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1、发动机冷却系统设计参数的确定吴海荣 1,郭新民 2(1.聊城大学汽车与交通工程学院 ,山东聊城 252059;2.山东农业大学机械与电子 工程学院 ,山东泰安 271018摘 要 :发动机是工程机械的动力核心 , 其性能的好坏 ,将直接影响工程机械的使 用性能。在发动机冷却系统的改进设计中 ,可以采取先确定基本设计参数 ,后将原冷 却系统中水泵和风扇消耗功率及驱动转矩进行修正 ,以反推得到改进设计系统中冷 却风扇驱动元件参数的方法。该方法既能简化计算 ,又能满足设计需要 ,具有广泛的 应用价值。关键词:能源与动力工程 ;冷却系统;改进设计 ;发动机;设计参数中图分类号 :TK414.2 文献标
2、识码 :A 文章编号 :1003 188X(2007010223020 引言目前国内工程机械发动机冷却系统由于大多数都采用定传动比驱动 ,所以冷却 风扇的转速不能随发动机热状态的改变而自动进行调节 ,常常会出现工程机械在低 速大负荷工作时发动机温度过高 ;高速中小负荷工作时发动机过度冷却等现象 ,从而 影响工程进度。为此 ,要从根本上改变冷却系统的驱动方式 ,使冷却风扇的转速随发 动机冷却液的温度而自动调节 ,以满足发动机的实际散热需要 1 。在进行发动机冷却系统的改进设计中 ,为简化计算 ,需要先确定工程机械对冷却 系统所要求的散热量 ,并且根据热平衡的热量分配 ,散入冷却系统中的热量应当由
3、冷 却介质散走。因此 ,可以由发动机散入冷却系统中的热量来确定所需冷却水的循环 量及冷却空气的循环量 ,进而完成对水泵和风扇消耗功率及驱动转矩的计算 ,以反推 得到改进设计系统中冷却风扇驱动元件的参数。1 基本设计参数的确定目前 ,国内工程机械发动机大都是四行程柴油机 ,采用强制循环式水冷却系统。 为了满足散热要求 ,一般把最大功率工况 (额定工况作为冷却系统的计算工况。因此 从满足发动机的散热要求出发 ,在冷却系统的改进设计中 ,确定冷却系的散热量、冷 却水循环流量和冷却空气的流量这 3 个十分重要的基本设计参数 ,有着很重要的意 义。 1.1 散热量wQ冷却系应散发出去的热量即散热量或称散
4、热热流量 ,是设计冷却系统时的原始 数据 ,受发动机的结构型式及其压缩比、功率大小等许多复杂因素影响,很难进行精确计算。因此 ,设计时,通常采用经验公式 2进行确定 ,即3600ueewhNAgQ= kJ/s (1 式中 A传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比 ,对柴油机可取0.180.25;g内燃机燃料消耗率 ,额定工况时可取0.2100.270 /kW·h;eN内燃机功率 (kW;uh燃料低热值 ,柴油取 42500kJ/。1.2 冷却水循环流量wV,可由热平衡方程进水冷式发动机冷却水的循环体积流量简称冷却水的循环量 行计算 2,即wwwww ctQ= m3/s (2 式中 w
5、t? 冷却水在发动机中循环时的充许温升,对强制循环式水冷却系统 ,可取6°12,具体选择时要考虑环境温度的影响;w冷却水的密度 ,若为纯水 ,可近似地取1000kg/m3;c水的比热,若为纯水 ,可近似取 4.187kJ /kg ·。1.3 冷却空气需要量般根据散热器的散热冷却空气需要量 ,即冷却风扇的供风量或风扇的扇风量 量由热平衡方程收稿日期 :2006-02-27基金项目 :聊城大学科研基金资助项目 (x041030作者简介:吴海荣(1969-,女,山东聊城人 ,讲师,工学硕士, (E- mailqichexueyuanwu。确定。散热器的散热量一般等于冷却系统的散热
6、量 ,所以冷却空气的需要量2为aa a w a c t Q V ?=m 3/s (3式中 a t ? 空气进入散热器前后的温度差 ,通常为10°30。计算时可视工作环境情况具体进行选择 ;a 空气的密度 ,一般取 1.01kg/m 3; a c 空气的定压比热容 ,可近似取 1.047kJ/(·。2 水泵风扇消耗功率和驱动转矩的确定由于在发动机冷却系统的改进设计中 ,冷却风扇的驱动方式不同于原冷却系 统。所以 ,确定水泵及风扇的消耗功率和驱动转矩时 ,应对原冷却系统中水泵及风扇 的消耗功率和驱动转矩进行修正。 2.1 原冷却系统中水泵消耗的功率 p N水泵消耗的功率 ,主要
7、根据水泵的泵水压力及冷却水循环量 ,计算公式为 3w P P V N , =(4式中 P P 水泵的泵水压力。P P 取值 ,不但要保证足以克服水冷却系中所有的流动阻力并得到必要的冷却水 循环的流动速度 ,而且应使水在工作温度下 ,任一点的压力均大于此时的饱和蒸汽压 力 ,以免产生气蚀现象。另外 ,在选择水泵的容积效率 p V , 液,力效率 p h , 及机械 效率p m , 时 ,应满足水泵的总效率 p m p h p V p ,为20%=45%,这是因为国内外大量内燃机水泵的实验表明 ,水泵的总效率只有 20%45%3。 2.2 原冷却系统中风扇的消耗功率 f N风扇的消耗功率 ,主要取
8、决于冷却空气的需要量和风扇的压力 ,公式为 3fm f v f h af f V p N ,=(5式中 f p 风扇的压力又称风扇的供气压力。 为了使冷却空气能够顺利地通过 散热器并且把散热量带走 ,风扇所供给的冷却空气必须克服散热器及散热器以外的所有空气 通道的阻力。另外 ,因风扇的总效率只有 0.30.5,所以在选择风扇的容积效率 f v , ,液力效率 f h , 和机械效率 f m , 时,应满足风扇的总效率 f m f h f V f ,为=30%50%3。 2.3 原冷却系统驱动水泵及风扇的转矩 Tq根据原冷却系统中水泵及风扇的消耗功率 ,可别求得原冷却系统中驱动水泵及 风扇的转矩
9、为Tq 9550=(6 2.4 功率转矩的修正由于在一般情况下 ,驱动水泵所需功率及转矩比驱动风扇所需功率及转矩小得 多 ,而且水泵的工作环境变化也较小 ,所以主要是针对风扇进行功率及转矩的修正。 修正时 ,要考虑设计冷却系统与原冷却系统相比系统的传动总效率、所需散热量的 变化及对风扇效率的影响等因素对设计冷却系统散热能力的综合影响。3 结论实践证明 ,以上计算方法既能简化计算过程 ,又能满足设计需要 ,在发动机冷却系 统的改进设计中具有广泛的应用价值。 参考文献 :1 吴海荣 ,郭新民,孙运柱 .筑路机械液压驱动风扇冷却系统J.农机化研究,2005(3:149-150. 2 姚仲鹏,王新国.
10、车辆冷却传热 M.北 京:北京理工大学出版社 ,2001.3 杨连生.内燃机设计 M.中国农业出版社 ,1981. 4 陈培陵.汽车发动机原理M. 大连 :大连海事大学出版社 ,1998.Confirm of Design Parameter Determination of the Engine CoolingSystemWU Hai-rong 1, Guo Xin-min 2(1.School of Automobile & Traffic Engineering, Liaocheng University, Liaocheng 252059; China; 2.Mechanica
11、l & Electronic Engineering College, Shandong Agricultural University, Tai' an 271018, ChinaAbstract: In the improving design of the engine cooling system, we can define the basic design parameters first, and then correct the consumed power and driving torque of the water pump and fan of orig
12、inal cooling system, in order to push and get the parameters of the driving elements in the system instead, this method can simplify calculation, and also meet the needs of designing, has extensive using value.Key words :energy and power engineering; c ooling system; improving design;engine; design parameters