預(yù)備知識
發(fā)動機冷卻系由散熱器、水套、節(jié)溫器、風扇、水箱蓋、水泵、溫度傳感器、膨脹箱、分水管等組成。
熱量的轉(zhuǎn)移形式：
熱量的轉(zhuǎn)移有傳導(dǎo)、對流、輻射三種形態(tài)。自然界大量的熱量轉(zhuǎn)移是以輻射的形態(tài)進行的。我們生活的地球上所使用的能源幾乎都來自于遙遠的太陽的光輻射。幾十億年來，地球接受的輻射能和散發(fā)到太空的熱能維持著平衡，保證了生命的延續(xù)。
發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)移：熱量從發(fā)動機水套傳遞到散熱器內(nèi)部屬強制對流，熱量從散熱器內(nèi)部傳遞到外部屬熱傳導(dǎo)，熱量從散熱器傳遞到空氣也屬強制對流。
所謂的熱平衡包含了三個方面的平衡：
1、水泵揚程與管路各部分水阻之和相等；
2、風扇靜壓與各換熱器風阻之和相等；
3、發(fā)動機散發(fā)熱量與空氣吸收熱量相等。
散熱面積S
換熱器與空氣接觸的表面積。m2
散熱管計算外側(cè)面積。
散熱帶（片）計算兩側(cè)面積。
注：散熱帶（片）與散熱管重疊部分應(yīng)剔除。
散熱系數(shù)U：
換熱器單位散熱面積、單位溫度差時散熱能力。
kw/m2· k 或 kJ/h· m2· k
01 參數(shù)初選
根據(jù)發(fā)動機參數(shù)及以往設(shè)計經(jīng)驗，尋找具有合適管帶規(guī)格的散熱器、中冷器、油冷器，初步選擇各換熱裝置的正面面積、芯厚、波距等，各個換熱裝置的正面面積盡可能相同。
附：主機廠提供原始數(shù)據(jù)（我們希望該數(shù)據(jù)越齊全越好）。
根據(jù)顧客提供的冷卻液流量（額定功率點和最大扭矩點）計算管內(nèi)流速，從以往實驗報告中調(diào)用重量風速-風阻曲線、重量風速-散熱系數(shù)曲線。
02 沒有合適的參數(shù)該怎么辦？
如以往實驗未做過該流速的測試，可尋找散熱管散熱帶規(guī)格相同、波距也相同的兩條相近的重量風速-風阻曲線、重量風速-散熱系數(shù)曲線，用插值法做一條需要的曲線。
后續(xù)的很多參數(shù)都可以用插值法取得。
03 串聯(lián)時換熱器的布置
串聯(lián)的順序一般是空氣先經(jīng)過中冷器，再經(jīng)過機油冷卻器，最后經(jīng)過水散熱器。
如系統(tǒng)中有變矩器油冷卻器，則將其放在散熱器后面。
這主要是由于發(fā)動機的進氣溫度要控制在環(huán)境溫度以上20~25℃左右，液壓裝置的工作用油溫度要控制在環(huán)境溫度以上40℃左右，發(fā)動機進水溫度要控制在環(huán)境溫度以上55~60℃左右，而變矩器油的工作溫度還要高一些。
04 環(huán)境溫度與進風溫度
如風扇選用吸風方式，空氣直接從外界進入，則：環(huán)境溫度是中冷器的進風溫度、中冷器的出風溫度是機油冷卻器的進風溫度、機油冷卻器的出風溫度是散熱器的進風溫度。
如風扇選用吹風方式，空氣經(jīng)過發(fā)動機外表會吸收熱量，溫度高于環(huán)境溫度。中冷器的進風溫度會有所提高。
如果知道發(fā)動機外表的熱輻射，則可計算出進氣溫度的提高值。
05 空氣流量及風阻
散熱器、中冷器、油冷器串聯(lián)后置于某一流場中，當氣流達到穩(wěn)定時，空氣流量及風阻的關(guān)系類似于電學中電流與電壓的關(guān)系，即：它們的重量風速相等，且總的風阻是各個換熱裝置風阻疊加之和。如果有防護網(wǎng)，還應(yīng)當將其產(chǎn)生的風阻也疊加在總的風阻中。
電流：I1=I2=I3
空氣流量：v=va=vw=vo
電壓：V=V1+V2+V3
風阻：P=Pa+Pw+Po
06 風扇曲線的選擇
如風扇由發(fā)動機驅(qū)動，根據(jù)速比計算最大功率點和最大扭矩點時的風扇轉(zhuǎn)速，確定需轉(zhuǎn)換的風扇體積風速-靜壓曲線。極端情況下，考慮發(fā)動機110%負荷時或超速10%時的風扇轉(zhuǎn)速，調(diào)用體積風速-靜壓曲線。
有的發(fā)動機直驅(qū)風扇時，加了硅油離合器來控制轉(zhuǎn)速，也需要對最大功率點和最大扭矩點分別計算，調(diào)用曲線。
如風扇由電機或液壓馬達驅(qū)動，則選用電機或液壓馬達達到最高轉(zhuǎn)速時的體積風速-靜壓曲線。
當發(fā)動機提供給液壓泵的驅(qū)動力不足時，也需考慮最大扭矩點時的風扇轉(zhuǎn)速。
如風扇轉(zhuǎn)速與計算值有差異時，可用相鄰的兩條曲線按插值法作出需要的曲線。
上述方法對風扇轉(zhuǎn)速的調(diào)整控制都是基于發(fā)動機的出水溫度，其它換熱裝置應(yīng)留出足夠的性能余量，以保證在最惡劣工況條件下仍能滿足散熱要求。
07 風扇曲線的轉(zhuǎn)換
不同形狀的導(dǎo)風罩及風圈間隙對風扇效率均有影響，風扇與換熱器之間的距離也會影響風量的大小?？紤]了這些因素后，我們假定風扇驅(qū)動空氣全部通過了換熱器。
風扇體積風速-靜壓曲線是在常溫下測得，而換熱器設(shè)計考慮的是極端環(huán)境條件，溫度上升必然導(dǎo)致空氣密度下降。
根據(jù)環(huán)境溫度和換熱器正面面積進行計算，將選定的風扇體積風速-靜壓曲線轉(zhuǎn)換成重量風速-靜壓曲線。
如果長期在高原環(huán)境下使用，還應(yīng)考慮海拔高度對空氣密度的影響。
08 尋找平衡點
將疊加后的重量風速-風阻曲線與風扇重量風速-靜壓曲線復(fù)合，得到一個交點O，此時，風扇靜壓與風阻相等，風扇產(chǎn)生的重量風速與通過散熱器、中冷器、油冷器的風速相等。
此圖例未將防護網(wǎng)產(chǎn)生的風阻疊加進去。
此時散熱器、中冷器、油冷器的散熱系數(shù)，就是它們所具備的散熱能力。
散熱器、中冷器疊加后重量風速——風阻曲線
散熱器風阻曲線與風扇靜壓曲線復(fù)合
找到交點“O”對應(yīng)的散熱系數(shù)Ur
09 熱量的平衡
發(fā)動機散發(fā)的熱量被強制通過換熱器的空氣完全吸收，則：
Qw=Qa。
Qw ——發(fā)動機水套熱流量
Qa ——空氣吸熱量
根據(jù)公式
Qw=Gw· Cpw· （Tw1-Tw2）計算出水溫度Tw2。
Gw——水流量
Cpw ——水的比熱容
根據(jù)公式
Qa=Ga· Cpa· （Ta2-Ta1）計算出風溫度Ta2。
Ga——空氣流量
Cpa ——空氣的比熱容
10 平均溫差
散熱器散發(fā)熱量，水溫會逐漸下降；經(jīng)過散熱器的空氣吸收熱量，溫度會逐漸上升，因此芯部各點的氣水溫差都不一樣。
算數(shù)平均溫差：
ΔTrm≈
[（Tw1+Tw2）-（Ta1+Ta2）]
2
對數(shù)平均溫差：
ΔTrm=
[（Tw1-Ta2）-（Tw2-Ta1）]
ln[（Tw1-Ta2）/（Tw2-Ta1）]
氣水（液氣）溫差分布圖
11.氣水當量
計算氣水當量，它們的值對液氣平均溫差的實際值有很大的影響。
P=（Ta2-Ta1）/（Tw1-Ta1），
R=（Tw1-Tw2）/（Ta2-Ta1），
12.修正系數(shù)
根據(jù)P、R值查找對數(shù)平均溫差的修正系數(shù)Ft。
如P、R值均較小，或芯體厚度較小(≤50mm )，可視Ft≈1。
修正后的氣水平均溫差：
ΔTm= Ft ?ΔTrm
修正系數(shù)圖
13 散熱系數(shù)計算
帶入散熱量、進出水溫、進出氣溫、散熱面積、流量等參數(shù)，算出熱平衡時的散熱系數(shù)。
Uw = Qw/（S*ΔTm）
其中：S——散熱器管、帶散熱面積之和 m2
Qw——散熱量 kw
14 比較
散熱器本身具備的散熱系數(shù)Ur已通過前面的做圖法找出。
與計算所得的散熱系數(shù)Uw比較，
30% ≥ Ur/ Uw—1 ≥ 15%
保證散熱性能有一定的儲備。
這里我們主要考慮了產(chǎn)品制造工藝的穩(wěn)定性和使用過程中灰塵、污漬沉積在換熱器表面對散熱性能的影響。
15 重新計算
如計算所得散熱系數(shù)達不到上述要求或保險系數(shù)過大，應(yīng)調(diào)整散熱面積，重新計算。
如調(diào)整面積達不到要求，可調(diào)整正面面積重復(fù)步驟1~14。
如正面面積不可調(diào)整，可調(diào)整散熱管、帶規(guī)格再重復(fù)步驟1~14。
16 進入圖紙設(shè)計階段
算結(jié)果 1.30≥ Ur／Uw≥1.15
參數(shù)設(shè)計滿足要求，可以進入圖紙設(shè)計階段。
保留15%~30%的余量，發(fā)動機可以在比極限溫度高1~2℃ 的條件下使用而不報警；或散熱管、散熱帶表面有污漬后仍能滿足散熱要求。
編輯：李大鈞
