1、合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 冷卻系統的計算校核及通過由天津大學內燃機燃冷卻系統的計算校核及通過由天津大學內燃機燃 燒學國家重點實驗室開發的軟件進行驗證的報告燒學國家重點實驗室開發的軟件進行驗證的報告 對于我公司開發的 HFC6700KAY 配由日產公司開發的 TB45E 發動機，我 公司采用了理論與實際相結合的方法進行理論優化設計。 當發動機運轉時,最高溫度可達 18002000O C,與高溫燃氣相連的零件受 到強烈的加熱，如不加以適當的冷卻，機內溫度太高會導致發動機充氣系數下 降，燃燒不正常，如爆燃、早燃等不良現象；機油變質和燃燒，零件的摩擦和 磨損加劇；從而引起發動機的動力性、經濟

2、性、可靠性和耐久性全面惡化。然 而冷卻能力過強同樣會對發動機到來不良的后果：實踐表明，當冷卻水溫在 4050 O C 下工作時，其零件磨損比在 8090 O C 下工作時大好幾倍，從提高 發動機循環效率的觀點出發，希望通過冷卻系帶走的熱量盡可能少些，但這會 導致汽缸、活塞、氣門的壽命下降，缸蓋發生熱疲勞裂紋，潤滑油變質等。因 此，冷卻系的設計最主要的功能是保證發動機在最適宜的溫度狀態下工作。 所謂最適宜的溫度主要是指各零件保持正常的溫度，理論及實踐表明各零 件的正常的工作溫度如下： 汽缸壁 110180 O C 汽缸壁內壁（燃燒室部分） 110180 O C 進氣門頂 300400 O C 排

3、氣門頂 600800 O C 活塞頂（鑄鐵） 400500 O C 活塞頂（鋁活塞） 250400 O C 而要使各零部件保持在上述范圍，就需控制冷卻水溫，使其保持在一定的 范圍內，不致過高或過低。一般內燃機的冷卻水溫保持在 75100 O C。當然， 對各種具體發動機，發動機廠家根據其實驗依據有其不同的要求范圍，根據日 產公司提供的要求，其冷卻水溫度應保持在 75115 O C 之間。 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 發動機參數：發動機參數： ENGINE:NISSAN TB45E Engine Description ModelGasoline,4-cycle, 6 cylinders

4、 TypeIn-line,water-cooled,electric injection,OHV BoreXStroke99.5x96.0mm Displacement 4.478() Dimension(L x W x L)925x710 x850mm Weight291kg(Approx.) Max.speed(rpm)5400 Idle Revolution(rpm) 650(FICD ON:90050) Engine Oil5w-30(SJ Grade) Oil capacity Hight/Low() 7.5/6.5 B Performance Max.Output(JIS NET)

5、132.3KJ/4400rpm Max.Torque(JIS NET)333.2N.M Fuel consumption292g/ps.h(215g/kw.h) Compression Ratio8.5 汽車基本參數汽車基本參數 底盤型號6700KAY 常用車速110km/h 主傳動比6.142 車輪直徑724 風扇傳動比1.2424 風扇1308010Z23 散熱器1301010Z23 散熱器（散熱器（1301010Z23）參數）參數 結構 形式 芯子結構 尺寸 寬 X 高 X 厚 冷卻管尺 寸 冷卻管數 量 波距散熱片 （帶）數 （片） 散 熱 面 積 管帶568X648X 49 2.0X

6、131683.085725.0 風扇（風扇（1308010S6）參數）參數 結構形式：SHAKE-HEAD 葉片外徑：500 葉片內徑：160 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 汽車散熱器應保證汽車在變化的行駛條件對發動機的冷卻作用，也就是能 控制發動機的溫度。因此，在設計散熱器時應該把散熱器作為整個系統來考慮， 大體包括通風系與水循環系。主要設計步驟： 1.估算空氣通道的阻力，并按所需的空氣流量及空氣道和散熱器總阻力，選擇 風扇。 2.散熱器的計算 3.冷卻系的水阻力，并按所需的水流量及水流道阻力，選擇水泵。 一）散熱器的設計 1 冷卻系散走的熱量 Qw =AgeNeh/3600（KJ/S

7、） A發動機散走熱量占燃料熱能的百分比，對于汽油機 A=0.20.23 Ne發動機功率（KW） h燃料的低熱值（kg） 標定工況下 A=0.2 kg/kw.h Ne=132kw Hu=43100kJ/kg Qw=0.2x0.3x132x43100/3600=94.82KJ/S 見圖(一)所示，在標定工況下發動機轉速為 4400（rpm）時，散熱量為 1400kal/min,換算為 4.2x1400/60=98 kJ/kg，可見理論計算值與實驗數據是比較 接近的。在以后的計算的過程中按 98 kJ/s 計算。 2 冷卻水的循環量 根據熱平衡原理，可計算出冷卻水的循環量： Vw=Qw/tw .w.

8、cw tw冷卻水在發動機中循環時的允許溫升，為了保證發動機的性能， 對于現代強制循環冷卻系，tw 取 6o c w 水的比重（1000kg/m3 ） cw 水的比熱（取 4.187kg/kg. o c） 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 圖 1 Vw=98x1000 x60/6x1000 x4.187=234(L/min),根據日方提供的冷卻水循量測定結 果報告（見表 1） ，在標定工況下冷卻水循環量為 269.5L/min,是滿足要求的。 轉速RAD 流量O/C 流量TH/C 流 量 全流量 8004340.45.54.32.12.10750.653.8 120064.660.48.46.

9、62.62.5010.875.680.3 160084.779.711.48.83.22.9014.899.3106.2 2000104101.514.5113.73.5018.7122.2134.7 2400123119.417.513.34.34023144.8159.7 2800146.7140.220.315.44.74.2026.6171.7186.4 3200167.7159.722.517.54.94.4030.1194.9211.7 3600186175.624.519.15.14.7033.2215.6232.5 4000203.4191.226.420.75.24.7035

10、.9235252.5 4400216204.727.9225.24.7038.1249.1269.5 4800225.6214.72923.45.24.7040.2259.8282.5 表 1 3.冷卻空氣需要量 冷卻空氣的需要量根據散熱器熱量和中冷器的熱量來確定，根據能量守律， 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 按下式計算： Va=Qw+Qa/ta .a.cp ta 空氣進氣冷卻系統以前與通過冷卻系的溫度差，通常取 1030 o c a 空氣的重度，一般取 1.01kg/m3 cp 空氣定比熱，取 1.047KJ/kg.oC Va=98/20 x1.01x1.047=4.63m3/s 4.

11、散熱器的結構設計要點 散熱器結構基本確定為管帶式結構，由上下貯水箱、散熱器芯部組成。 冷卻管尺寸采用 2.0X13(mm)，這與國際散熱器冷卻水管尺寸規格一致，管 子的排列方式為順排，為綜合考慮傳熱系數和散熱能力的關系，采用三排 水管布置的形式，散熱片上宜采用百葉窗的翅片結構，翅片上的尺寸：波 峰、波距、波峰數、通道數以及百葉窗的開口尺寸 a 與 b（如圖 2）是影響 散熱系數的重要尺寸，為提高 KR，應該以這些參量作為變量，確定約束函 數，建立目標函數和數學模型，以確定優化設計方案。 散熱器的正面積 FR=Va/va va散熱器正前面的空氣流速（m/s） 。根據經驗公式，對小客車取 12m/

12、s。 FR=4.63/12=0.385m2 散熱器的高度和寬度 散熱器的總體高度由整車總布置來確定，考慮其離地高度及發動機出水 口的位置，初步確定其高度尺寸為 648。 其寬度尺寸為 b=FR/h=0.385/0.648=0.594m 計算散熱器的水管數 根據冷卻水的循環量來確定散熱器的水管數 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 i=Vw/Wfo W水在散熱器內的流速，一般在 0.60.8m/s f0 沒根水管的橫斷面積，米 2 f0=ax(b-a)+r2=2x11+3.14x1=25.14x10-6m2 i=222(根) 確定散熱系數 KR 傳熱系數的確定，我們通過實驗（見表 2） ，取 0

13、.14KJ/m2.s.oc 計算散熱器的散熱表面積 F=QW/KRt t冷卻水和冷卻空氣的平均溫差，tw-ta tw 冷卻水平均溫度，tw=tw1-tw/2 ta 冷卻空氣平均溫度，tw=ta1+ta/2 tw1散熱器進水溫度，取 90-95OC, ta1冷卻空氣的進口溫度，取 40oC tw冷卻空氣的進口溫度差，一般取 6-12 oC ta散熱器冷卻空氣的進出口溫差，取 10-30 oC F=QW/KRt=98/0.14x28=25m2 考慮散熱器經過一段時間后，散熱片將蒙上塵土時，散熱器性能將有降低， 實際選用的散熱面積要大一些，通常加一個儲備系數，一般取 1.151.2 Fo=1.12x

14、25=28 m2 根據經念公式，對小客車而言，比散熱面積為： Fo/NE=0.1360.204m2/kw m2=132x0.1360.204m2/kw=17.95226.928 m2 由上可見，散熱面積取 25 m2是比較合理的 計算散熱器的芯部厚度 lw= Fo/FR 散熱器容積緊湊系數，一般取 5001000 lw= Fo/FR=25/0.385x5001000=5265mm 二）水泵的計算 水泵的計算主要根據泵水量及壓力來選擇，而泵水量主要根據冷卻水的循 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 環量來確定，在這里我們只對日產公司的水泵流量進行檢核。冷卻水的流量按 下面的公式計算： Vv=Vw

15、/v v水泵的容積效率，一般取 0.60.85 Vv=234/0.85=275L/min 見表 1，水泵的流量是能滿足要求 三）風扇的設計 風扇的選擇主要根據扇風量和風壓來確定，而風扇的扇風量根據冷卻空氣量 來確定。扇風量應等于冷卻空氣量，通過上面計算應為 4.63m3/s 。風扇壓力 主要指冷卻空氣通過散熱器，克服空氣道的阻力： p=pR+p1 pR散熱器的阻力，重量風速為 1020kg/m2s 管片阻力 100500Pa p1除散熱器的阻力外，其他所有空氣通道的阻力，約等于 （0.41.1）pR p=1401050Pa 見表 2，由風洞實驗結果可取 p 值為 650Pa 確定風扇外徑 D2

16、=（0.790.93）FR1/2=0.490.577m(其中 FR為散熱器的正面積，見上), 日 產公司選用為 500mm（我公司的圖號 1302080S6）,是滿足要求的。 計算風扇的內徑 D1 實踐表明，D1/D2 一般在 0.280.36 范圍之內，日產公司選用的內徑為 180mm，D1/D2 為 0.36,是滿足要求的。 綜上所述，該套冷卻系裝置的設計基本是合理的，風扇、水泵的設計都是非 常合理的，水箱的設計基本是合理的，散熱面積也滿足要求，但其結構設計不 盡合理，我覺得可以做如下改正： 結構 形式 芯子結構 尺寸 寬 X 高 X 厚 冷卻管 尺 寸 冷卻管 數 量 波距散熱片 （帶）

17、 數（片） 散 熱 面 積 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 管帶600X648 X55 2.0X132223.08待定25.0 下面我們通過天大的軟件來進行驗證： 1.參數輸入 包括汽車基本參數的輸入、發動機的基本參數的輸入和冷卻系參數的輸入。 1.1 汽車基本參數的輸入 如圖 2 圖 2 發動機的常用轉速為程序自動計算生成，他根據汽車常用車速，變速箱速 比主傳動比和車輪直徑計算的汽車常用車速時發動機的轉速，以此作為確定進 氣管長度的依據，提高常用車速工況下發動機的充氣系數。所有的數據一旦輸 入數據庫，就可以進行編輯管理，生成數據文件。 1.2 發動機基本參數輸入 合肥底盤股份有限公司汽車

18、研究所二室 見下圖 3，其中標定工況和最大扭距工況性能參數是冷卻系設計計算的工 況。 圖 3 1.3 冷卻系參數的輸入 該模塊是本軟件系統的核心，他提供了一種全新的汽車冷卻系統參數化數 據管理功能，也是冷卻系優化設計及校核的一種重要手段。該模塊通過廠家將 使用的風扇、散熱器和中冷器的性能曲線輸入到該系統中，可以作為原始數據 直接調用；性能曲線輸入后，可以通過插值的方法獲得所需的數據，計算的精 度有賴于提供曲線數量以及所取的點數。該系統通過大量的積累可以發展成為 一個自我優化的模型。 風扇和散熱器實驗數據格式橫坐標單位不同，即風扇表示善風量（m3/mi） 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 而散

19、熱器橫坐標單位是質量風速（kg/m2s）,優化設計中程序將自動換算成統 一的單位（m3/min） 。 圖 4 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 圖 5 圖 6 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 圖 7 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 圖 8 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 圖 10 果 結果分析 1、風扇與散熱器的靜壓力：靜壓力越大，空氣流量越大，風扇與散熱器靜壓 力差與散熱器靜壓力之比應為 0.41.1,由上可知，標定工況下為 1.837,最大扭 矩為 1.0 滿足要求。說明空氣流量能大于散熱器冷卻需要。 2、散熱器進水溫度（發動機出水溫度）標定工況下為 40.40C，最大扭矩為

20、 47.70C，偏低。理想溫度在 7090 O C 之間。 3、風扇葉頂速度為 143.1m/s,國內推薦資料不得大于 110120m/s，噪聲偏大。 冷卻后空氣溫度，國內推薦為 10300C，該計算結果為：標定工況為 200C； 最大扭矩為 37.110C，說明風扇風量偏大。 綜上所述，該冷卻系風扇速度偏大，噪聲偏大；散熱器冷卻能力能滿足要 求。 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 HFC6782 車型發動機車型發動機 CY4102BZQ 冷卻系冷卻系“天大軟件應用天大軟件應用” 、發動機參數的輸入 圖 11 、汽車基本參數的輸入（圖 12） 、冷卻系參數的輸入（圖 13） 合肥底盤股份有限

21、公司汽車研究所二室 圖 12 圖 13 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 以上散熱器的參數通過散熱器廠家風洞實驗提供，通過散熱器的水流量分 別為 205L/min，100L/ min，在不同的質量風速情況下的散熱量和靜壓力。其 各坐標為風動實驗結果。 、風扇輸入 圖 14 風扇的功率曲線和效率曲線都是壓力曲線自動生成，并成一一對應關系， 這樣主要是為了方便求出不同曲線所對應的特征值。 、散熱器參數的估算 主要估算散熱器的型號、散熱器的寬和高（迎風面積）以及發動機提供冷 卻水進水和出水的溫度差。 輸入發動機散熱系數對自然吸氣的柴油機而言取 0.2；確定冷卻空氣進出 合肥底盤股份有限公司汽車研究

22、所二室 溫度差為 20；確定散熱器為管帶式；根據整車布置的需要，初步確定散熱器 的高度為 595mm。 圖 15 圖 16 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 、結果分析 4、風扇與散熱器的靜壓力：靜壓力越大，空氣流量越大，風扇與散熱器靜壓 力差與散熱器靜壓力之比應為 0.41.1,由上可知，標定工況下為 1.07,最大 扭矩為 0.6 滿足要求。說明空氣流量能滿足散熱器冷卻需要。 5、散熱器進水溫度（發動機出水溫度）標定工況下為 580C，最大扭矩為 56.80C，稍偏低。理想溫度在 7090 O C 之間。 6、風扇葉頂速度為 91.1m/s,國內推薦資料不得大于 110120m/s，滿足

23、要求。 冷卻后空氣溫度，國內推薦為 10300C，該計算結果為：標定工況為 130C；最大扭矩為 14.10C，說明風扇風量滿足要求。 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 江淮汽車冷卻系計算軟件應用 HFC6700、HFC6782 四種車型冷卻系的校核 設 計 審 核 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 HFC6782 車型發動機擦車型發動機擦 CA4113 冷卻系冷卻系“天大軟件應用天大軟件應用” 1、發動機參數的輸入 圖 17 、汽車基本參數的輸入（圖 17） 2、 冷卻系參數的輸入（圖 18） 合肥底盤股份有限公司汽車研究所二室 圖 18 散熱器的性能曲線如圖 13。風扇性能曲線如圖 14。線所對應的特征值。 、冷卻系系統輸入及優化設計（見圖 19） 系統優化配置根據冷卻系零部件庫中散熱器和風扇的性能曲線，對汽車新 冷卻系統進行優化配置。評定散熱器系統能否滿足要求主要是發動機出口冷卻 水溫度以及冷卻空氣通過散熱系統的溫度差，發動機冷卻水溫必須低于沸點溫 度，冷卻空氣溫度必須低于設定值。 在如圖 19 中的交點為在標定工況下理論設計點，即在無任何損失的情況 下，風扇和散熱器的理論匹配點，實際上由于系統阻力，設計值要低于該值， 即實際風量要低于理論風量，這就是進風系數，根據試驗表明一般系統效率為 60%70%。 同樣，對最大扭矩工況，也存在同樣一個理論匹配點。 （見圖 20）