發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的設(shè)計(jì)

王鵬

摘 要：散熱器是軌道特種車(chē)輛乃至整個(gè)汽車(chē)行業(yè)重要附件，其性能的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱效果及其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，乃至產(chǎn)生安全問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：散熱器；芯部；上貯水箱；下貯水箱；管帶；冷卻管

1 概述

散熱器是軌道特種車(chē)輛乃至整個(gè)汽車(chē)行業(yè)重要附件，是水冷式內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)中不可缺少的一個(gè)組成部分，它的正常工作，保證了發(fā)動(dòng)機(jī)乃至整個(gè)車(chē)輛的工作效率和可靠性。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)體內(nèi)部最高溫度可達(dá)1800 ℃～2000 ℃，與高溫燃?xì)庀噙B的零件受到強(qiáng)烈的加熱，如不加以適當(dāng)?shù)睦鋮s，機(jī)內(nèi)溫度太高會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)充氣系數(shù)下降，燃燒不正常，如爆燃、早燃等不良現(xiàn)象，機(jī)油變質(zhì)，零件摩擦加劇，從而引起發(fā)動(dòng)機(jī)性能的全面惡化。散熱器的作用是將發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)冷卻液所攜帶的多余熱量經(jīng)過(guò)二次熱交換，在外界強(qiáng)制氣流的作用下，將多余的熱量散發(fā)到空氣中[1]。因此，散熱器性能的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱效果及其動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，乃至產(chǎn)生安全問(wèn)題。

2 散熱器的設(shè)計(jì)

散熱器的設(shè)計(jì)以符合發(fā)動(dòng)機(jī)在正常工作范圍內(nèi)散熱量而設(shè)計(jì)，同時(shí)，滿足車(chē)輛安裝需求的最小空間和維護(hù)方便等內(nèi)容綜合考慮。

2.1 散熱器的設(shè)計(jì)要求

散熱能力滿足發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的需要；冷卻系統(tǒng)消耗功率小，且熱機(jī)快；體積小，重量輕，便于拆裝維修；使用可靠，壽命長(zhǎng)，制造成本低。

2.2 散熱器的結(jié)構(gòu)

散熱器俗稱(chēng)水箱，它主要由上貯水箱、下貯水箱、散熱器芯和護(hù)風(fēng)圈組成，此外還有上下進(jìn)出水口、放水口、放氣孔和補(bǔ)水口等[2]。

2.2.1 散熱器的結(jié)構(gòu)形式 強(qiáng)制循環(huán)式水冷用散熱器可分為直流型和橫流型。直流型在特種軌道車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)上使用極為廣泛。。但是由于它的散熱芯子垂直布置，芯子上下分別布置了上、下水室，高度尺寸較大，在發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋較低的轎車(chē)上布置比較困難。所以有些轎車(chē)上采用橫流型。

2.2.2 散熱器芯子的結(jié)構(gòu)形式 散熱器芯子是散熱器的核心部分，起主要的散熱作用，由散熱管、散熱片（或散熱帶）、上下主片等組成，用極薄的導(dǎo)熱性能好的金屬及其合金制造，能使其以最小的質(zhì)量和尺寸達(dá)到最高的散熱效果[3]。

2.3 理論依據(jù)及計(jì)算

2.3.1 散入冷卻系統(tǒng)的熱量

Qw受許多復(fù)雜因素的影響，很難精確計(jì)算，可用下列經(jīng)驗(yàn)公式估算：

Qw=A ge Pe hu / 3600，kj/s ⑴

A-燃料熱能傳給冷卻系的分?jǐn)?shù)，取同類(lèi)機(jī)型的統(tǒng)計(jì)量，

ge-燃料消耗率，kg/kw.h；汽油機(jī)0.205～0.320 取0.25

Pe-發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率，

hu-燃料低熱值，一般取43100 kj/kg

若水冷式機(jī)油散熱器，要增加散熱量，Qw增大5%～10%.

2.3.2 冷卻水的循環(huán)量

Vw= Qw/△TwγwCw，m3/s ⑵

Δtw-冷卻水循環(huán)的容許溫升（6°～12°），取8°

rw-水的密度，（1000 kg/m3）

Cw-水比熱（4.187 kJ/kg.℃）

考慮到冷卻液在各管道中的沿程阻力，實(shí)際冷卻水循環(huán)量為Vp=1.2Vw

2.3.3 冷卻空氣的需要量Va

Va一般根據(jù)散熱器的散熱量來(lái)確定，散熱量可近似等于散入冷卻系統(tǒng)的熱量Qw。

Va= Qw/△taγaCpa，m3/s ⑶

Δta-散熱器前后流動(dòng)空氣的溫度差，取20℃

ra-空氣密度，一般ra取1.01 kg/m3

Cpa-空氣的定壓比熱，可取Cpa=1.047 kJ/kg.℃

2.3.4 散熱器所需的散熱面積F

已知散熱器散發(fā)的熱量后，所需散熱面積F可由下式計(jì)算：

K-散熱器的傳熱系數(shù)千卡/米2.小時(shí)

-散熱器貯備系數(shù)，水垢及油泥影響等，一般 = 1.1～1.5，取1.1

Δtm-冷卻水與空氣的平均溫差，取26°

散熱器的不同部位，其冷卻水與空氣溫差不同，通常采用平均溫差，

平均溫差Δtm可由下列式計(jì)算：

—散熱器進(jìn)水溫度，取 90° —散熱器出水溫度，取

—空氣進(jìn)入散熱器時(shí)的溫度，取20°

—空氣離開(kāi)散熱器時(shí)的溫度，取40°

αw—從冷卻水到散熱器壁的放熱系數(shù)，當(dāng)冷卻水流速為0.2～0.6 m/s時(shí)，αw約為2000～3500千卡/米2.小時(shí).℃，取3500。

—散熱管導(dǎo)熱系數(shù)，純鋁導(dǎo)熱系數(shù)為230W/m.k，換算為197.8千卡/米2.小時(shí).℃

δα—散熱管壁厚，0.0002 m

αL—散熱管到空氣的散熱系數(shù)，當(dāng)流過(guò)散熱管的空氣流速為10～20m/s時(shí)，αL=60～105千卡/米2.小時(shí).℃，取105。

3 散熱器材料的選擇

在選擇散熱器的材料時(shí)，主要考慮以下幾點(diǎn)：傳熱性能好、抗腐蝕能力強(qiáng)、具有足夠的強(qiáng)度、有良好的釬焊性能、易于加工成型及好的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)以上要求，散熱器行業(yè)一直以銅及銅合金作為制造主要材料。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)于散熱器行業(yè)來(lái)說(shuō)，要提高材料的利用率，減少銅的消耗，尋找替代材料，如鋁、鋅、鐵等。由于鋁資源較銅豐富，且比重僅為銅的1/3，具有質(zhì)量輕、散熱性能高、原材料成本低、可靠性好、鑄造加工性能良好等優(yōu)點(diǎn)。但其焊接工藝性差、生產(chǎn)設(shè)備投入大，限制了鋁散熱器的廣泛應(yīng)用。直到20世紀(jì)80年代，美國(guó)采用釬焊工藝制造鋁散熱器取得成功后，使其規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用成為可能。鋁制散熱器目前已在特種軌道車(chē)輛上廣泛使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊萬(wàn)福.發(fā)動(dòng)機(jī)原理與汽車(chē)性能.北京：高等教育出版社，2004.

[2]陸新儉，張翼，蘇鐵熊.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系管路熱交換研究.機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2007.

[3]張杰.簡(jiǎn)述發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及散熱量計(jì)算.裝備制造技術(shù)，2004.■endprint