汽车散热器的设计与开发-part1

0开场白散热器(Radiator)是不是不死的行业?—电动车的威胁?散热器(Radiator)的功能:热交换1能量不生不灭—能量守恒引擎车—发热体(引擎、齿轮箱)—发热量大电动车--发热体(变压器、电池、齿轮箱)—发热量小凡发热体一定要散热否则工作体效率低—因此热交换器是不死的行业，但设计会改变。2未来的发展方向提高换热效率—有限尺寸、重量限制?新材料?成本?能量转换—有机会热交换—冷却水-空气热电效应—冷却水-空气-电池—冷却水-电池—新设计-电池其它:热光、热储存3汽车散热器的设计与开发A1Kargilis，P.E.1996年8月现代汽车已达到臻于完善的地步，在这里您可以肯定地说，改善它一定仅仅是在某一细节方面，而不是在改变它基本的结构。From,“TheModernGasolineAutomobile”,July,19214目录页数目标陈述3前言3历史4汽车冷却系统的设计5预测6实际设计6汽车引擎的冷却系统的预测过程9复习11基本热传导方程13引擎排热16引擎排热一般注意事项19设计和引擎汽车冷却系统的发展“路线图”20空气和冷却水温度24散热器的迎风面积26散热器选择27散热器效能32对数平均温差33总热传导系数34内部热传导系数35外部热传导系数36空气侧压降36冷却水泵性能37总结38习题42习题解答中英文对照44英制公制互换表44其它参考数据455图目录图说明页面1.引擎冷却原理。2.引擎能量平衡的8个。3.引擎满载对冷却水的散热量。4.冷却水泵和冷却系统阻力曲线5.引擎马力和力矩曲线6.自动变速器拒绝对冷却水热7.散热器热传导和空气冷却侧阻力8.散热器修正9.散热器冷却限制6目标任务陈述汽车散热器的设计与开发“设计、开发和实施世界级冷却系统，以确保最佳的质量、最低的成本、级别最高的顾客满意度”。前言引擎冷却方面的领域，在汽车本身的专业知识上，往往划分为不同的类别。一个跨学科的理解不仅在引擎冷却系统本身，而且对所有冷却系统的设计和功能会产生影响的汽车其它部分也要理解，如此才能真正达到“世界级”的特殊性能、高质量和成本低。这种理念同样适用于OEM和供货商。无论是OEM或供货商，工程师的职责，包括：设计理念。组件和系统的开发。耐久性。成本与时间。保修估计和减灾。原型零件调度和采购。工厂兼容性。启动协调。客户满意度。服务支持。持续产品改进。法律/政府咨询支持。材料与组件和系统设计规范。原始设备制造商OEM/供货商联络。制造过程批准。7原型车建立停止。＊本短期课程的目的是介绍和讨论，必须在统一的设计和一个汽车引擎冷却系统的发展，以帮助解决发展符合上述职责的基本概念。它首先利用冷却系统的基本原理估计冷却系统的大小来发展引擎的冷却系统，描述了各部件和最后的测试以作为车辆的一个组件。数字系统的应用可节省很多设计和开发时间，计算机分析模型的准确，减少零件和系统成本，以满足客户所需冷却系统。历史古希腊的科学作家斯提西比乌斯、阿基米得和阿里斯托芬和之后大约在公元前一世纪的罗马人维特鲁威和弗朗提努，曾研究并试验水的储存、输送、净化、冷却和加热性能。罗马的技术,包括焊接管接头与具有搭接接头和折迭管，至今仍被沿用于散热器管使用。压力、水头、流阻，热虹吸管，喷嘴，泵浦，热传递等的原理在当时已被开发了。早期的单缸汽油引擎使用一个开放式铸铁箱，内部装满了水来冷却汽缸壁。第一次密闭式冷引擎采用了热虹吸系统，该系统的原理是利用冷热水之间密度，通过散热器来循环换热器的水。1896年由亨利福特所建的第一辆汽车也是所用热虹吸原理。热传导装置是扁平状的容器被安装在驾驶员的座椅的下方位置。8汽车冷却系统的设计汽车冷却系统的设计工作可分成两个部分：1．预测早期阶段的设计在建立一个冷却系统“基础(房地产)”模型和基本散热器、风扇和风扇罩结构。在确立这个冷却系统时，必须非常小心，既使以后发生问题时也仅是小范围的修正。2．实车测试。早期的规则和原型是在风洞和热室中测试来选择冷却系统部件及了解汽车系统阻力特性和冷却水的流量。藉由精细冷却系统的调整来完成所有原型车辆的引擎和配件结构。最后进行实车测试而评估且确认系统的设计。9预测预测或分析过程中，四个基本模型的组成要素分别为车辆，传动系统，散热器和风扇。车辆该车型包括车辆系统阻力，从怠速到时速90MPH冲击空气、空调冷凝器散热、牵引力和轮胎的直径。如果是自动换档车且配备中继散热器，则中继散热器的排热也应包括进去。传动系统该驱动器模型包括引擎马力和扭矩、引擎排热给冷却水和机油、冷却水流量、自动变速箱排热给传动油、变速箱换档数、齿轮比和轴比。如果是涡轮增压引擎，马力的提升情况，也应包括在内。散热器该散热器模型包括散热和空气流量、空气侧压降、冷却水侧压降、散热和冷却水流量和迎风面积。风扇风扇模型包括风扇转速、静压、空气流量、风扇马力、扭矩和风扇效率。如果风扇是由粘性传动驱动，该驱动器滑溜性也应考虑进去。实车测试基于预测模型计算选定好散热器与风扇之后，开始广泛性冷却系统的开发，并使用下列三种基本的工具：1、引擎Buck2、风洞和热室3．西南等级10引擎Buck引擎Buck用于表征泵、确定垂直(管线)结构、优化出风罩(FOOS,Fanoutofshroud)尺寸和图标引擎的压力与冷却水温度的关系图。风洞和热室这些都是用于测量前端的空气流量和车辆系统阻力、确定车辆的性能曲线、当超过某一范围的车辆荷载（加挂钩）时，在油门全开或减速情况下，评估系统冷却换热器、选择冷凝器和散热器风扇密封。西南等级“热旅游”在美国西南部沙漠和山区公路等级的操作，在实际驾驶牵引车和挂车且包括行驶拉斯韦加斯或凤凰城的交通条件下，确认引擎冷却系统的设计汽车引擎的冷却系统的预测过程如下图：1112汽车引擎的冷却系统的预测过程通常一个汽车的设计通常都经过6个阶段即初步定义、初步设计、初原型(手工)、原型(制程)、试产和量化。在过去这些最多需要5年时间去完成，但在今天由于技术和高效率的提升，时间已被压缩至3年或更少。这意味着早期的设计过程中所作出的决定必须相当正确，否则会因为最后修改而耗资巨大成本且可能会延迟汽车的上市。其中，最重要的阶段是第二阶段「初步设计」。冷却工程师在初步设计阶段中会碰上以下组别：1．预规划工程师--设计及交出初步设计给工程委员会。2．引擎组--比冷却泵、引擎冷却电路和引擎马力和扭矩。3．造型或设计工作组—起草前端项目。4．传动系统组--选择轴比、传动齿轮和换档数。5．引擎电子组--比操作特性。6．气候控制组--提供冷凝器散热和空气侧阻力的数据。7．空气动力学组--提供迎风面、在引擎盖和循环气流图。8．道路试验组--提供车辆负载系数信息和降低成本分析。与工程委员会沟通并提供必要的初步预测数据而开始引擎冷却设计过程。数据库会提供汽车迎风面阻力、引擎排热、风扇和散热器信息，此外往年的数据也应提供，利用所建立的数学模型可在任何标准的计算机上执行，预测和比较实际换热器性能。当然，计算机的预测的准确性取决于所建立的数学模型如何表现冷却系统。该计算机的任何预测的有效性可以根据实际风洞和车辆实测的引擎冷却数据进行比对验证。在使用应用计算机模型之前，冷却设计工程师必须了解引擎冷却系统的过程。除了散热器和风扇之外，这也适用于整个冷却系统包括传动和引擎油冷却器、中间冷却器、管道等其它零组件。引擎冷却系统所需的基本数据如下：1．引擎马力和扭矩曲线。2．满载时，引擎排热给冷却水的数据。3．散热器冷却水的限制。134．冷却水泵和冷却系统阻力曲线。5．自动换文件散热到冷却水的数据。6．散热器热传导和空气侧阻力。7．散热器热传导及冷却水侧阻力。8．风扇性能。9．风扇粘性驱动滑溜。10．汽车风扇和系统的阻力。11．流经散热器的冲压空气。我们现在的目标是要利用这些信息，以适应一个散热器和风扇，以满足引擎冷却在初步设计上的限制。14151617基本热传导方程如图1所示，引擎冷却水从引擎和汽缸头中拾起热量。冷却水因为它流经散热器并将热量转移到空气中。这种热传导方式的模式可分为强制和自然对流、散热器和热传导。第一种模式是散热器的强迫对流换热，在稳流的条件下，冷却水经流散热器而与空气换热。18热传导速率公式的表示为：TcmQp(1)Q是热流量，BTU/hrm是质流，lbs/hrcp是流体比热，BTU/(lbF)ΔT是流体温度差，F。19由于空气中的热量是由冷却水赋予的，所以它流经过散热器的热量，等于转移到空气中的热量：Q冷却水=Q空气（2）Q热传导率也是散热器本身的函数，并可表示为：Q=UoAo(LMTD)（3）Uo：总热传导系数，BTU/(hrsqftF)Ao：散热器的外表面积，sqftLMTD：冷却水和空气之间的对数平均温差总热传导系数是“内部”热传导系数和“外部”热对流系数的函数，因此RAhAhUiiooo11(4)ho：外部热传导系数Ai：散热器内表面积hi：内部热传导系数R：热对流热阻20引擎排热在任何车辆中，预测过程由散热器尺寸设计开始到引擎排热给冷却水。图2提供一种典型汽油引擎的能量平衡。图2.1显示了一个典型的柴油引擎的热流特性。精确的燃料量和空气混合物以离散量被注入引擎中，在压力下点燃而作功并产生余热。燃烧产生的余热由引擎壁藉由热传导和热对流传递到冷却水。冷却水同时也吸收引擎摩擦和机油的热量。散热器的热是被强迫对流转移到大气中，冷却水是通过泵流经散热器。若车辆配备有自动换文件装置，热是从齿轮箱传动油传导至冷却水。此21外，如果任何换热器被安装在散热器、空调冷凝器、引擎和传动油冷却器、中间冷却器前面，当冷空气通过换热器而流经散热器时，大部分的排热被传给散热器。燃料在引擎中燃烧且热量从燃烧的气体转移到冷却水的机制是非常复杂的。有一些文献曾报导，可利用分析方法来计算引擎排热转移到冷却水的例子，它们可以作为教材使用，可用于比较不同引擎的操作模式、燃料空气混合物、容积效率等。但如果以散热器尺寸为设计目的的话，最好并建议的方法是使用实际满负载时，引擎排热的数据。该数据也可参考车辆在热风或隧道测试时引擎的转速数据。22如果排热设计数据不能用，则一个引擎或车辆有类似的设计特点，一些预定的设计和曲线可以应用如图3的建议。采用的数据应尽可能准确，因为2％的散热误差相当于冷却水大约在2F的温度误差。同一个种类的引擎排热值可能有高达5％的误差，图3的信息是相当重要的，它已尽可能地提供有用的数据。同样重要的是排热给冷却水数据的准确性、它是冷却水泵在一个引擎转速和温度范围内的流量。此信息通常是很容易得到，但应该与正在运行的车辆冷却系统包括所有管道的地方的排热测试相互应证。结果给出的数据，如图4所示。5200BTU/min23引擎排热一般注意事项如果只有一个引擎的动力曲线可用，一个保守WOT排热的估计如下：Q（BTU/min）=0.65*HP*42.2。无负载时，排热与速度呈现一线性函数。随着马力输出的增加，排热也呈现正比例的增加。12inchHgCoolantpump4000ERPM345lbs/min24汽油引擎点火时间会影响低速部分油门的排热。燃料中空气比例的增加会减少排热，燃料的蒸发热量会降低引擎的效率。压缩比的增加会提高热效率，减少热损失。汽油引擎的排热高于柴油引擎；然而，柴油引擎具有较高的摩擦热损。设计和引擎汽车冷却系统的发展“路线图”阶段动作1最大引擎马力的散热器尺寸。最大引擎马力的转速，4000ERPM。2在最大负载下，排热至冷却水，5200BTU/min3传动油排热至冷却水，720BTU/min4总排热至冷却水，5920BTU/min5比条件，等级W/拖车环境95F冷却水250F传动油300F引擎油270F空气-boilW/18PSIGcap115F增幅超过环境温度155F6比散热器迎风面积3.9平方英呎散热器迎风尺寸28“长x20”高7正常化排热Q*,9.8BTU/hrFft28散热器类型横流，28”长管9冷却水泵皮带轮的比例1.2泵转速4800冷却水流量345磅/分（40.7GPM）泵压力降2“汞柱10管长度校正0.