预备知识
发动机冷却系由散热器、水套、节温器、风扇、水箱盖、水泵、温度传感器、膨胀箱、分水管等组成。
热量的转移形式：
热量的转移有传导、对流、辐射三种形态。自然界大量的热量转移是以辐射的形态进行的。我们生活的地球上所使用的能源几乎都来自于遥远的太阳的光辐射。几十亿年来，地球接受的辐射能和散发到太空的热能维持着平衡，保证了生命的延续。
发动机冷却系统的热量转移：热量从发动机水套传递到散热器内部属强制对流，热量从散热器内部传递到外部属热传导，热量从散热器传递到空气也属强制对流。
所谓的热平衡包含了三个方面的平衡：
1、水泵扬程与管路各部分水阻之和相等；
2、风扇静压与各换热器风阻之和相等；
3、发动机散发热量与空气吸收热量相等。
散热面积S
换热器与空气接触的表面积。m2
散热管计算外侧面积。
散热带（片）计算两侧面积。
注：散热带（片）与散热管重叠部分应剔除。
散热系数U：
换热器单位散热面积、单位温度差时散热能力。
kw/m2· k 或 kJ/h· m2· k
01 参数初选
根据发动机参数及以往设计经验，寻找具有合适管带规格的散热器、中冷器、油冷器，初步选择各换热装置的正面面积、芯厚、波距等，各个换热装置的正面面积尽可能相同。
附：主机厂提供原始数据（我们希望该数据越齐全越好）。
根据顾客提供的冷却液流量（额定功率点和最大扭矩点）计算管内流速，从以往实验报告中调用重量风速-风阻曲线、重量风速-散热系数曲线。
02 没有合适的参数该怎么办？
如以往实验未做过该流速的测试，可寻找散热管散热带规格相同、波距也相同的两条相近的重量风速-风阻曲线、重量风速-散热系数曲线，用插值法做一条需要的曲线。
后续的很多参数都可以用插值法取得。
03 串联时换热器的布置
串联的顺序一般是空气先经过中冷器，再经过机油冷却器，最后经过水散热器。
如系统中有变矩器油冷却器，则将其放在散热器后面。
这主要是由于发动机的进气温度要控制在环境温度以上20~25℃左右，液压装置的工作用油温度要控制在环境温度以上40℃左右，发动机进水温度要控制在环境温度以上55~60℃左右，而变矩器油的工作温度还要高一些。
04 环境温度与进风温度
如风扇选用吸风方式，空气直接从外界进入，则：环境温度是中冷器的进风温度、中冷器的出风温度是机油冷却器的进风温度、机油冷却器的出风温度是散热器的进风温度。
如风扇选用吹风方式，空气经过发动机外表会吸收热量，温度高于环境温度。中冷器的进风温度会有所提高。
如果知道发动机外表的热辐射，则可计算出进气温度的提高值。
05 空气流量及风阻
散热器、中冷器、油冷器串联后置于某一流场中，当气流达到稳定时，空气流量及风阻的关系类似于电学中电流与电压的关系，即：它们的重量风速相等，且总的风阻是各个换热装置风阻叠加之和。如果有防护网，还应当将其产生的风阻也叠加在总的风阻中。
电流：I1=I2=I3
空气流量：v=va=vw=vo
电压：V=V1+V2+V3
风阻：P=Pa+Pw+Po
06 风扇曲线的选择
如风扇由发动机驱动，根据速比计算最大功率点和最大扭矩点时的风扇转速，确定需转换的风扇体积风速-静压曲线。极端情况下，考虑发动机110%负荷时或超速10%时的风扇转速，调用体积风速-静压曲线。
有的发动机直驱风扇时，加了硅油离合器来控制转速，也需要对最大功率点和最大扭矩点分别计算，调用曲线。
如风扇由电机或液压马达驱动，则选用电机或液压马达达到最高转速时的体积风速-静压曲线。
当发动机提供给液压泵的驱动力不足时，也需考虑最大扭矩点时的风扇转速。
如风扇转速与计算值有差异时，可用相邻的两条曲线按插值法作出需要的曲线。
上述方法对风扇转速的调整控制都是基于发动机的出水温度，其它换热装置应留出足够的性能余量，以保证在最恶劣工况条件下仍能满足散热要求。
07 风扇曲线的转换
不同形状的导风罩及风圈间隙对风扇效率均有影响，风扇与换热器之间的距离也会影响风量的大小。考虑了这些因素后，我们假定风扇驱动空气全部通过了换热器。
风扇体积风速-静压曲线是在常温下测得，而换热器设计考虑的是极端环境条件，温度上升必然导致空气密度下降。
根据环境温度和换热器正面面积进行计算，将选定的风扇体积风速-静压曲线转换成重量风速-静压曲线。
如果长期在高原环境下使用，还应考虑海拔高度对空气密度的影响。
08 寻找平衡点
将叠加后的重量风速-风阻曲线与风扇重量风速-静压曲线复合，得到一个交点O，此时，风扇静压与风阻相等，风扇产生的重量风速与通过散热器、中冷器、油冷器的风速相等。
此图例未将防护网产生的风阻叠加进去。
此时散热器、中冷器、油冷器的散热系数，就是它们所具备的散热能力。
散热器、中冷器叠加后重量风速——风阻曲线
散热器风阻曲线与风扇静压曲线复合
找到交点“O”对应的散热系数Ur
09 热量的平衡
发动机散发的热量被强制通过换热器的空气完全吸收，则：
Qw=Qa。
Qw ——发动机水套热流量
Qa ——空气吸热量
根据公式
Qw=Gw· Cpw· （Tw1-Tw2）计算出水温度Tw2。
Gw——水流量
Cpw ——水的比热容
根据公式
Qa=Ga· Cpa· （Ta2-Ta1）计算出风温度Ta2。
Ga——空气流量
Cpa ——空气的比热容
10 平均温差
散热器散发热量，水温会逐渐下降；经过散热器的空气吸收热量，温度会逐渐上升，因此芯部各点的气水温差都不一样。
算数平均温差：
ΔTrm≈
[（Tw1+Tw2）-（Ta1+Ta2）]
2
对数平均温差：
ΔTrm=
[（Tw1-Ta2）-（Tw2-Ta1）]
ln[（Tw1-Ta2）/（Tw2-Ta1）]
气水（液气）温差分布图
11.气水当量
计算气水当量，它们的值对液气平均温差的实际值有很大的影响。
P=（Ta2-Ta1）/（Tw1-Ta1），
R=（Tw1-Tw2）/（Ta2-Ta1），
12.修正系数
根据P、R值查找对数平均温差的修正系数Ft。
如P、R值均较小，或芯体厚度较小(≤50mm )，可视Ft≈1。
修正后的气水平均温差：
ΔTm= Ft ?ΔTrm
修正系数图
13 散热系数计算
带入散热量、进出水温、进出气温、散热面积、流量等参数，算出热平衡时的散热系数。
Uw = Qw/（S*ΔTm）
其中：S——散热器管、带散热面积之和 m2
Qw——散热量 kw
14 比较
散热器本身具备的散热系数Ur已通过前面的做图法找出。
与计算所得的散热系数Uw比较，
30% ≥ Ur/ Uw—1 ≥ 15%
保证散热性能有一定的储备。
这里我们主要考虑了产品制造工艺的稳定性和使用过程中灰尘、污渍沉积在换热器表面对散热性能的影响。
15 重新计算
如计算所得散热系数达不到上述要求或保险系数过大，应调整散热面积，重新计算。
如调整面积达不到要求，可调整正面面积重复步骤1~14。
如正面面积不可调整，可调整散热管、带规格再重复步骤1~14。
16 进入图纸设计阶段
算结果 1.30≥ Ur／Uw≥1.15
参数设计满足要求，可以进入图纸设计阶段。
保留15%~30%的余量，发动机可以在比极限温度高1~2℃ 的条件下使用而不报警；或散热管、散热带表面有污渍后仍能满足散热要求。
编辑：李大钧
