發動機散熱器的設計

王鵬

摘 要：散熱器是軌道特種車輛乃至整個汽車行業重要附件，其性能的好壞直接影響發動機的散熱效果及其動力性、經濟性和可靠性，乃至產生安全問題。

關鍵詞：關鍵詞：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輛乃至整個汽車行業重要附件，是水冷式內燃機冷卻系統中不可缺少的一個組成部分，它的正常工作，保證了發動機乃至整個車輛的工作效率和可靠性。當發動機運轉時，機體內部最高溫度可達1800 ℃～2000 ℃，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，零件摩擦加劇，從而引起發動機性能的全面惡化。散熱器的作用是將發動機水套內冷卻液所攜帶的多余熱量經過二次熱交換，在外界強制氣流的作用下，將多余的熱量散發到空氣中[1]。因此，散熱器性能的好壞直接影響發動機的散熱效果及其動力性、經濟性和可靠性，乃至產生安全問題。

2 散熱器的設計

散熱器的設計以符合發動機在正常工作范圍內散熱量而設計，同時，滿足車輛安裝需求的最小空間和維護方便等內容綜合考慮。

2.1 散熱器的設計要求

散熱能力滿足發動機在各種工況下的需要；冷卻系統消耗功率小，且熱機快；體積小，重量輕，便于拆裝維修；使用可靠，壽命長，制造成本低。

2.2 散熱器的結構

散熱器俗稱水箱，它主要由上貯水箱、下貯水箱、散熱器芯和護風圈組成，此外還有上下進出水口、放水口、放氣孔和補水口等[2]。

2.2.1 散熱器的結構形式 強制循環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輛發動機上使用極為廣泛。。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，在發動機罩蓋較低的轎車上布置比較困難。所以有些轎車上采用橫流型。

2.2.2 散熱器芯子的結構形式 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，用極薄的導熱性能好的金屬及其合金制造，能使其以最小的質量和尺寸達到最高的散熱效果[3]。

2.3 理論依據及計算

2.3.1 散入冷卻系統的熱量

Qw受許多復雜因素的影響，很難精確計算，可用下列經驗公式估算：

Qw=A ge Pe hu / 3600，kj/s ⑴

A-燃料熱能傳給冷卻系的分數，取同類機型的統計量，

ge-燃料消耗率，kg/kw.h；汽油機0.205～0.320 取0.25

Pe-發動機有效功率，

hu-燃料低熱值，一般取43100 kj/kg

若水冷式機油散熱器，要增加散熱量，Qw增大5%～10%.

2.3.2 冷卻水的循環量

Vw= Qw/△TwγwCw，m3/s ⑵

Δtw-冷卻水循環的容許溫升（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，實際冷卻水循環量為Vp=1.2Vw

2.3.3 冷卻空氣的需要量Va

Va一般根據散熱器的散熱量來確定，散熱量可近似等于散入冷卻系統的熱量Qw。

Va= Qw/△taγaCpa，m3/s ⑶

Δta-散熱器前后流動空氣的溫度差，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

已知散熱器散發的熱量后，所需散熱面積F可由下式計算：

K-散熱器的傳熱系數千卡/米2.小時

-散熱器貯備系數，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可由下列式計算：

—散熱器進水溫度，取 90° —散熱器出水溫度，取

—空氣進入散熱器時的溫度，取20°

—空氣離開散熱器時的溫度，取40°

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

—散熱管導熱系數，純鋁導熱系數為230W/m.k，換算為197.8千卡/米2.小時.℃

δα—散熱管壁厚，0.0002 m

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

3 散熱器材料的選擇

在選擇散熱器的材料時，主要考慮以下幾點：傳熱性能好、抗腐蝕能力強、具有足夠的強度、有良好的釬焊性能、易于加工成型及好的經濟性。根據以上要求，散熱器行業一直以銅及銅合金作為制造主要材料。隨著工業的不斷發展，對于散熱器行業來說，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點。但其焊接工藝性差、生產設備投入大，限制了鋁散熱器的廣泛應用。直到20世紀80年代，美國采用釬焊工藝制造鋁散熱器取得成功后，使其規模化生產和應用成為可能。鋁制散熱器目前已在特種軌道車輛上廣泛使用。

參考文獻：

[1]楊萬福.發動機原理與汽車性能.北京：高等教育出版社，2004.

[2]陸新儉，張翼，蘇鐵熊.發動機冷卻系管路熱交換研究.機械管理開發，2007.

[3]張杰.簡述發動機冷卻系統設計及散熱量計算.裝備制造技術，2004.■endprint