發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范

1、金龍客車 KING-LONG 通行世界編號：冷卻系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范編制： 萬 濤 校對：審核：批準：廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司技術(shù)中心年 月 日一、 概述要使發(fā)動機正常工作，必須使其得到適度的冷卻，冷卻不足或冷卻過度均會帶來嚴重的影響。冷卻不足，發(fā)動機過熱，會破壞各運動機件原來正常的配合間隙，導(dǎo)致摩擦阻力增加，磨損加劇，特別是活塞環(huán)和氣缸壁之間的運動，嚴重時會發(fā)生燒蝕、卡滯，使發(fā)動機停轉(zhuǎn)或者發(fā)生“拉缸”現(xiàn)象，刮傷活塞或氣缸，更嚴重時還會發(fā)生連桿打爛氣缸體現(xiàn)象。也會使?jié)櫥妥兿?，運動機件間的油膜破壞，造成干摩擦或半干摩擦，加速磨損。同時會降低發(fā)動機充氣量，使發(fā)動機功率下降。發(fā)動機過度冷卻時，由于冷卻

2、水帶走太多熱量，使發(fā)動機功率下降、動力性能變差。發(fā)動機過冷，氣缸磨損加劇。同時，由于過冷，混合氣形成的液體，容易進入曲軸箱使?jié)櫥妥兿?，影響潤滑作用。由此可見，使發(fā)動機工作溫度保持在最適宜范圍內(nèi)的冷卻系，是何其重要。一般地，發(fā)動機最適宜的工作溫度是其氣缸蓋處冷卻水溫度保持在8090，此時發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性最好。二、 冷卻系統(tǒng)設(shè)計的總體要求a)具有足夠的冷卻能力，保證在所有工況下發(fā)動機出水溫度低于所要求的許用值（一般為55°）；b) 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)保證散熱器上水室的溫度不超過99 。c) 采用105 kPa壓力蓋，在不連續(xù)工況運行下，最高水溫允許到110 ，但一年中水溫達到和超過

3、99 的時間不應(yīng)超過50 h。d) 冷卻液的膨脹容積應(yīng)等于整個系統(tǒng)冷卻液容量的6 %。e) 冷卻系統(tǒng)必須用不低于19 L/min的速度加注冷卻液，直至達到應(yīng)有的冷卻液平面，以保證所有工作條件下氣缸體水套內(nèi)冷卻液能保持正常的壓力。三、冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成液體冷卻系主要由以下部件組成：散熱器、風(fēng)扇、風(fēng)扇護風(fēng)罩、皮帶輪、風(fēng)扇離合器、水泵、節(jié)溫器、副水箱、發(fā)動機進水管、發(fā)動機出水管、散熱器除氣管、發(fā)動機除氣管等。四、主要部件的設(shè)計選型1、 散熱器散熱器的散熱量（Q）和散熱器散熱系數(shù)（K）、散熱器散熱面積（A）及氣液溫差（T）有關(guān)： Q=K·A·T其中：Q-散熱器的散熱量（kcal/h）K

4、-散熱器散熱系數(shù)（kcal/m2hºC）A-散熱器散熱面積（m2）T-氣液溫差：散熱器進水溫度和散熱器進風(fēng)溫度之差（ºC）散熱器的散熱系數(shù)是代表散熱效率的重要指標，主要影響因素如下： 冷卻管內(nèi)冷卻液的流速-據(jù)試驗結(jié)果，冷卻液流速由0.2m/s提高到0.8m/s，散熱效率有較大提高，但超過0.8m/s后，效果不大； 通過散熱器芯部的空氣流量-空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，因此散熱器的散熱能力主要取決于空氣的流動，通過散熱器芯部的風(fēng)量起了決定性作用； 散熱器的材料和管帶的厚度-國內(nèi)散熱器的材料目前基本上已標準化； 制造質(zhì)量-主要是冷卻管和散熱帶之間的貼合性和焊接質(zhì)量；1.1 散熱器是冷卻

5、系統(tǒng)中的重要部件，其主要作用是對發(fā)動機進行強制冷卻，以保證發(fā)動機能始終處于最適宜的溫度狀態(tài)下工作，以獲得最高的動力性、經(jīng)濟性和可靠性。1.2 發(fā)動機最適宜的冷卻液溫度為85 95 ，測量位置在散熱器的上水室。1.3 散熱器和風(fēng)扇組合匹配效率是當(dāng)散熱器芯子未被氣流掃過的面積最小時為最高，因此，最好采用接近正方形的散熱器芯子。1.4 散熱器的總散熱面積、芯子的迎風(fēng)面積、結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)尺寸要通過發(fā)動機冷卻系統(tǒng)所需最大散熱量來計算確定，并應(yīng)通過試驗評價來最終確定。但一般可按散熱器芯子的迎風(fēng)面積來估算：0.310.38m2/100kW，載貨車和前置客車通風(fēng)良好時，可取下限值；后置客車通風(fēng)欠佳時可取上限值

6、；城市公交車長期低速運轉(zhuǎn)可偏下限值；自卸車、牽引車、山區(qū)長途客運車等經(jīng)常大負荷運行的車輛可偏上限值。1.5 散熱器進風(fēng)口的實際面積不得小于散熱器芯子迎風(fēng)面積的80 %，以防止散熱能力下降。后置客車散熱器的進風(fēng)通道要與發(fā)動機艙密封隔離，散熱器周圍要安裝密封橡膠，以防止發(fā)動機艙的熱風(fēng)回流到進風(fēng)通道，影響散熱性能；進風(fēng)通道的面積應(yīng)不小于散熱器芯子的迎風(fēng)面積。1.6 在灰塵多的臟環(huán)境下使用時，應(yīng)選用直排或斜排冷卻管，且管子間隔要大，以避免散熱器芯子堵塞，影響散熱效果。1.7 散熱器安裝時，緊固必須牢靠，與車架的連接必須采用減振墊，采用減振墊的目的是為了隔離和吸收來自車架的部份振動和沖擊，使散熱器在車輛

7、運行中，不致發(fā)生振裂、扭曲等非正常損壞，延長散熱器壽命。1.8 因為散熱器與車架之間安裝有隔振橡膠，因而形成了絕緣狀態(tài)，通過冷卻液介質(zhì)，在散熱器與車架之間產(chǎn)生了電位差，在冷卻液中產(chǎn)生了微弱電流，使冷卻系統(tǒng)的零部件發(fā)生電腐蝕。因此，一定要采取散熱器負極接地等措施，消除電位差，防止電腐蝕。2 冷卻風(fēng)扇風(fēng)扇選型主要考慮風(fēng)扇的風(fēng)量、噪聲和功率消耗。風(fēng)扇風(fēng)量（G）與風(fēng)扇直徑（D）、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（n）之間存在如下比例關(guān)系：G=K1nD3-其中K1為比例系數(shù)而風(fēng)扇噪聲的聲壓級（SPL）和風(fēng)扇直徑（D）、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速（n）之間存在如下比例關(guān)系：SPL= K2n3D2-其中K2為比例系數(shù)根據(jù)上述比例關(guān)系可得：SPL=

8、K3Qn2/D-其中K3為比例系數(shù)2.1 冷卻風(fēng)扇首先要滿足冷卻系統(tǒng)對風(fēng)量和壓頭的需要；同時要消耗功率小、風(fēng)扇效率高，且有較寬的高效率區(qū)；風(fēng)扇噪聲小，重量輕，成本低等。目前普遍采用的有金屬風(fēng)扇和塑料風(fēng)扇兩種，風(fēng)扇葉片應(yīng)具有足夠的強度，以防車輛涉水時，折斷風(fēng)葉；在寒冷地區(qū)使用，推薦選用帶硅油離合器的風(fēng)扇。2.2 確定風(fēng)扇直徑與轉(zhuǎn)速時，要注意風(fēng)扇葉尖的圓周速度不大于91 m/s，后置客車不大于100 m/s，否則對風(fēng)扇噪聲和強度都不利。風(fēng)扇直徑盡可能與散熱器芯子迎風(fēng)尺寸基本相同，以便風(fēng)扇掃過的面積盡可能大地覆蓋散熱器芯子的迎風(fēng)面積，使氣流全面地通過散熱器。2.3 為考慮冷卻系整體阻力，通過散熱器芯

9、部的壓差不應(yīng)大于所選風(fēng)扇特性曲線中最大工作壓力的70%；風(fēng)扇的風(fēng)壓、風(fēng)速等設(shè)計應(yīng)按發(fā)動機在標定工況下和在最大扭矩工況下冷卻水所需最大散熱量來計算確定，并經(jīng)整車冷卻系統(tǒng)的試驗評價來最終確定。2.4 為充分利用車輛行駛時的迎風(fēng)速度，車用發(fā)動機風(fēng)扇都采用吸風(fēng)式；風(fēng)扇前端面至散熱器芯子的距離應(yīng)大于50 mm，有利于氣流均勻通過散熱器芯部整個面積，尤其是散熱器的四角；冷卻風(fēng)扇后端面至發(fā)動機前端面的距離應(yīng)大于100 mm，至其它零部件的距離應(yīng)大于20 mm，以最大限度地降低風(fēng)扇噪聲及葉片振動，并改善發(fā)動機的氣流狀況，滿足發(fā)動機的冷卻需要。2.5 如果風(fēng)扇裝在水泵皮帶輪上，一般不允許加裝風(fēng)扇墊塊，如果總布置

10、設(shè)計必須加風(fēng)扇墊塊時，如果風(fēng)扇裝在曲軸前端，風(fēng)扇與連接法蘭之間必須裝有橡膠減振器，用于吸收曲軸的扭振，防止葉片扭振斷裂，同時避免影響曲軸系平衡；后置客車風(fēng)扇一般由曲軸皮帶輪通過惰輪驅(qū)動，風(fēng)扇驅(qū)動皮帶和風(fēng)扇皮帶必須分別設(shè)置皮帶張力調(diào)整機構(gòu)。曲軸皮帶輪和惰輪，惰輪和風(fēng)扇皮帶輪的輪槽必須分別在一個平面上，皮帶和皮帶輪的交差角應(yīng)控制在0.5°以內(nèi)，必須先調(diào)整好后之后再安裝皮帶，否則會損壞皮帶、皮帶輪或軸承，甚至?xí)l(fā)生皮帶翻轉(zhuǎn)或脫落。2.6 安裝風(fēng)扇時，不可使用彈簧墊圈，因為彈簧墊圈能使風(fēng)扇托架產(chǎn)生預(yù)緊力，影響強度。3 風(fēng)扇護風(fēng)罩3.1 風(fēng)扇護風(fēng)罩是為了提高風(fēng)扇的冷卻效率，使通過散熱器芯部的氣

11、流均勻分布，并減少發(fā)動機艙內(nèi)熱空氣回流而設(shè)計的，因此，設(shè)計風(fēng)扇護風(fēng)罩時應(yīng)注意技術(shù)的合理性。3.2 對于前置發(fā)動機，風(fēng)扇護風(fēng)罩的設(shè)計分整體式和分開式兩種；對于后置式發(fā)動機，一般都采用整體式。分開式護風(fēng)罩兩部分之間有相對運動，必須用帆布圈柔性密封連接。3.3 護風(fēng)罩與風(fēng)扇葉尖的徑向間隙應(yīng)盡可能小，以保證風(fēng)扇冷卻效率。當(dāng)采用分開式護風(fēng)罩時，風(fēng)扇與護風(fēng)罩無相對運行，其徑向間隙應(yīng)不超過風(fēng)扇直徑的1.5 %，或者5 mm 10 mm；當(dāng)采用整體式護風(fēng)罩時，風(fēng)扇與護風(fēng)罩有相對運動，其徑向間隙也不應(yīng)超過風(fēng)扇直徑的2.5 %，或者15 mm 20 mm。3.4 應(yīng)注意護風(fēng)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，不應(yīng)有阻擋風(fēng)扇氣流的

12、死角。3.5 風(fēng)扇伸入護風(fēng)罩的軸向位置，與進氣效率有很大關(guān)系，對于吸風(fēng)式風(fēng)扇，風(fēng)扇葉片的投影寬度應(yīng)伸入護風(fēng)罩內(nèi)2/3為宜。3.6 在安裝護風(fēng)罩時必須注意，護風(fēng)罩與散熱器之間不得有縫隙，應(yīng)采用橡膠或泡沫塑料墊加以密封，以保證冷卻效率不降低。3.7 駕駛員應(yīng)經(jīng)常檢查風(fēng)扇與護風(fēng)罩之間的徑向間隙，以確保發(fā)動機風(fēng)扇與散熱器發(fā)生相對位移時，風(fēng)扇與護風(fēng)罩之間不產(chǎn)生碰觸。4 壓力蓋4.1 為滿足冷卻系最高工作溫度為99 的要求，冷卻系必須采用壓力蓋，以保證密封式冷卻系的冷卻液能保持一定的壓力，從而提高冷卻液的沸騰溫度，可使發(fā)動機在高溫條件下不產(chǎn)生沸騰，保證發(fā)動機工作安全；可使冷卻液溫度與環(huán)境大氣溫度之間液氣溫

13、差變大，從而提高散熱器的散熱能力；可以減輕或消除冷卻液循環(huán)中的氣泡和氣阻現(xiàn)象，保證冷卻液實際循環(huán)流量的穩(wěn)定，讓足夠的冷卻液把熱量從發(fā)動機內(nèi)帶走；可以減緩或消除發(fā)動機水套內(nèi)高溫壁面上的膜態(tài)換熱，改善熱傳導(dǎo)質(zhì)量，使受熱表面得到良好的冷卻。4.2 在無膨脹水箱的冷卻系中，壓力蓋裝在散熱器上水室的加注口上；在有膨脹水箱的冷卻系中，壓力蓋裝在膨脹水箱的加注口上。壓力蓋開啟壓力一般有50kPa、70kPa、90kPa、105kPa四種，應(yīng)根據(jù)使用地區(qū)海拔高度選定，以補償由于海拔高度上升引起的大氣太力下降。推薦壓力蓋的開啟壓力為50 kPa 90 kPa，在高原地區(qū)使用時為105 kPa。5 膨脹水箱5.1

14、 當(dāng)冷卻系采用低位密封式散熱器時，必須增設(shè)高位膨脹水箱，它的主要功能是給冷卻液提供一個膨脹空間，及時去除冷卻液中積滯的空氣以及發(fā)動機高溫下產(chǎn)生的水蒸汽，以便更有效地利用散熱器的散熱功能，提高冷卻效率。5.2 膨脹水箱的總?cè)莘e應(yīng)包含占冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e6%的膨脹容積、占冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e10%的儲備容積以及必備的殘留容積。儲備容積是為了確保冷卻系由于微量不能覺察的泄漏和冷卻液蒸發(fā)后仍能保持水套內(nèi)正常的水壓，而能及時補充冷卻液，延長補液周期；必備的殘留容積是為了安全起見，防止冷卻液在循環(huán)中吸入空氣而設(shè)置的，要求冷卻液的最低液面至膨脹水箱的底面距離不小于35 mm，所以，必備的殘留容積應(yīng)不小于35 mm&#

15、215;膨脹水箱底平面面積。計算冷卻系總?cè)莘e時，應(yīng)注意將帶有的水空中冷器和取暖器的容積計算在內(nèi)。5.3 膨脹水箱應(yīng)設(shè)置最高液面和最低液面標志，最高液面的上方應(yīng)有不小于規(guī)定的膨脹容積，該容積內(nèi)不可以加注冷卻液；最低液面與最高液面之間的容積應(yīng)不小于規(guī)定的儲備容積；膨脹水箱還應(yīng)設(shè)置最低液面的液位傳感器，以便提醒駕駛員及時添加冷卻液。5.4 膨脹水箱上部應(yīng)設(shè)置兩個除氣管接口，推薦除氣管內(nèi)徑為6.5 mm 8 mm，以便散熱器和發(fā)動機水道連續(xù)除氣。5.5 布置膨脹水箱位置時，它的底平面至少應(yīng)高出發(fā)動機水道頂部或散熱器上水室頂部。5.6 第一次加注冷卻液時，應(yīng)同時將散熱器下部和發(fā)動機水套下部的放水開關(guān)打開

16、，直到有冷卻液溢出時再關(guān)閉，以便消除殘留空氣，順利地將冷卻液加滿。6 散熱器管路6.1 連接發(fā)動機與散熱器之間的管路應(yīng)盡量短而直，減少彎曲；總布置需要拐彎時，管子的曲率半徑應(yīng)盡可能大，以減少管道阻力，且管路的彎角處或截面變化處必須圓滑過渡；對后置發(fā)動機，散熱器側(cè)置，管路較長的布置，則管路應(yīng)沿水流方向適當(dāng)上翹，避免采用水平布置和拱形布置的管路，以利于冷卻系中空氣和蒸汽的排出，應(yīng)盡量避免前低后高的管路布置，如確有必要，則應(yīng)在發(fā)動機水道最高點設(shè)置放氣閥，加注冷卻液時應(yīng)打開該放氣閥，讓發(fā)動機水套內(nèi)的氣體及時排出。6.2 所有管路要有一定的柔性，以適應(yīng)發(fā)動機和散熱器之間的相對運動，防止散熱器的管口振裂。

17、水泵進水管應(yīng)有一定的剛性，以免發(fā)動機工作時被吸扁。6.3 散熱器的管路可用成形膠管或金屬接管加膠管接頭；金屬接管要進行防銹處理，外徑和發(fā)動機進出水口部位的管徑相同或稍大；成形膠管或膠管接頭的內(nèi)徑應(yīng)和發(fā)動機進出水口的外徑相同或稍大；膠管壁厚應(yīng)在5 mm以上，且加有一層纖維，具有耐熱、耐油性，能在-40 120 溫度下長期正常使用，耐壓能力應(yīng)超過300 kPa；如管路較長時，應(yīng)對冷卻管路固定，固定間隔約500 mm；金屬接管插入連接膠管的長度應(yīng)大于50 mm，并采用平板帶式卡箍緊固，卡箍到膠管邊緣的距離為5 mm 10 mm。7 冷卻液7.1 發(fā)動機要求使用長效防凍防銹液，它是含有50 %的水和5

18、0 %的乙二醇的溶液(容積比)，在標準大氣條件下，沸點為108 ，冰點為-37 。實驗證明，這種防凍防銹液對各種金屬和橡膠都無腐蝕作用，更換周期為2年。7.2 使用這種長效防凍防銹液，可以防止冷卻器內(nèi)腔結(jié)垢，減少水套穴蝕和銹蝕；提高炎熱季節(jié)時的沸點，在冬季時可以防凍；在密封良好的冷卻系中，無需經(jīng)常添加冷卻液，減少保養(yǎng)工作量。8 水溫報警器8.1 發(fā)動機在正常工作條件下，最合適的冷卻液工作溫度為85 95 ，儀表板上必須安裝冷卻液溫度表，并用顏色區(qū)別溫度范圍，推薦6080為黃色區(qū)域；85 95 為綠色區(qū)域；99 110 為紅色區(qū)域。推薦設(shè)置高溫報警裝置和超高溫自動保護裝置，即當(dāng)冷卻液溫度達到99

19、 時，儀表板上應(yīng)有紅燈閃或者蜂鳴器報警；當(dāng)冷卻液溫度上升到110 時，發(fā)動機應(yīng)自動回到怠速狀態(tài)。8.2 發(fā)動機長期在99 下工作，將導(dǎo)致潤滑油加速變質(zhì)，發(fā)動機和冷卻系中彈性非金屬零件加速硬化，因此，在99 和超過99 時的工作時間應(yīng)盡可能短，每年累計不應(yīng)超過50 h。五、冷卻系統(tǒng)計算方法1.安裝效率設(shè)：=Qw/Qt其中：-安裝效率Qw-散熱器散熱量kcal/hQt-水套散熱量kcal/h2.散熱器散熱量計算根據(jù)柴油機設(shè)計手冊：Qw=Ga×Cpa（tao-tai）-（1）Qw=Gw×Cpw（twi-two）-（2）Qw=K×A（twi+two）-（tao+tai）/

20、2-（3）其中：twi-散熱器進水溫度（ºC）two-散熱器出水溫度（ºC）tao-散熱器出風(fēng)溫度（ºC）tai-散熱器進風(fēng)溫度（ºC）K-散熱器散熱系數(shù)（kcal/m2·h·ºC）A-散熱器散熱面積（m2）Cpa-冷卻空氣比熱（kcal/kg·ºC）Cpw-冷卻液比熱（kcal/kg·ºC）Ga-冷卻空氣流量（kg/h）Gw-冷卻液流量（kg/h）由（1）和（2）式分別導(dǎo)出two 和tao代入（3）式得：Qw= twi-tai/（1/KA+1/2 Gw×Cpw+1/2 Ga

21、×Cpa）式中twi-tai為冷卻性能評價指標，即冷卻常數(shù)（氣液溫差）。通常由試驗獲得。設(shè)：T=twi-tai H=1/（1/KA+1/2 Gw×Cpw+1/2 Ga×Cpa） -（4）H-散熱器散熱率（kcal/h·ºC）則：=Qw/Qt=H×T/ Qt 對于安裝效率來說，相同的車身、相似的發(fā)動機系統(tǒng)布置，安裝效率基本不變。H可根據(jù)散熱器性能試驗結(jié)果計算出，Qt可由發(fā)動機廠家提供。因此可根據(jù)試驗結(jié)果計算出每種基本車型的安裝效率。當(dāng)進行改進設(shè)計或變型設(shè)計時，已知安裝效率就可以計算出氣液溫差T，從而定量分析冷卻系統(tǒng)的冷卻能力。六、注意事

22、項a) 檢查膨脹水箱的容積和安裝位置。b) 將膨脹水箱的兩根除氣管換上透明的塑料膠管，觀察其除氣情況，當(dāng)發(fā)動機怠速運轉(zhuǎn)5min之后，應(yīng)能消除氣泡。c) 評價水泵皮帶輪附加的風(fēng)扇墊塊長度；檢查曲軸前端安裝的風(fēng)扇有可靠的減振裝置。d) 檢查風(fēng)扇徑向間隙及風(fēng)扇前端與水箱的間隙、風(fēng)扇伸入量符合要求。e) 檢查冷卻系統(tǒng)管路的布置合理性和緊固的可靠性。f) 設(shè)計安裝完成后冷卻性能是否能達到要求，還需通過試驗來驗證。 七、冷卻系統(tǒng)的冷卻性能試驗冷卻系統(tǒng)的冷卻性能可通過冷卻系平衡溫度試驗來評價。試驗可在轉(zhuǎn)鼓試驗臺上模擬道路狀況完成；也可在平坦水泥路面上用負荷拖車法實現(xiàn)；還可在坡道上行駛近似代替，坡度8%左右，坡長10 km左右。試驗時，要求環(huán)境溫度大于25 (如環(huán)境溫度小于25 ，應(yīng)拆除節(jié)溫器來進行試驗)，分別在兩種工況下試驗：第一種工況：車輛滿載，油門全開，使用擋行駛，發(fā)動機在標定轉(zhuǎn)速下運行30 min 6