车用涡轮增压汽油机冷却系统设计与匹配_胡群

湖北汽车工业学院学报Journal of Hubei Automotive Industries Institute第22卷第4期2008年12月Vol.22No.4Dec.2008发动机冷却系统的作用是保证发动机所有工况在最适宜的温度范围内工作。

冷却系统主要组成部件有散热器、风扇、膨胀水箱和节温器等。

冷却系统设计与匹配的好坏直接影响发动机的动力性、经济性、环保性和可靠性等。

本文以某涡轮增压汽油机为例，对其冷却系统进行设计与匹配计算，确定主要总成的结构与性能参数，为样机开发提供依据，并作好批量生产准备。

车用涡轮增压汽油机主要有以下特点：压缩终了混合气温度、压力趋于升高,爆燃倾向大；汽油机混合气过量空气系数小，单位数量混合气散发热量大，增压后热负荷大；热负荷增大又促使爆燃倾向增大。

增压技术使汽油机节约能源及提高动力性的同时，对其冷却系统也提出了更高的要求。

1冷却系统设计1.1设计要求发动机冷却系统应满足4个要求：1）具有足够的冷却能力，任何工况下发动机的出水温度不得高于许用值；2）设置膨胀水箱、水温报警器和节温器，膨胀水箱应设置最低液面位置传感器；3）满足国家汽车行业各项相关标准；4）本机冷却系统还须用不低于19L/min 的速度加注冷却液。

发动机为强制循环水冷式，直列4缸、16气门、顶置双凸轮轴、涡轮增压中冷、铝制缸体，基本参数见表1。

理论上冷却系统设计应考虑发动机所有工况；车用涡轮增压汽油机冷却系统设计与匹配胡群，韩同群，张云鹏（湖北汽车工业学院汽车工程系，湖北十堰442002）摘要：以某车用涡轮增压汽油机为例阐述了其冷却系统设计匹配的方法与过程。

首先，确定发动机对冷却系统所要求的散热量；其次，根据冷却系统散热量确定冷却水循环量和冷却空气量；再由这3个基本参数确定散热器和风扇的基本结构与性能参数；最后采用数据库法对冷却系统进行匹配，为样机开发并量产提供了有效依据。

关键词：涡轮增压；汽油机；冷却系统；设计；匹配中图分类号：U462文献标识码：A文章编号：1008－5483（2008）04-0018-05Design and Match of One Turbo-charge Engine Cooling SystemHu Qun ，Han Tongqun ，Zhang Yunpeng（Dept.of Automotive Engineering ,Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan 442002,China ）Abstract ：This paper elaborates the method and process of design and match for one turbo-charged gaso line en gine cool ing system.First,design the heat dissipation amount that the engine cooling system requires.Next,design the coolant circulation and cooling air flow.Then,define the structure and feature parameters of the radiator and cooling fan according the three basic parameters.Finally,match the cooling system by the database method.The design and match provide an effective basis for the specimen development and batch production.Key words ：turbo-charge;gasoline engine;cooling system;design;match收稿日期：2008－09－16作者简介：胡群（1969-），女，湖北人，讲师，从事汽车专业教学与研究。

第22卷第4期胡群等：车用涡轮增压汽油机冷却系统设计与匹配但实为简化设计和试验工作量，根据经验往往选择最恶劣工况进行。

车用发动机最恶劣工况是最大功率点或最大扭矩点，一般选择最大功率点（额定工况）进行设计、最大扭矩点（校核工况）进行校核。

冷却系统设计一般包括冷却系统散热量、冷却水循环量和冷却空气量设计。

1.2冷却系统设计1.2.1冷却系统散热量设计冷却系统工作时，散热器散发到大气中的热量称为冷却系统散热量。

在设计和选用冷却系统部件时，应以散热量为原始数据，来设计冷却水循环量、冷却空气量，以确定或选用一定规格型式的散热器和风扇。

因冷却系统散热量受发动机结构型式、压缩比及功率等多种复杂因素影响，难以精确计算。

所以一般采用经验公式（1）确定:Q W =Ag e N e h n /3600（1）式中：A 为冷却系统吸收热量与燃料燃烧热能之比，汽油机取0.23～0.30，柴油机取0.18～0.25；因发动机为涡轮增压式柴油机，热效率较高，燃油利用率也较高，且结构紧凑，A 值可取小一些，这里取0.23。

g e 为发动机燃油消耗率;由发动机外特性曲线可知，最大功率转速下对应的燃油消耗率为0.401kg/（kW ·h ），g e min 为0.252kg/（kW ·h ）。

各项参数确定后，代入式（1），得出冷却系统散热量Q W 为140.91kJ/s 。

由于发动机配备了机油散热器（水油型），则机油散入冷却系统的热量也应计算在冷却系统散热量之内。

即按式（1）计算的散热量Q W 应在原基础上增加5%～10%。

考虑到发动机压缩比大、顶置气门、结构紧凑，所以Q W 增加的比例可小些。

参照《内燃机设计手册》要求，最终取Q W 为145kJ/s 。

1.2.2冷却水循环量设计根据冷却系统散热量Q W ，可确定冷却水循环量,计算公式如式（2）：Q h =（Q W /Δt W δW C W ）（2）式中：Δt W 为冷却水循环允许温升（强制循环冷却系统），一般为6～12℃，这里取8℃；δW 为水的比重，近似取1000kg/m 3；C W 为水的比热，为4.187kJ/（kg ·℃）。

将各数据代入公式（2），得Q h 为0.0043m 3/s 。

1.2.3冷却空气量设计根据冷却系统散热量再确定冷却空气量，计算公式如式（3）：Q a =Q W /（Δt a &a c a )（3）式中：Δt a 为空气进入散热器前后的温度差，通常在10～30℃范围内，这里取30℃；&a 为空气比重，取1.01kg /m 3；c a 为空气定压比热，取1.047kJ/（kg ·℃）。

将各项参数代入式（3），得Q a 为4.6m 3/s 。

1.3基本结构参数确定1.3.1散热器结构参数确定散热器结构参数主要包括散热面积（散热器总散热面积）、散热器正面积（芯子迎风面积）、散热器芯子厚度、水管及翅片尺寸等。

散热面积、芯子迎风面积、散热器结构型式及尺寸等通过冷却系统所需的最大散热量来计算，并通过试验最终确定。

一般根据经验统计公式进行初步计算。

1）散热面积散热面积是决定散热量的一个重要参数，也是冷却系统散热能力的体现。

散热面积过大或过小都会影响发动机与冷却系统的匹配，所以必须选取合适的散热面积。

根据经验统计公式，散热器比散热面积S 比（发动机单位功率所需的散热面积，S 比=F S /N e ）应在0.08～0.14m 2/kW （轿车）范围内。

考虑散热器前端安装冷凝器，会影响散热器的空气流动，增加冷却系统空气阻力；而配套产品为2.0L 排量轿车，这里取S 比为0.11m 2/kW 。

代入发动机功率，即可得出散热面积F S =125×0.11=13.75m 22）芯子结构参数散热器正面积F z （F z =Q 坠/V a ），其中：Q 坠为冷却空气量，V a 为空气在散热器正面的流速。

因这2个参数与散热器结构、整车布置等多种因素有关，所以很难确定其比值，一般采取经验公式进行初步计缸数4排量 1.971L缸径×行程83.5×90（mm ×mm ）压缩比9.8额定功率125/5500（kW/rpm ）最大扭矩235/1900（Nm/rpm ）升功率63.4（kW/L ）外形尺寸641×651×644（mm ×mm ×mm ）发动机总净质量150kg排放指标欧Ⅳ表1发动机基本参数19——湖北汽车工业学院学报2008年12月算。

经验公式如式（4）：F z =（0.0027～0.0034）Ne（4）取系数为0.0027，则F z =0.0027×125=0.3375m 2散热器正面积符合标准要求。

根据相关标准选择芯宽、芯高和芯厚；确定散热带和冷却水管型式及数目。

散热器芯子尺寸为750mm ×458mm ×32mm ，横向排列46条散热带（波峰8mm 、波距3mm 、单条展开长度4069mm ），横向排列45条冷却水管（尺寸2mm ×13mm 、壁厚0.3mm ）。

3）附件结构参数由于发动机纵置，为便于冷却系统附件安装布置，根据国家《汽车拖拉机用散热器进水口、出水口、加水口及盖标准》要求，将散热器进、出水口设置在芯子右侧，进、出水口外径38mm ，进出水管口长80mm 。

散热器右侧采用凹型设计，最大水平厚度尺寸为55mm 、最小为25mm 。

此外，根据设计要求，膨胀水箱采用105kPa 压力盖型，以满足本机最高水温不超过118℃的要求。

节温器采用标称温度85℃型，以保证发动机最适宜温度为85～95℃（布置在散热器进水口处）。

散热器整体结构参数如图1、图2所示。

1.3.2风扇结构参数确定1）风扇扇风量冷却系统采用轴流式风扇，因其结构简单，扇风量大，便于布置。

风扇扇风量：Q S =Q a /ηv（5）式中：Q a 为冷却空气量，已由式(3)计算得出;ηv 为风扇容积效率，一般为0.7～0.9，这里取0.8。

将各数据代入式（5），得Q S 为5.75m 3/s 。

2）风扇直径风扇直径应尽可能与散热器芯子迎风尺寸相同，以使风扇扫掠气流全面通过散热器。

一般而言，风扇叶片扫掠面积D 大致等于散热器正面积的一半左右，即D ＝0.8×〔F z （1-v 2）〕1/2（6）式中：F z 为散热器正面积，由前得F z 为0.3435m 2；v 为轮毂比，风扇叶轮叶根旋转半径与叶顶旋转半径之比，一般取0.3～0.4，这里取0.3。