汽车散热性能是现代汽车工业角逐的战场之一，它性能的高低将会对汽车企业的发展产生很大影响。本文通过重新匹配散热器，达到了优化发动机冷却系统的目标。

任务来源及初期分析

2006年夏，根据长城汽车股份有限公司海外市场部人员在中东及中南美等热带地区反馈，发现公司内某款车的发动机冷却性能在当地同类车型不是最好的，或者说不是最理想的，尤其体现在以115~140km/h速度长距离行驶时。海外市场部人员希望公司的工程技术人员对冷却系统进行优化，以提高公司品牌形象。

笔者接到项目后充分评估了各种对冷却系统产生影响的因素，并进行了重新核算。最终确定淘汰使用“铜和锡”为原材料并使用传统加工工艺的散热器（本文单指此款铜散热器）。

由于铜材的导热系数为：

401W/m℃(25 ℃条件下)，铝材导热系数：250W/m℃（25℃条件下）。虽然铝的热传导率较铜低，仅约为铜的60%，但由于铜散热器存在热传导率更低的锡保护层，加之工艺水平的诸多原因，此款铜散热器可能散热效果不理想。初步分析认为现在市场上新工艺加工出来的双成份合成铝芯体和管带式结构，散热性能比铜散热器热效率应该高一些。因此，需要开发一款铝散热器。两款散热器的基本信息见表1。

核算冷却系统

1.计算冷却系统散走的热量

冷却系统散走的热量QW，受多复杂因素的影响，初估QW可使用下列计算公式：

A—传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，对汽油机  A的取值范围为：0.23~0.30；取A=0.25；

ge—内燃机燃油消耗率（kg/kWh）；取ge=0.32kg/kWh；

Ne—内燃机功率（kW）；Ne=78kW；

he—燃料低热值，he=43100kJ/kg；

因此：



2.计算冷却水循环量：

据散入冷却系统中的热量，可算出冷却水的循环量VW



△tW—冷却水在内燃机中循环时的容许温升，对于强制冷却系，可取△tW=（6~12）℃；

这里取△tW=9℃

 W—水的比重，可近似取 W=1 000kg/m3；

CW—水的比热，可近似取CW=4.187kJ/kg℃；

因此：



3.计算散热器水管数量：

散热器采用横截面形状（扁管）和横截面尺寸（0.002 ~0.022）

计算水管数



式中V水=水在散热器水管的流速（m/s），一般取值为（0.6~0.8）m/s；这里取V水=0.75m/s；

f0—每根水管的横截面积；(计算时应减去0.25mm的壁厚)

这里F0=3.14×0.000752+0.0015×（0.0215-0.0015）≈32×10-6（m2）；



这里理论上可以取i=84，根据散热器的结构布置为：2排，每排42根。但从实际经验考虑，实际确定的管数应该是（1.1~1.3）i，我们这里i实取100根。散热器的结构布置为：2排，每排50根。

4.散热器芯子正面面积

依据发动机排量计算散热器芯子正面面积：

Ff≥0.1+0.032Vn     
                                                           
式中：  Ff —芯子正面面积，m2；
 
Vn—发动机排量，L。此发动机排量为2.237L。

散热器正面面积Ff≥0.1+0.032×2.237=0.171584 m2

依据发动机额定功率计算散热器芯子正面面积：

Ff=（0.0027~0.0034）Nemax     
 
式中：  Nemax——发动机额定功率，78kW；根据经验，系数取下限为0.0027可得，发动机散热器正面面积Ff=0.0027×78=0.2106m2

从上述两次计算可知，散热器正面面积Ff应不小于0.2106m2。

5.散热器散热面积    

依据《汽车设计手册》提供公式：S=S比×Nemax   
                                                              
式中：S比—比散热面积，m2/kW。

S—发动机散热器散热面积

参考国内外产品，确定S比为0.1m2/kW

S=0.1×78=7.8m2

此款铝散热器散热面积应该大于设计要求散热面积7.8m2。

6.计算散热器芯体厚度LR



φ——散热器芯的容积紧凑系数，根据现在散热器的状态，这里取=1000m2/m3；

S ——散热器散热面积;

Ff ——热器芯子正面面积;



根据整车布置要求，散热器芯体厚度必须＞0.037m。核算数据对比，见表2。

散热器台架试验对比

1.试验项目

 散热性能的标准散热量和风阻

2.试验方法

按JB2293-78标准的规定进行，设备为一开式风洞及电加热的水箱（2个），并配置了相应的高精度测量仪表、调节装置及其他辅助设施。整套试验装置与计算机打印机联网。

全套试验由计算机控制。输入试验参数，确认后启动试验程序，就自动地进行试验、采集试验数据、记录并打印、最终绘制出散热性能曲线。

3.台架试验结果

表3、表4分别列出了铜和铝散热器在水流量为40、60、80、100和120 L/min条件下，不同重量风速情况下的标准散热量Qn和风阻△Pa。从表3和表4列出的试验测得数据说明，此款铝散热器散热性能好于此款铜散热器的散热性能。

将散热器安装在整车上，进行静态试验对比，可以得到试验结果。从试验数据可以看出，此款铝散热器散热效果好，散热器进、出水温度差近10℃，进水口温度几乎都在100℃以下。

将散热器安装在整车上，进行动态试验对比可以得到试验结果。从试验数据可以看出，此款铝散热器对发动机冷却性能较理想。

结束语

从以上试验结果我们可以看到，发动机最适宜的冷却液温度是85℃~95℃，测量点是上水室，在实际行车过程中120km/h也是最能考验这款车冷却性能的。经过优化的这款车在“中东及中南美国家的热带地区”已经销售三年多，该车优异的散热性能已经得到了很好的市场证明。