基于計算流體力學汽車冷卻系統散熱器分析

李金澤 董輝 伊磊業

摘 ?要：近年來我國經濟的發展，人們的生活水平不斷提高，私家車成為人們主要的代步工具。散熱器是汽車冷卻系統重要的熱交換單元，是復雜的氣熱交換單元。散熱器的設計目標就是在匹配水阻、風阻性能的基礎上，滿足整車動力總成的散熱需求，同時實現成本和質量的最優化。本文就基于計算流體力學汽車冷卻系統散熱器展開探討。

引言

冷卻系統散熱器是發動機的重要組成部分，對發動機的動力性、經濟性和可靠性有很大影響，是保持發動機正常工作的重要部件。如果發動機冷卻系統散熱器的維修率一直很高，會導致發動機其他部件的損壞，使發動機的整體工作能力受到影響，因此，汽車發動機冷卻系統散熱器的維護和保養就顯得尤為重要。

1發動機冷卻系統

構成發動機冷卻系統的主要部件有水泵、節溫器、散熱器、冷卻風扇等。每一個部件在冷卻系統中都起著不同的作用。人們對發動機的動力性能追求越高，發動機排量的增加就會使缸內的部件的承受壓力增加，這時需要冷卻系統給發動機降溫，把發動機工作中產生的熱量帶走。冷卻系統的散熱功能和發動機工作帶來的熱量相互聯系，一旦發動機工作產生熱量過大而超出負荷，就會給冷卻系統帶來一定損害。所以，在發動機冷卻系統工作時需盡量縮短時間，這樣不但不會浪費冷卻系統功率，減少發動機在怠速時排出的污染物，還會給車主帶來一定的經濟性能，節約油耗和冷卻液。發動機冷卻系統要綜合考慮發動機內部的摩擦情況、冷卻系統的功率、冷卻液的量等。要想更好地保障發動機良好工作，需降低發動機排氣門周圍金屬的溫度。因為在發動機工作過程中，溫度最高的地方是排氣門區域的溫度。冷卻系統冷卻溫度的基礎是發動機滿負荷時最大散熱率。當冷卻系統和發動機不能相符合時，就會產生大量油耗，污染物的排放也會增加。要想改善這個問題，就要把冷卻系統工作溫度提高。發動機工作帶來的熱量會直接影響發動機的使用和冷卻效果，技術人員可以將冷卻系統的溫度調到140℃左右，氣缸溫度上升到185℃左右，相對降低油耗，提高冷卻系統工作溫度和發動機內的機油溫度，降低發動機內的部件磨損，從而減低汽車油耗。

2散熱器參數設計

4基于計算流體力學汽車冷卻系統散熱器分析

4.1散熱器布置

一般轎車多采用散熱器橫流水結構，因為轎車車身較低，空間尺寸緊張。橫流水結構散熱器能充分地利用轎車的有限空間最大限度地增加散熱器的迎風面積。散熱器分成水冷和風冷兩種冷卻形式，風冷主要用在行駛在沙漠地帶的車輛的冷卻，但是絕大多數的車輛采用水冷冷卻形式。散熱器的懸置通常為四點懸置，也可以采用三點懸置。其中主懸置點為2個，輔助懸置點為2個或1個。所有懸置點應布置在同一個部件總成上，改善散熱器受力情況，以盡量減少散熱器的振動強度。主懸置點與其連接的部件總成之間以膠墊或膠套等柔性非金屬材料過渡以達到減震的目的。主懸置點的膠墊壓縮量一般為其自由高度的1/5左右。少數轎車因其整車的減振膠墊或膠套而進行剛性連接。

4.2更換冷卻液

更換冷卻液時，將儀表板的暖風開關撥至右端使暖風控制閥全開，拆下冷卻液膨脹箱蓋，松開水泵口軟管夾箍，拉出冷卻液軟管，放出冷卻液后再將軟管夾箍擰緊。在膨脹箱中加入冷卻液，直到液面高度與最高標志齊平為止，擰緊膨脹箱蓋。啟動發動機，直到風扇運轉，將發動機熄火，檢查冷卻液高度，必要時補充。膨脹箱內冷卻液加注1/2即可，不能注滿，一般使用2年左右更換一次。

5發動機冷卻系統的發展

為了提高發動機的整體性能，設計工作者要注意冷卻系統中的各個部件。要將風扇、水套、散熱器等部件優化匹配，經研究得到仿真計算，以改變風扇的具體結構，從而提高風扇降溫的性能。正確的選擇風扇材料，不但能夠提高風扇性能，降低風扇功率，改善風扇結構以阻止氣體的回流，還可大大增強風扇在冷卻系統中的效率。在冷卻水套設計上，要對缸墊水孔出水位置、尺寸以及機油冷卻器出口位置進行合理調整，讓防凍液能夠充分流動。要想提高發動機冷卻系統的效率，需從兩個方面入手。首先是新材料的應用及部件結構的新設計，其次是對部件的智能驅動方式。傳統冷卻系統中，風扇和水泵的效率普遍不高，給冷卻系統造成了大量的能源浪費。為提高冷卻風扇的效率，用塑料翼形風扇取代圓弧型直葉片冷卻風扇。從氣體動力學的角度分析，翼形風扇能夠改善風扇流場，提高風扇效率。另外，塑料表面的光潔度較高，使風扇高效區變寬。傳統的冷卻風扇由發動機驅動，裝風扇的發動機與裝有風罩的散熱器必須分別用彈性支座固定在車架上。為避免在汽車運行中因振動而引起風扇與風罩相碰，風扇葉輪與風罩的徑向間隙的設計數值大于15mm，大大降低了風扇的容積效率。風扇的總效率取決于容積效率、機械效率和液力效率的乘積。傳統風扇葉片采用薄鋼板沖壓而成，其液力效率液較低，又加傳動存在打滑損失，其機械效率不高，從而導致傳統冷卻風扇的總效率只有25%左右。采用電控風扇后，由電機直接驅動風扇，與原來的皮帶傳動相比，機械效率明顯提高。電控冷卻風扇完全脫離發動機，與風罩、散熱器安裝為一體，保證了風扇與風罩的同心度，進一步減小了徑向間隙，導致風扇容積效率容大幅度提高。另外，采用翼形端面塑料和流線型風罩，使風扇氣流入口形成良好的流線型氣流，提高風扇的液力效率液。綜合各項措施，最終使電動風扇的效率達到80%左右。

結語

隨著汽車行業發展，汽車設計經驗的積累，汽車冷卻系統設計方法也會得到完善。目前汽車發動機冷卻系統散熱器不僅能夠保護發動機，而且還具有改善燃料經濟性和降低排放的作用，所以平常應用中應加強發動機散熱器的維護與保養。

參考文獻

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