浅谈正三轮摩托车冷却水箱的设计
[摘要]风冷发动机在三轮摩托车使用过程中，可靠性和耐久性受到很大限制，在一定程度上制约了三轮摩托车的发展。通过合理的设计水冷冷却系统，发动机缸头温度可以得到有效降低、活塞环磨损明显改善，可以切实延长发动机的使用寿命。
[关键词]发动机冷却水箱道路试验缸头温度
中图分类号:U483文献标识码:A文章编号:1009-914X(2013)28-0069-01
近年来，三轮摩托车以其经济、实用等优势越来越受到广大农村消费者的青睐。水冷发动机的可以有效降低缸头，延长发动机寿命，更加适合三轮摩托车低速、重载工况的要求。结合工作实际，简单阐述一下冷却水箱的设计。
1.水箱的布置
三轮摩托车采用敞开式发动机舱设计，通风道的使用能够有效补充散热，减小水箱体积，降低成本，提高使用寿命。
2.冷却系统的设计要求
冷却的最终目的是维持发动机各部分拥有合适的温度。一般认为发动机冷却液的出口温度为95～100℃。冷却系统的设计，应满足在各种工况下发动机均能正常工作。通常要求火花塞垫片温度不高于240℃，机油温度不高于130℃。
3.发动机需要被冷却介质带走的热量
Q=A•be•Pe•hu/3600（kJ/s）（式1）
式中：Pe—发动机标定功率，KW；
be—燃油消耗率，Kg/(KW•h)，此处取SB125水冷发动机0.367Kg/(KW•h)；
hu—燃烧低热值，汽油为43100KJ/Kg；
A—传到冷却系统中的热量与燃料燃烧时的发热量的比值，
汽油机0.2-0.27（取0.25）。
Q=0.25•0.367•8.5•43100/3600=9.34（kJ/s）
4.实际散热量的计算
4.1 车速
V=2πRx (ne/in)x60/1000=0.097ne/in（式2）
式中：V—车辆行驶速度，km/h；
ne—发动机曲轴转速，r/min；
in—不同档位下的总传动比12.672（总传动比包括发动机变速箱
传动比4.055、倒档器传动比15：12及后桥传动比35：14）；
R—驱动轮滚动半径，m，此处使用4.0-12后轮，取0.258m。
4.2 车辆行驶过程中，冷却空气量的估算
车辆通风道处的有效面积约为理论截面积的25%左右，通风道的实际高度220mm，实际宽度230mm。车辆在行驶过程中，进入风道的有效空气量约为
V1=0.22×0.23×0.25×23.498/3.6=0.0826(m3/S)
此处取1档8500转工况的车速值23.498km/h。
4.3 冷却空气带走的热量
Q = Va •(Ta2-Ta1)•ρ•Cp（kJ/s）（式3）
式中：Cp—空气定压比热，一般为1.07KJ/Kg•C；
Ta1—冷却空气流向气缸时的温度，C；
Ta2—冷却空气离开气缸时的温度，C；
ρ— 空气的密度，取1.205kg/m3；
Q 风冷=0.0826 ×(65-39)×1.205×1.07=2.769（kJ/s）
此处取1档8500转工况的空气通过量0.0826m3/S，Ta1为当地夏季的当天最高气温39℃，Ta2为实测发动机出风口温度65℃。
比较可知，在仅使用空气冷却的情况下，冷却空气带走的热量远远不能满足发动机正常工作的需要，在经过53分钟的超载运行，发动机火花塞垫片温度超过276℃，机油温度超过143℃，车辆出现明显的动力下降，最终引起拉缸。
4.4 散热器放热量的计算
散热器放热公式
Qr=K•A•△Tm （式4）
式中，A—散热器空气侧的总散热面积（m2）；
K—是热通过率（W/m2℃）；
△Tm—是空气和冷却液的平均温度差。
△Tm≈[(Tw1+Tw2)-(Ta1+Ta2)]/2
[Tw1是散热器入口冷却液温度（℃）;Tw2是散热器出口冷却液温度（℃）;Ta1是散热器入口空气温度（℃）;Ta2是散热器出口空气温度（℃）]。
Qr=K×A×[(Tw1 + Tw2)-(Ta1 + Ta2)]/2 （式5）
根据水箱材质，我们选择热通过率K≈120W/m2℃，（选择SB150水冷发动机常用水箱进行安装路试，进行数据测量得到：A=1.74㎡、Tw1 =95 ℃ 、Tw2=85℃、Ta1=25℃、Ta2=45 ℃）
Qr=K×A×[(Tw1+Tw2)-(Ta1+Ta2)]/2 =11.49（kJ/s）
由上计算，可知此水箱的选取能够满足冷却性能的要求，为优化设计我们取1.2的安全系数，确定发动机所需要的冷却量为9.34×1.2=11.2（kJ/s），由此我们可以推算出水箱的散热面积为1.28㎡。
5.路试验证
新安装经优化设计过的水箱，进行50km的超载极低速运行，测得火花塞垫片温度在210℃左右，机油温度在115℃左右，没有发现明显的动力衰减。经过4000km的综合路况测试，发动机运转良好，没有发现拉缸现象。
6.结束语
综上所述，经过优化设计的发动机冷却水箱能够满足三轮摩托车低速、重载的需要。
参考文献
[1] 《汽车工程手册》编辑委员会，《汽车工程手册—摩托车篇》，2001.5，P289页。
[2] （日）鸠天幸夫 渡边横三等，发动机冷却系统的设计，《汽车设计制造指南》，2011.1，P84页。
作者简介
蔺保健，男，江苏徐州，1982.07，江苏宗申三轮摩托车有限公司，助理工程师，摩托车设计