最佳比例为b=h 。

h

F b R

=

5， 芯体厚度 R l （m ）

?

R R F F l 0

=

…………………………………………………… 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，m 2/m 3。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，它是一个定值。 注：

1、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。

2、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。 6，电子扇风量V a 计算：

当汽车在行驶中时，散热器的迎面风速较高，此时冷却风扇的风量对散热器的散热量并无明显影响；但当汽车以怠速行驶时，无外界迎面风的影响，此时冷却风扇的风量大小就决定了散热器散热性能的高低。所以此处计算散热器怠速条件下的散热器散热量

V 1=Q W /Δt/γa / C P V a = V 1/ηf

Qw : 额定点散热量

Δt ：散热器冷却空气进出温差，一般取20~30

C P ： 空气比热容 γa ： 空气的比重

ηf:风量损失，一般取0.7~0.9 由此计算出电子扇的最小风量，

设计验证

对样件进行零部件试验，随整车进行热平衡试验，确定是否满足整车要求： 1，水温保持在发动机最佳工作温度之内； 2，液气温差是否满足法规要求。