某轻型客车柴油机冷却系统匹配设计分析

2023-02-05

一、冷却系统基本构造说明

汽车冷却系统主要是由散热器总成、风扇总成、膨胀水箱总成及相关连接管路等部件构成。冷却系统对发动机运行时所产生的热量进行强制散热, 使发动机在适合工作温度下运转, 从而获得较好的动力、油耗及使用寿命。冷却系统一般分为闭式和开式。此车型的冷却系统属于闭式强制水冷系统。

二、冷却系统LAYOUT

三、冷却系统的设计计算

(一) 发动机水套散热量Q水

1) 发动机输出最大功率时, 发动机水套散热量Q水=166802 kJ/h (发动机厂家提供的数据) 。

2) 发动机输出最大扭矩时, 发动机水套散热量Q水1=139337 kJ/h (发动机厂家提供的数据) 。

(二) 散热器最大散热量

按照实际使用经验, 散热器总成在使用过一段时间以后, 由于散热器内部水垢及外部气流等因素, 会造成散热能力下降。综上, 设计时需考虑散热器总成的最大散热量Qmax应比发动机水套散热量Q水大10%~25%。

轿车和轻型车工作环境较好取下限, 工程车和中型以上的车辆工作环境较恶劣取上限。本项目车型是轻型车, 因此采取下限。

1) 发动机输出最大功率时, 发动机水套散热量Q水=166802 kJ/h

2) 发动机输出最大扭矩时, 发动机水套散热量Q水1=139337 kJ/h

(三) 散热器设计和校核工况

发动机额定功率点为散热器设计工况, 最大扭矩点为校核工况。

(四) 系统压力

轻型车和轿车的系统压力为70-110kPa。选择较高的系统压力, 不仅有利于提高车辆的散热能力, 也有利于提高发动机的燃烧效率。参考本款发动机在行业内的匹配使用情况, 系统压力取110kPa。

(五) 散热器匹配设计计算

1. 芯体正面积

a) 根据发动机的排量计算散热器芯体正面积:

Ff——芯体正面积, m2;

V1——发动机的排量, L。

计算得出:

b) 根据发动机的最大功率计算散热器芯体正面积:

Nemax——发动机的最大功率;

目前由于散热器设计及制造工艺水平的发展, 系数可取最小值0.0027。

计算得出:

选用的KT车型量产散热器参数为:芯宽398mm, 芯高678mm, 芯厚36mm, 散热器正面面积Ff=398×678=269844mm2=0.269844 m2>0.189m2, 所以我们选用的散热器正面面积是满足要求的。

2. 散热器散热面积

根据《汽车设计手册》公式

S比——散热比面积, m2/kW。

S——发动机散热器散热面积

参考行业水平, 确定S比为0.1m2/kW

散热面积S=2Sf+St

S—散热面积, m2

Sf—散热带散热面积, m2

St—冷却水管散热面积, m2

1) 冷却水管散热面积St

m—散热水管数, m=n-1, n—散热带条数。

H—散热器芯高, mm

L0—冷却水管外周长, mm

散热带散热面积Sf

T-芯厚, mm;

L-散热带展开长度, mm;

n-散热带条数,

选用的散热器散热面积11.122m2>7m2, 可满足发动机散热要求。

3. 校核计算

在最大扭矩点工况下, 计算得出的所需要的散热面积如果小于选用的散热器的散热面积, 则最大扭矩工况下散热器能满足发动机的散热性能需求。

Qmax1-最大扭矩工况时发动机水套最大散热量153271 kJ/h。

K-散热系数, kJ/㎡·h·℃。

∆-液气平均温差。

twcp-散热器冷却水平均温度

tacp-流经散热器的空气的平均温度。

当系统压力为90kPa时, twcp≈105℃~110℃, twcp取110℃

而tacp=tal+0.5Δta

其中:tal-进风温度, 对于标准型冷却系tal=40℃ (即等于沸腾风温) Δta的计算则按下式进行:

Qmax1-最大扭矩工况时发动机水套最大散热量, kJ/h;

Ff-散热器的正面积, ㎡;

CPa-空气定压比热, CPa=1.0048 kJ/㎡h℃;

γa×Va-质量风速, γa×Va=2.5 kg/㎡s。

已知实际选用的散热器散热面积为11.122 m2, 大于计算得出的10.03 m2。综上两个工况计算情况, 判定所选用的散热器总成可满足WP2.1发动机散热需求。

(六) 风扇参数设计

选用轴流式风扇。

1. 风扇外径设计

之前计算得出的散热器芯体正面积, 采用经验法估算

外径风扇合理范围:

F散——散热器正面积, m2;

选用的风扇直径为380mm, 不在以上计算值范围内。但此计算方法为推荐值, 且推荐值大于散热器芯体宽度398mm, 布置空间无法实现。故不采用推荐值。通过计算风扇风量来校核选用的风扇选择是否符合要求。

2. 风扇风量计算

1) 公式如下:

Q水—发动机水套散热量, 166802 kJ/h

γa—空气密度, 1.2kg/m3

Cp—空气比热, 1.004kJ/ (kg⋅°C)

Δta—进出散热器的空气温度差, 30℃

计算得出:

车辆高速行驶工况 (额定功率点工况)

计算得出汽车高速运行时所需迎面风速为17.1km/h, 当车速大于18km/h时, 可满足迎面风风速需求。正常状态下, 发动机达到最大额定功率时, 汽车车速远大于18km/h, 此时迎面风即可满足散热要求.

车辆低速爬长坡工况 (最大扭矩点工况)

当车辆处于低速爬长坡时, 因车辆速度较慢迎面风不足, 此时需要冷却风扇提供风量来对发动机进行散热。当发动机输出最大扭矩时, 发动机水套散热量139337 kJ/h, 此时, 所需的风扇风量V

Q水—发动机水套散热量, 139337 kJ/h

γa—空气密度, 1.2kg/m3

Cp—空气比热, 1.004kJ/ (kg⋅°C)

Δta—进出散热器的空气温度差, 30℃

求得:

选用发动机自带机械风扇, 风量为4200m3/h (发动机厂家提供数据) , 能满足风量3855.1 m3/h的要求。

四、结论

综上所述, 该轻型客车冷却系统能满足WP2.1发动机散热性能要求。后续实车装配完成后可进行道路热平衡试验进行验证。

【相关链接】

冷却系统的功用是将受热零件吸收的部分热量及时散发出去, 保证柴油机在最适宜的温度状态下工作。柴油机的冷却系统有风冷系统 (空气直接冷却) 和水冷系统。水冷系统又有冷凝蒸发式 (单缸柴油机使用) 和强制冷却式。柴油机的水冷系统柴油机需要冷却的主要部件, 如缸套、缸盖、机油等的散热介质是由冷却液直接进行冷却的, 称为水冷柴油机。水冷柴油机需要一套非常复杂的冷却液循环系统, 包括水管、风扇、散热器、冷却液泵和温度控制器等。柴油机的风冷系统风冷系统是利用髙速空气流直接吹过气缸盖和气缸体的外表面, 把从气缸内部传出的热量散发到大气中去, 以保证柴油机在最有利的温度范围内工作。

柴油机气缸和气缸盖采用传热较好的铝合金铸成, 为了增大散热面积各缸一般都分开制造, 在气缸和气缸盖表面分布许多均匀排列的散热片, 以增大散热面积, 利用车辆行驶时的高速空气流, 把热量吹散到大气中去。虽然风冷系统与水冷系统比较具有结构简单、重量轻、故障少、无需特殊保养等优点, 但是由于材料质量要求高、冷却不够均匀、工作噪声大等缺点, 目前在汽车上很少使用, 但在工程机械 (道依茨风冷柴油机) 和农用设备 (主要是单缸风冷柴油机) 上应用广泛。单缸柴油机的冷却系统目前, 国内小型单缸水冷柴油机的冷却方式有蒸发冷却、强制冷却和冷凝冷却等多种方式。

柴油机压流循环式冷却系统工作过程的特点许多农用柴油机 (如泰山-12型拖拉机配置的195T型柴油机) 的冷却系统属于压流循环式水冷却, 它是利用离心式冷却液泵将水加压进行强制循环。这类柴油机的冷却系统主要由冷却液泵、散热器、轴流式风扇及进出水橡胶管等组成。散热器及其蒸汽-空气阀的结构同热对流循环式的相同。柴油机工作时, 曲轴通过V带带动冷却液泵的叶轮旋转, 在离心力的作用下, 冷却液被甩向叶轮边缘, 以一定的压力进入气缸体水套、气缸盖水套和散热器上水室。受热的冷却液经散热器芯向下流动, 被风扇吹来的大量冷空气冷却, 流到散热器下水室。此时, 叶轮的中心部分形成低压, 散热器下水室的冷却液被吸入冷却液泵, 再压人气缸体水套, 实现冷却液的强制循环。在冷却液泵叶轮的尾部装有水封部件, 外端有钢丝挡圈, 里端用水封弹簧压住, 以防冷却液漏人冷却液泵轴承座内破坏滚动轴承的润滑。滚动轴承的润滑是通过转动冷却液泵轴座上的润滑脂杯旋盖, 将润滑脂挤人轴承座内进行的。在冷却液栗的最下端装有放水阀, 用于冬季停车后排放冷却液。

摘要：通过计算某轻型客车冷却系统主要参数, 进行散热器设计匹配选型及校核计算, 从而确认冷却系统是否满足WP2.1柴油机散热性能要求。

关键词：冷却系统,散热器总成,风扇总成