发动机散热器的设计计算

发动机散热器的设计计算
散热片面积是冷却水箱的基本参数，通常单位功率所需散热面积为0.20~0.28㎡/KW。

发动机后置的车辆冷却条件比较差，工程机械行走速度慢没有迎风冷却，因此所配置的水箱散热面积宜选用上限。

水箱所配相关管道不能太小，其中四缸机的管道内径≧37mm，六缸机的管道内径≧42mm。

水箱迎风面积要求尽可能大一点，通常情况下为0.31~0.37㎡/KW，后置车、工程车辆还要大一些，由于道路条件改善，长时间的高速公路上高速行驶，或者容易超载，经常爬坡的车辆也要选得大一点。

对冷却液的要求：
1.冷却作用：有效的带走一定的热量，使发动机得到冷却，防止过热。

2.防冻作用：防止冷却液结冰而导致水箱和柴油机水腔冻裂。

3.防氧化和腐蚀：冷却液可防止金属件的氧化和腐蚀。

为改善发动机的工作条件，进一步提高其冷却性能，发动机后置或者重型车都配置了膨胀水箱。

膨胀水箱应高于散热水箱50mm左右，必须具有相当于冷却系统总容积6%的冷却液膨胀空间，储备水量应是冷却系统总容积的11%，有暖风时达到20%，冷却液液面不能淹没加水伸长颈管，加水伸长颈管上部必须设通气孔，通气管不宜小于φ3.2mm，膨胀水箱最低液面以下水深不得低于50mm，以防止空气进入注水管。

由于受到发动机水循环系统进出口口径大小的限制，发动机进水接口外径为34mm（散热器出水接口外径也为34mm），发动机回水接口外径为35mm（散热器回水接口外径为35mm）。

本产品所选用的发动机额定功率为：110kw
在设计或选用冷却部件时应以散入冷却系统的热量Q为原始数据，来计算冷却
系统的循环水量和冷却空气量： 用经验式
=⨯⨯⨯==
3600
21
.0431*******.03600u e e W h p Ag Q 69.14kJ/s=59450kcal/h
燃料热能传给冷却系的分数，取同类机型的统计量，%，柴油机A=0.23～0.30，取A=0.25
e g -燃料消耗率，kg/kw.h ；柴油机为0.210 e
P -发动机有效功率，取最大功率110kw
若水冷式机油散热器，要增加散热量，W
Q 增大5%～10%.
在算出发动机所需的散走的热量后，可计算冷却水循环量
187
.41000814
.69⨯⨯=∆=W W W W W C r t Q V =206.41L/min
W t ∆-冷却水循环的容许温升（6︒-12︒），取8︒
W
r -水的密度，（1000kg/3
m ） W
C -水比热（4.187kJ/kg.C ︒）
实际冷却水循环量为：==W a V V 2.1247.69L/min 冷却空气需要量：047
.101.12014
.69⨯⨯=∆=
Pa W W W W C r t Q V =3.27m ³/s
a t ∆-散热器前后流动空气的温度差，取20C ︒
a
r -空气密度，一般a r
取1.01kg/3m
Pa
C -空气的定压比热，可取
Pa
C =1.047kJ/kg.C ︒
二．散热器设计
1.散热器的计算所根据的原始参数是散热器散发的热量和散热器的外形尺寸。

散热器散发的热量就等于发动机传给冷却液的热量。

已知散热器散发的热量后，所需散热面积F 可由下式计算：
m
W t K Q F ∆=
ϕ
K-散热器的传热系数 /2千卡米.小时
ϕ-散热器贮备系数，水垢及油泥影响等，一般ϕ=1.1～1.5，取1.1
m t ∆-冷却水与空气的平均温差，取26︒
散热器的不同部位，其冷却水与空气温差不同，通常采用平均温差，
平均温差m t ∆可由下列式计算: 12122622
t t t t s s k k
t m ++∆=-=︒
1
t s —散热器进水温度，取90︒ 2t s —散热器出水温度，取0︒4 1
t k —空气进入散热器时的温度，取0︒2
2
t k —空气离开散热器时的温度，取0︒4 1
102.1
1k w L
δααλαα=
=︒++2千卡/米小时.C
w
α—从冷却水到散热器壁的放热系数,当冷却水流速为0.2～0.6m/s 时，w α约为2000～3500.︒2千卡/米小时.C
，取3500。

λα
—散热管导热系数，纯铝导热系数为230W/m.k,换算为197.8.︒2千卡/米小时.C
δα
—散热管壁厚，0.0002m L
α—散热管到空气的散热系数，当流过散热管的空气流速为10～
20m/s 时，L
α=60～105.︒2千卡/米小时.C
，取105。

散热面积：=⨯⨯=∆=
26
1021
.159450m W t K Q F ϕ24.66㎡ 2.散热器细节计算
在计算出散热面积后，就是散热器芯部的选择。

从结构上分主要有管片式和管带式两种（如图1）。

这里选用管带式散热器。

根据汽车行业标准QC/T29025-1991,选择如下芯子：
冷却管选取高频对焊型冷却管Ⅳ型号，
b=2mm ,L=16m,如图1
1
选用
D型双排冷却管，如图2
2
图1
图2
图3
C=L+4=20mm d=L
2
+1=9mm T=2C+2d=38mm
取b=10mm,t=4mm
芯厚T、芯宽W和芯高H ,见图4
图4
H 取420mm,W 取538mm,T 为58mm 散热器正面积（迎风面积）为：
2222596.0225960538420m mm H W ==⨯=⨯
每片散热带的有效散热面积（双面）
==⨯⨯⨯⨯=⨯⨯
+⨯⨯=2220248472581052.102222mm T t
H
b t S 0.2485㎡ 所需管带数为：
8.4410
2538
1=+=+b b W 片≈45片 散热带总散热面积：=⨯=⨯=452485.04501S S 11.15㎡ 所需冷却管数为：=+⨯=⨯⨯
10
2538
331b b W 134根 每根冷却管表面积约为20.1596m
冷却管总表面积约为：20.15968814.0448m ⨯=0.1596×134=21.38㎡ 总散热面积2144475219S .0.1.1m =+=S=21.38+11.15=32.53㎡，满足散热面积要求。

三 膨胀箱总成设计 1设计原则
冷却液在发动机冷却回路流动，随温度升高体积膨胀，为吸收这部分膨胀体积而设置了膨胀箱。

具有膨胀箱的冷却系统根据膨胀箱有无加压分为两种：
系统A ：在加压系统内具有冷却液的膨胀空间（膨胀箱），冷却液循环到膨胀空间中，进行气液分离。

膨胀箱应耐热、耐压，位置高于散热器并保持系统内压力适宜。

系统B ：在加压系统内具有冷却液的膨胀空间（膨胀箱），仅在溢流至膨胀箱时进行气液分离。

膨胀箱耐热性、容量、位置要求低些。

膨胀箱由两个注塑件组成，通过焊接（热焊、超声波焊接）组成一体。

形式不一
四．冷却风扇的选择
根据发动机参数与参考同类型的汽车发动机，选择轴流式电动风扇。

它用装在散热器上的石蜡式温控开关控制（控制水温87～97C ︒），自动控制风扇电机的运转，保持发动机温度正常。

这种自动控制的冷却系统启动暖机快，布置较自由。

风扇的性能参数包括风量V 、压头P ∆、功率f P 。

1. 冷却空气需要量s m V a /27.33=，考虑到风量的漏损，风扇的风量要比计算所得的风量a V 大，即s m V V a /47.327.306.130=⨯==ϕ， 0ϕ—考虑到漏损的系数，通常0ϕ=1.05～1.15，取1.06。

2. 风扇的压头R f P P P ∆=∆+∆，其中R P ∆—散热器风阻（Pa ） f P ∆—除散热器外的风道阻力 ，根据经验数据P ∆=200—500Pa
取400Pa 。

3. 风扇的功率s kw pV P f /72.25
.0102047
.34001020=⨯⨯=∆=
η，其中η—风扇效率，一般η=0.3～0.6，取0.5。

根据风扇性能参数与参考同类型风扇，本次设计，叶片材料选择塑料—聚丙烯（PP ）,断面形状为翼形，前弯式叶片（如图1），叶片安装角（叶片与风扇旋转平面成的角度）一般为30︒～45︒，取为40︒，叶片数量取为7片，叶片数为奇数，可有效降低风扇噪声。

风扇直径取为420mm,叶片宽度为48mm,轮毂比（风扇直径与风扇轮毂直径的比值）取0.30，叶片间隔角不等，以减轻叶片旋转时的振动和噪声。

风扇风量Q 与风扇直径D 、风扇转速n 之间存在如下的关系。

3Q Knd =,K 为比例系数。

a.标准叶片
b.前弯叶片
c.后弯叶片
图1。