关于冷却系的软件计算

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1800～2000O 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40～50 O C下工作时，其零件磨损比在80～90O 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110～180 O C

汽缸壁内壁（燃烧室部分）110～180 O C

进气门顶300～400 O C

排气门顶600～800 O C

活塞顶（铸铁）400～500 O C

活塞顶（铝活塞）250～400 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75～100 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75～115 O C之间。

⒈发动机参数：ENGINE:NISSAN TB45E

⒉汽车基本参数

⒊散热器（1301010Z23）参数

⒋风扇（1308010S6）参数结构形式：SHAKE-HEAD 叶片外径：φ500

叶片内径：φ160

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

Q w =A·g e·Ne·hμ/3600（KJ/S）

A┈┈┈发动机散走热量占燃料热能的百分比，对于汽油机A=0.2～0.23 Ne┈┈┈发动机功率（KW）

h

μ┈┈┈燃料的低热值（ＫＷ／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/△t w .τw.c w

△t w┈┈┈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，△t w 取6o c

τw ┈┈┈水的比重（1000kg/m3 ）

┈┈┈水的比热（取4.187kg/kg. o c）

△c w

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。

表1

3.冷却空气需要量

按下式计算：

Va=Qw+Qa/△ta.τa.cp

o c △ta

————空气进气冷却系统以前与通过冷却系的温度差，通常取10～30τa————空气的重度，一般取1.01kg/m3

cp ———空气定比热，取1.047KJ/kg.o C

Va=98/20x1.01x1.047=4.63m3/s

4.散热器的结构设计要点

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K R，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。

①散热器的正面积

F R=Va/v a

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。

F R=4.63/12=0.385m2

②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=F R/h=0.385/0.648=0.594m

③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

i=Vw/γW f o

f0 —————没根水管的横断面积，米2

f0=ax(b-a)+πr2=2x11+3.14x1=25.14x10-6m2

i=222(根)

④确定散热系数K R

传热系数的确定，我们通过实验（见表2），取0.14KJ/m2.s.o c ⑤计算散热器的散热表面积

F=Q

W /K

R

△t

△t＿＿＿冷却水和冷却空气的平均温差，t

w -t

a

t w ＿＿＿冷却水平均温度，t

w

=t

w1

-△t

w

/2

t

a ＿＿＿冷却空气平均温度，t

w

=ta

1+

△t

a

/2

t

w1

＿＿＿散热器进水温度，取90-95O C,

ta

1

＿＿＿冷却空气的进口温度，取40o C

△tw＿＿＿冷却空气的进口温度差，一般取6-12 o C

△ta＿＿＿散热器冷却空气的进出口温差，取10-30 o C

F=Q

W /K

R

△t=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1.15～1.2

F o=1.12x25=28 m2

根据经念公式，对小客车而言，比散热面积为：

F o/N E=0.136～0.204m2/kw

m2=132x0.136～0.204m2/kw=17.952～26.928 m2

由上可见，散热面积取25 m2是比较合理的

⑥计算散热器的芯部厚度

l

w

= F o/F Rψ

ψ散热器容积紧凑系数，一般取500～1000

l

w

= F o/F Rψ=25/0.385x500～1000=52～65mm

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