车用发动机冷却系统匹配优化方法研究

引言

现代车用发动机普遍采用水冷式冷却系统，燃油在发动机气缸内燃烧产生的热量：约43%转化为机械能，推动车辆前进，约26%从排气系统排出，约2%从发动机机体表面散发，其余的热量通过冷却液传递到散热器，再由散热器通过冷却风传递到空气中,风扇为散热器提供冷却风,对柴油机而言，风扇同时也是中冷器冷却风的重要来源[1]。

  

图1　整车冷却系统组成

发动机冷却系统的功用是将散热器和中冷器的热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度下工作，主要的零部件有水泵、散热器、风扇、机油泵、中冷器、节温器以及各种传感器，如图1所示。

这是本节复习课的最后一道例题，处理完问(1)距下课还有十多分钟的时间，之后对问(2)，教师引导学生思考、讨论、展示、交流．学生自主提出5个问题，在教师的引导下，又有4个新问题被提出．在解决的过程中，教师又引领学生深入研究．前两个问题解决后，发现最值取得时，四边形PAOB恰是正方形，顺势教师提出可以研究四边形PAOB何时为正方形；∠APB的最大值求出是90°时，教师又提出若∠APB=60°，那么点P的横坐标的范围如何等等，问题不断衍生，探究永不停止，从而让思维的教学更具穿透力、延展力．

由于上述度量ρ是在[0,1]剩余格上,由蕴涵算子诱导的,我们称之为剩余格上的逻辑度量。称([0,1], ρ)为逻辑度量空间。逻辑度量和[0,1]区间上的通常度量是由本质区别的。例如在[0,1]区间中,序列是收敛到0的。然而当Gödel单位区间赋予ρG度量时,0是孤立点,因此“收敛到0”在逻辑度量空间([0,1], ρG)中是不成立的。因此我们有必要研究[0,1]上逻辑度量空间的拓扑性质。

1　发动机散热量计算

发动机台架热平衡试验数据获取时，不带中冷器、散热器、风扇等部件，冷却液采用台架循环水冷却，表1为发动机台架热平衡测试参数。

散热量的计算公式：

Q=C·m·ΔT,

(1)

式中：Q为散热量，kW；C为冷却介质比热容，kJ/(kg·℃)；m为冷却介质流量，kg/s；ΔT为冷却介质入口与出口温差，℃。

未来世友将坚持“聚焦地板、以质立世”的策略，以全渠道拓展、全品类发力、双模式运营的方式，打造更广阔的品牌发展。

在得到散热器进出水温度后，初始假定φ=1，根据公式(3)和(4)，可以得到Tc1和Tc2之间的关系，将两者之间的关系带入公式(5)，可得到关于Tc1或Tc2的方程，采用线性插值法，可以得到Tc1和Tc2，然后根据公式(7)和图2，得到φ值，再将得到φ值带入公式(5)计算Tc1和Tc2，直到计算的φ值与图2中得到的φ值一致。

 

(2)

表1　发动机台架热平衡测量参数

  

参数大扭矩点/额定点环境温度T0/℃冷却液流量mw/m3/h发动机出水温度Th1/℃发动机进水温度Th2/℃发动机出水压力pp1/kPa发动机进水压力pp2/kPa中冷器进气温度Tah1/℃中冷器出气温度Tah2/℃中冷器进气压力pap1/kPa中冷器出气压力pap2/kPa

式中：mair为发动机进气流量，kg/h；p为中冷后进气绝对压力，kPa；n为发动机转速，r/min；Vd为发动机排量，L；T为发动机中冷后进气绝对温度，K；k为与发动机充气效率有关的常数，对于增压中冷发动机该值在0.089～0.103之间，一般额定点比大扭矩点小2%。

根据表1和公式(1)、(2)，即可计算出散热器和中冷器的散热量，从而为整车冷却系统匹配提供依据。

2　整车冷却系统匹配计算

2.1　中冷器散热量

QAC=ca·ρa·AAC·VAC·(Tc1-T0),

(3)

式中：QAC为中冷器散热量，kW；ca为空气的比热容，kJ/(kg·℃)；ρa为空气密度，kg/m3；AAC为中冷器芯部迎风面积，m2；VAC为流经中冷器的空气流速，m/s；Tc1为中冷器与散热器之间的温度，℃；T0为环境温度，℃。

对数平均温差是指冷热流体的比热、流量以及传热系数在整个换热面上基本不变时，冷热流体之间的温度差异。根据传热学原理，对数平均温差ΔTE可按下式计算：

2.2　散热器散热量

散热器散热量可分为两种表达方法，一种是冷却空气从散热器带走的散热量，另一种是散热器需要散出的热量。只有两种散热量相等时，发动机水温才能维持平衡[2]。

冷却空气从散热器带走的散热量：

第四，资产盘点与账册管理系统，高校要定期进行固定资产仓库盘点，这是就要提出资产盘点与账户管理系统，申请系统包。在该工作中，还会对年度预算审批子包进行分析，提交年度预算审批调整，明确下一年的年度预算方案，同时辅助资产采购申报管理系统进行购物申请，以便于随后的采购工作。另外，该系统也会提出资产盘点处理意见子包，对高校内部资产盘亏结果进行统计处理，最后相应意见处理批示提出。

QR=ca·ρa·AR·VR·(Tc2-Tc1),

(4)

式中：QR为散热器散热量，kW；AR为散热器芯部迎风面积，m2；VR为流经散热器的空气流速，m/s；Tc1为中冷器与散热器之间的温度，℃；Tc2为散热器与发动机之间的温度，℃。

散热器需要散出的热量：

QR=A·K·ΔTE

式中：Th2为发动机进水温度，℃；ΔTh为散热器(发动机)进出水温差，℃。

(5)

式中：A为散热器芯与空气接触的总表面积，m2；K为传热系数；ΔTE为对数平均温差，℃。

我国的普通制造业已经无法满足日益提高的航空航天科技需求了，所以结构优化方法逐渐在该领域崭露头角。航空制造业往往需要很多顶尖科技产业共同参与才能研发新型产品，在如今这日益增长的需求之下，我国的航空航天部门开始探究结构优化方法在未来生产设计上的可行性。

由于中冷器位于散热器的中间位置，且该位置的风扇风速较大，因此流经中冷器的平均风速大于流经散热器的平均风速，两者的关系约为：VAC≈1.15·VR。

2.3　传热系数K

  

图2　散热器传热系数MAP 图

传热系数K是散热器的重要参数，K的大小直接决定了散热器的换热效能，其主要受制造散热器的管片材料、焊接工艺、芯部结构、冷却水的流动速度、通过散热片的空气速度等因素的影响[2-3]。通过在风筒试验台上进行散热器的性能试验，得到传热系数MAP图，如图2所示。

2.4　对数平均温差ΔTE

校园足球是推进素质教育、引领学校体育改革创新的重要突破口，校园足球与文化学习在本质上并不冲突而是相互促进的。丰富的校园足球文化应该是体教结合、深化教育领域综合改革、创新教育实践形式的具体体现[7]。

就这样，我们一直聊着，直到从店员手上接过咖啡，找了个位置坐了下来，我在示意过后按下录音键，开始了这次一对一的对话。保留下来的录音上显示持续了1小时50分12秒，直到周末把录音整理出来，31978字，整整28页！还没算上没录的部分。我陷入了沉思，突然间不知该从哪里开始写起……

 

(6)

其中，φ，对数平均温差修正系数；Th1，散热器进水温度，℃；Th2，散热器出水温度，℃。

2.5　对数平均温差修正系数φ

车用发动机冷却系统的冷却形式是两种流体(空气和冷却液)互不混合的交叉流式换热形式[4]。不能简单地按热力学顺流与逆流的换热形式计算，要根据修正系数φ对对数平均温差的计算结果进行修正。φ的大小取决于两个无量纲的参数P和R，如图3所示。无量纲参数P和R的大小取决于两种流体的进出口温度，计算方法见公式(7)，示意图如图4所示。

  

图3　两种流体互不混合时的φ值

  

图4　两种流体互不混合交叉流式换热形式

 

(7)

2.6　风扇风速计算

在已知环境温度和极限使用许用环境温度的前提下，根据公式(8)可以得到发动机出水温度(即散热器进水温度)，根据公式(9)可以得到发动机进水温度(即散热器出水温度)。

式中，S=1.62；P为试样平行测量次数，3；n为拟合曲线得数据对总数，21（每个浓度测量3次，共18次）；Cp为试样平行测量3次结果的平均值，23.46 μg／L；C¯为绘制标准曲线的标准溶液的总平均值，62.7 μg／mL。

混合型减压融合了间接减压与直接减压的优点，具有良好的手术疗效，但其相较于单纯间接或直接减压，手术创伤较大，手术风险也相应增加。因此，前后路联合手术主要适用于合并发育性颈椎椎管狭窄或椎管狭窄率较大的OPLL患者，先后路扩大椎管，再前路解除压迫物，从而达到脊髓的彻底减压。

发动机出水温度(即散热器进水温度)的计算方法：

Th1=TL-TE+T0,

(8)

  

图5　风扇风速计算流程图

式中：Th1为发动机出水温度，℃；TL为发动机冷却介质最高允许温度，℃；TE为极限使用许用环境温度，℃；T0为试验时的环境温度，℃。

发动机进水温度(即散热器出水温度)的计算方法：

Th2=Th1-ΔTh,

(9)

,

散热器进出水温差的计算方法：

 

(10)

式中：cw为发动机冷却介质的比热容，kJ/(kg·℃)；mw为发动机冷却介质的流量(约为发动机台架水流量的0.75倍)，kg/s。

发动机进气流量计算公式：

刘剑文在接受记者采访时表示，此次个税改革之所以引起如此大的反响，主要是在草案制定过程中，一直处于保密状态，对于起征点如何设定，专项扣除的项目如何选择都没有一个较为明确的解释，引发了大家的疑惑。“个税关乎着每个人，应该在前期充分征求民意，凝聚共识，这样才有利于法律的遵从。”

2.7　中冷器选择

根据上述计算，得到发动机最大扭矩点和标定点的风扇风速、中冷器流量，根据中冷器的散热性能曲线，可以得到中冷器的散热量如果则中冷器满足要求，否则需要重新选择中冷器。

把酒临风：科技创新不是一个急功近利的问题，在中国你成功之后别人可能会抄袭，但在法治国家不行，你抄袭就重罚你，谁都不能随便侵犯他人，如果真做到这一点，我们的科技创新就能产出更多成果。也就是说完善的财产保护制度，才能让大家看到技术创新暴富的可能性。

2.8　散热器选择

3)水泵及水道优化，如增大水泵流量、减少节温器及水道阻力等；

3　实车试验

某重型牵引车匹配某潍柴发动机，发动机台架测量的各参数及计算结果见表2。由于该车型为老车型，仅更换发动机，受车架的限制，初步采用原车中冷器、散热器。中冷器芯部尺寸宽高厚为792 mm×650 mm×50 mm。散热器芯部尺寸宽高厚为708 mm×945 mm×52 mm，散热器散热表面积39 m2。

  

图6　风扇性能曲线

 

表4　整车试验结果

  

参数大扭矩点额定点环境温度/℃3029发动机出水温度/℃89．9882．29极限使用环境温度/℃40．0246．71

该车型要求在大扭矩点的极限使用许用环境温度为42 ℃，额定点的极限使用许用环境温度为46 ℃，冷却液的最高许用温度为100 ℃，假定环境温度30 ℃，则发动机出水温度(散热器进水温度)分别为88 ℃和84 ℃，根据上述的计算方法，最终计算出风扇风速，具体计算结果见表3。其中，整车水流量大约是发动机不带散热器水流量的0.75倍。

根据计算的需求风扇风速，初步选定某直径750 mm的风扇。该风扇性能曲线见图6中的600～2 600 r/min曲线，该车冷却系统设计阻力见图6中的黑色线，图中的正方形和三角形为需求风扇风速。当风扇转速与发动机转速之比为1：1时，大扭矩点实际风速小于需求风扇，不满足冷却需求，而额定点实际风速大于需求风扇，满足散热要求，见图6中的正方形。为了满足散热量的需求，将风扇与发动机速比增加至1.217，大扭矩点和额定点均可满足冷却系统散热量的需求，见图6中的三角形。

将选定的冷却系统进行整车试验，试验结果见表4。

从试验结果来看，大扭矩点不满足要求，需要对冷却系统进行优化。

表2　发动机台架热平衡数据

  

参数大扭矩点额定点1200r/min1900r/min环境温度/℃50．150．1冷却液流量/m3/h18．428．9散热器进水温度/℃91．291．9散热器出水温度/℃85．587．3散热器进水压力/kPa44．495．9散热器出水压力/kPa5．00．2中冷器进气温度/℃154．3166．4中冷器出气温度/℃35．048．4中冷器进气压力/kPa167．7169．6中冷器出气压力/kPa166．6166．1中冷器进气流量/(kg·h-1)1267．61919．8散热器散热量/kW112．3142．4中冷器散热量/kW42．263．2

表3　整车冷却系统计算结果

  

参数大扭矩点额定点1200r/min1900r/min环境温度/℃3030极限使用许用环境温度/℃4246散热器进水温度/℃8884整车水流量/(m3·h-1)13．821．675整车散热器进出水温差/℃7．66．13散热器出水温度/℃80．477．87中冷器与散热器之间的温度/℃46．4547．34散热器与发动机之间的温度/℃85．8582．51需求风扇风速/(m·s-1)4．035．73

4　匹配优化方法

由于整车散热不满足要求，可以考虑的优化内容有：

1)风扇优化，如增大风扇直径、提高风扇速比、提升风扇效率等；

2)散热器优化，如优化散热器的散热性能、增大散热器的散热面积等；

在得到Tc1和Tc2后，带入公式(3)或(4)，可以得到风扇风速。具体计算流程如图5所示。

根据上述计算，得到发动机最大扭矩点和标定点的风扇风速、冷却液流量，根据散热器的散热性能曲线，可以得到散热器的散热量如果则散热器满足要求，否则需要重新选择散热器[5]。

  

图7　优化前后温度对比

4)风道优化，如增加防热风回流装置、减少进出风阻力、优化风扇与散热器之间的距离等。

因此不管未来的零售环境如何改变，CS渠道的店家必须坚持线下渠道的优势（体验性、服务性、可信性、即得性、社交性），然后拥抱改变，在坚持改变的基础上紧跟行业和零售的趋势去创新，加上优秀人才、团队的加持赋能，店家就能够保持足够的竞争力，才能够长期健康的有序发展。

在该车试验过程中，发现散热器周围存在明显的热风回流现象(即发动机舱内的热空气从散热器周围重新返回到散热器进风口)，导致散热器入口温度较高。通过增加防热风回流装置，降低散热器入口温度，如图7所示，从图中可以看出，增加防热风回流装置后，中冷器前冷却风温度与环境温度的差由优化前的15.2 ℃降低到3.2 ℃，从而提升了整车极限使用环境温度。

变电站控制终端也就是主计算机的引入，让变电站拥有了自己的大脑，可以根据变电站的实际运行情况作出判断和处理，在计算机终端短时间内反应，避免事故发生时由于处理不当或者处理不及时造成变电站故障，进一步导致整个油田电网的输变电事故。

5　整车验证

 

表5　整车试验结果

  

参数优化前优化后大扭矩点额定点大扭矩点额定点环境温度/℃302930．2829．86发动机出水温度/℃89．9882．2987．1681．30极限使用环境温度/℃40．0246．7143．1248．56

通过增加防热风回流装置，整车冷却性能得到提升，并进行整车验证，试验结果见表5。从表5中可以看出，优化后整车热平衡能力有了很大改善，满足冷却系统匹配要求，证明了优化方法的有效性。

6　结论

本文通过分析大量试验数据，总结出发动机进气流量的计算公式，为发动机进气流量的计算提供了方法；基于发动机台架热平衡测试数据，计算出中冷器和散热器的散热量，基于此散热量探讨了车用发动机冷却系统匹配方法，并通过整车试验验证，证明了该方法的可行性；最后，研究了整车冷却系统优化方法，并进行了验证，说明了该方法的准确性。

参考文献：

[1]许维达.柴油机动力装置匹配[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]钱金山.车用散热器设计研究[J].内燃机与配件. 2011(6):9-10.

[3]李登龙,缪平.让你的发动机“冷静”下来—水散热器散热面积的计算[J].MC 现代零部件，2007(1)：70-72.

[4]王帆.水冷散热器散热面积的计算[J]. 科技情报开发与经济, 2011,21(28): 176-178.

[5]亢文祥,徐磊,王兆华.内燃机车散热器散热面积与冷却风扇功率的匹配[J]. 内燃机车. 2003(05):12-14.