汽车散热性能匹配研究与结果

液冷式永磁缓速器工作时会产生大量热能，该热量通过发动机的冷却系散发。发动机冷却系能否将缓速器产生的热量吸收并散发，这将影响发动机冷却系的工作状况，因此需要对缓速器与发动机的散热性能进行匹配设计。下面简要介绍发动机冷却系的设计方法。

发动机冷却系的功用是使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。冷却系既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷。在发动机起动之后，冷却系还要保证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度。汽车发动机的冷却系统为强制循环液冷系统，即利用水泵提高冷却液的压力，强制冷却液在发动机中循环流动。强制循环液冷系统由水泵、散热器、冷却风扇、节温器、补偿水桶、发动机机体和气缸盖中的水套以及其他附属装置等组成。从满足发动机和缓速器冷却散热的要求出发，在冷却系统的设计计算中，确定冷却系统的散热量、冷却液循环流量和冷却空气流量这三个基本参数有着十分重要的意义。

1.散热量

冷却系统应散发出去的热量即散热量或散热热流量，是设计冷却系统时的原始数据，与发动机的结构型式及其压缩比、功率大小有关，也与传动装置的型式及其设计有关。由于冷却系统应散发出去的热量受到许多复杂因素的影响，很难精确计算，因此，通常采用根据统计资料得出的经验公式或参照同系列发动机的实测数据进行估算。在采用经验公式估算时，发动机散热量Φ的估算为：

式中，a₀是发动机传给冷却系统的热量占燃料总热量的百分比，汽油机取a₀=0.23～0.30，柴油机取a₀=0.18～0.25；g_e是发动机的燃料消耗率，单位为kg/（kW·h）；N_e是发动机的有效功率，单位为kW；H_u为燃料的低热值，单位为kJ/kg，汽油取H_u=43100kJ/kg，柴油取H_u=41870kJ/kg。

图3-30 ABS连接器工作时序

如果发动机还有液冷式的机油散热器，则传入冷却系统中的热量，也应将机油传入的热量计算在内，则按式（3-4）计算的散热量Φ值应增大5%～10%；对于已有的发动机和传动装置，应通过热平衡试验来确定冷却系统的散热量。

2.冷却液循环流量

液冷式发动机冷却液的循环体积流量简称冷却液的循环量，根据冷却系统应散发出去的热量，由热平衡方程进行计算，即

式中，ΔT_w是冷却液在冷却系统内循环时允许的温升，ΔT_w通常为6～12℃，具体选择时要考虑环境温度的影响；ρ_w是冷却液的密度，一般取ρ_w=1000kg/m³；c_p，w是冷却液的比定压热容，可近似取c_p，w=4.187kJ/（kg·℃）。

3.冷却空气流量

冷却空气流量，即冷却风扇的供风量，一般根据散热器的散热量由热平衡方程确定，散热器的散热量一般等于冷却系统的散热量，所以冷却空气的需求量为

式中，ΔT_a是冷却空气进、出散热器前后的温差，通常为10～30℃，计算时可视工作环境情况具体进行选择；ρ_a是空气的密度，一般取ρ_a=1.01kg/m³；c_p，a是空气的比定压热容，可近似取c_p，a=1.047kJ/（kg·℃）。

根据前面计算得到的冷却系统的散热量、冷却液循环流量和冷却空气流量这三个基本参数，可以用来进行设计计算并选用合适的冷却系统主要部件。

1.散热器(www.xing528.com)

传热系数K_s是评价散热器散热性能的重要参数，它表示当冷却液与空气之间的温差为1℃时，每小时通过单位平方米与空气接触散热表面所散走的热量。提高传热系数可以改善散热器的散热性能，减少尺寸和材料的消耗。传热系数受散热器芯部结构、冷却液管路中冷却液的流速、通过散热器的空气流速、管片材料以及制造质量等许多因素的影响。散热器的另一质量指标是空气阻力ΔP_k，主要取决于散热芯的结构和尺寸。散热器的传热系数K_s和空气阻力ΔP_k，只能通过专门的试验才能确定。

选用散热器时，除了考虑外形尺寸外，主要根据散热芯与空气接触的总表面积，即所谓的散热面积F_s，其计算公式为

式中，Φ是冷却系统的散热量，单位为kW；K_s是散热器的传热系数，单位为kW/（m²·℃）；ΔT是散热器中冷却液与冷却空气的平均温度差，单位为℃。

2.液泵

目前发动机冷却系统普遍采用离心式液泵，为防止液泵发生气蚀，液泵应有足够的泵液压力，所以液泵主要根据所需的泵液量和泵液压力来选择，在发动机标定转速下推荐液泵的泵液压力达0.15～0.18MPa，并且液泵的相对进液速度不大于2.5m/s，也即比转速n_s要低一些。

式中，n是液泵转速，单位为r/min；h是液泵扬程，单位为m。泵液量V_b可根据冷却液循环量V_w初步确定，计算公式为

式中，V_w是冷却液循环流量，单位为m³/s；η_vs是液泵的容积效率，主要考虑液泵中冷却液的泄漏，一般取η_vs=0.8～0.9。选择液泵的具体尺寸时，还要考虑结构尺寸和液泵转速对泵液量和液泵扬程的影响。

3.冷却风扇

选择和设计冷却风扇的叶轮时，主要依据所要求的扇风量和风压。风扇扇风量V_f的计算公式为

式中，V_a是冷却空气流量，单位为m³/s；η_vf为风扇的容积效率，主要取决于风扇与导风罩之间的间隙，一般取η_vf=0.7～0.9。风扇产生的风压ΔP_f主要取决于气道的阻力，试验表明，一般ΔP_f=1.5～2，ΔP_k=30～50（kg/m²），另外选择风扇的结构参数和转速时，还要考虑风扇的扇风量和风压的影响因素。

液冷式永磁缓速器的冷却液循环方案如图3-31所示。冷却液在发动机与缓速器冷却循环系统中的循环路径为：冷却液在液泵压力的作用下从发动机液套套壁周围流过并从液套套壁吸收热而升温经发动机出液口，然后流入缓速器定子液套。若缓速器工作，则将热交换器的热量带走，然后流入节温器。若冷却液的温度小于80℃，则节温器的阀门关闭，即按发动机冷却系统的小循环路径经液泵到发动机的入液口，如此循环下去。当冷却液的温度大于80℃时，节温器的阀门开启，即按发动机冷却系统的大循环路径，冷却液从液套套壁周围流过并从液套套壁吸收热量，经发动机出液口，然后流入缓速器定子液套后流入节温器。然后冷却液经散热器进液软管流入散热器。在散热器中，冷却液向流过散热器周围的空气散热而降温；最后冷却液经散热器出液软管返回液泵，如此循环不已。此方案考虑了发动机的大、小循环，而且节温器也发挥了温度调节作用。

图3-31 液冷式永磁缓速器的冷却液循环方案