基于计算流体力学汽车冷却系统散热器分析

李金泽 董辉 伊磊业

摘  要：近年来我国经济的发展，人们的生活水平不断提高，私家车成为人们主要的代步工具。散热器是汽车冷却系统重要的热交换单元，是复杂的气热交换单元。散热器的设计目标就是在匹配水阻、风阻性能的基础上，满足整车动力总成的散热需求，同时实现成本和质量的最優化。本文就基于计算流体力学汽车冷却系统散热器展开探讨。

引言

冷却系统散热器是发动机的重要组成部分，对发动机的动力性、经济性和可靠性有很大影响，是保持发动机正常工作的重要部件。如果发动机冷却系统散热器的维修率一直很高，会导致发动机其他部件的损坏，使发动机的整体工作能力受到影响，因此，汽车发动机冷却系统散热器的维护和保养就显得尤为重要。

1发动机冷却系统

构成发动机冷却系统的主要部件有水泵、节温器、散热器、冷却风扇等。每一个部件在冷却系统中都起着不同的作用。人们对发动机的动力性能追求越高，发动机排量的增加就会使缸内的部件的承受压力增加，这时需要冷却系统给发动机降温，把发动机工作中产生的热量带走。冷却系统的散热功能和发动机工作带来的热量相互联系，一旦发动机工作产生热量过大而超出负荷，就会给冷却系统带来一定损害。所以，在发动机冷却系统工作时需尽量缩短时间，这样不但不会浪费冷却系统功率，减少发动机在怠速时排出的污染物，还会给车主带来一定的经济性能，节约油耗和冷却液。发动机冷却系统要综合考虑发动机内部的摩擦情况、冷却系统的功率、冷却液的量等。要想更好地保障发动机良好工作，需降低发动机排气门周围金属的温度。因为在发动机工作过程中，温度最高的地方是排气门区域的温度。冷却系统冷却温度的基础是发动机满负荷时最大散热率。当冷却系统和发动机不能相符合时，就会产生大量油耗，污染物的排放也会增加。要想改善这个问题，就要把冷却系统工作温度提高。发动机工作带来的热量会直接影响发动机的使用和冷却效果，技术人员可以将冷却系统的温度调到140℃左右，气缸温度上升到185℃左右，相对降低油耗，提高冷却系统工作温度和发动机内的机油温度，降低发动机内的部件磨损，从而减低汽车油耗。

2散热器参数设计

4基于计算流体力学汽车冷却系统散热器分析

4.1散热器布置

一般轿车多采用散热器横流水结构，因为轿车车身较低，空间尺寸紧张。横流水结构散热器能充分地利用轿车的有限空间最大限度地增加散热器的迎风面积。散热器分成水冷和风冷两种冷却形式，风冷主要用在行驶在沙漠地带的车辆的冷却，但是绝大多数的车辆采用水冷冷却形式。散热器的悬置通常为四点悬置，也可以采用三点悬置。其中主悬置点为2个，辅助悬置点为2个或1个。所有悬置点应布置在同一个部件总成上，改善散热器受力情况，以尽量减少散热器的振动强度。主悬置点与其连接的部件总成之间以胶垫或胶套等柔性非金属材料过渡以达到减震的目的。主悬置点的胶垫压缩量一般为其自由高度的1/5左右。少数轿车因其整车的减振胶垫或胶套而进行刚性连接。

4.2更换冷却液

更换冷却液时，将仪表板的暖风开关拨至右端使暖风控制阀全开，拆下冷却液膨胀箱盖，松开水泵口软管夹箍，拉出冷却液软管，放出冷却液后再将软管夹箍拧紧。在膨胀箱中加入冷却液，直到液面高度与最高标志齐平为止，拧紧膨胀箱盖。启动发动机，直到风扇运转，将发动机熄火，检查冷却液高度，必要时补充。膨胀箱内冷却液加注1/2即可，不能注满，一般使用2年左右更换一次。

5发动机冷却系统的发展

为了提高发动机的整体性能，设计工作者要注意冷却系统中的各个部件。要将风扇、水套、散热器等部件优化匹配，经研究得到仿真计算，以改变风扇的具体结构，从而提高风扇降温的性能。正确的选择风扇材料，不但能够提高风扇性能，降低风扇功率，改善风扇结构以阻止气体的回流，还可大大增强风扇在冷却系统中的效率。在冷却水套设计上，要对缸垫水孔出水位置、尺寸以及机油冷却器出口位置进行合理调整，让防冻液能够充分流动。要想提高发动机冷却系统的效率，需从两个方面入手。首先是新材料的应用及部件结构的新设计，其次是对部件的智能驱动方式。传统冷却系统中，风扇和水泵的效率普遍不高，给冷却系统造成了大量的能源浪费。为提高冷却风扇的效率，用塑料翼形风扇取代圆弧型直叶片冷却风扇。从气体动力学的角度分析，翼形风扇能够改善风扇流场，提高风扇效率。另外，塑料表面的光洁度较高，使风扇高效区变宽。传统的冷却风扇由发动机驱动，装风扇的发动机与装有风罩的散热器必须分别用弹性支座固定在车架上。为避免在汽车运行中因振动而引起风扇与风罩相碰，风扇叶轮与风罩的径向间隙的设计数值大于15mm，大大降低了风扇的容积效率。风扇的总效率取决于容积效率、机械效率和液力效率的乘积。传统风扇叶片采用薄钢板冲压而成，其液力效率液较低，又加传动存在打滑损失，其机械效率不高，从而导致传统冷却风扇的总效率只有25%左右。采用电控风扇后，由电机直接驱动风扇，与原来的皮带传动相比，机械效率明显提高。电控冷却风扇完全脱离发动机，与风罩、散热器安装为一体，保证了风扇与风罩的同心度，进一步减小了径向间隙，导致风扇容积效率容大幅度提高。另外，采用翼形端面塑料和流线型风罩，使风扇气流入口形成良好的流线型气流，提高风扇的液力效率液。综合各项措施，最终使电动风扇的效率达到80%左右。

结语

随着汽车行业发展，汽车设计经验的积累，汽车冷却系统设计方法也会得到完善。目前汽车发动机冷却系统散热器不仅能够保护发动机，而且还具有改善燃料经济性和降低排放的作用，所以平常应用中应加强发动机散热器的维护与保养。

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