汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

1、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則（李勇）水冷式汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)一般由散熱器、節(jié)溫器、水泵、缸體水道、缸蓋水道、風(fēng)扇及連接水管、冷卻液等組成。我們主機(jī)廠主要根據(jù)整車布置及發(fā)動(dòng)機(jī)功率的要求來(lái)選定散熱器及各零部件的形狀、大小，并合理布置整個(gè)冷卻系統(tǒng)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性，從而提高整車的性能。一、 冷卻系統(tǒng)的總體布置原則冷卻系統(tǒng)總布置主要考慮兩方面，一是空氣流通系統(tǒng)；二是冷卻液循環(huán)系統(tǒng)。因此在設(shè)計(jì)中必須做到提高進(jìn)風(fēng)系數(shù)和冷卻液循環(huán)中的散熱能力。1，提高進(jìn)風(fēng)系數(shù)。要做到提高進(jìn)風(fēng)系數(shù)就必須要做到：（1）減小空氣的流通阻力，（2）降低進(jìn)風(fēng)溫度，防止熱風(fēng)回流。（1）減小空氣的流通阻力設(shè)計(jì)中應(yīng)盡

2、量減少散熱器前面的障礙物，進(jìn)風(fēng)口的有效進(jìn)風(fēng)面積不要小于60的散熱器芯部正面積；在整車布置允許的前提下，盡可能采用迎風(fēng)正面積較大的散熱器；風(fēng)扇與任何部件的距離不應(yīng)小于20mm，這樣就可以組織氣流通暢排出，可以減少風(fēng)扇后的排風(fēng)背壓。（2）降低進(jìn)風(fēng)溫度，要合理布置散熱器的進(jìn)風(fēng)口，提高散熱器與車身、發(fā)動(dòng)機(jī)艙接合處的密封性，防止熱風(fēng)回流。（3）合理布置風(fēng)扇與散熱器芯部的相對(duì)位置從正面看，盡量使風(fēng)扇中心與散熱器中心重合，并使風(fēng)扇直徑與正方形一邊相等，這樣可以使通過(guò)散熱器的氣流分布最為均勻，或者使風(fēng)扇中心高一下些，使空氣流經(jīng)散熱器上部的高溫高效區(qū)。另：考慮發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的因素，風(fēng)扇和護(hù)風(fēng)罩之間的間隙應(yīng)該在20m

3、m以上。從軸向看，盡可能加大風(fēng)扇前端面與散熱器之間的距離，并合理設(shè)計(jì)護(hù)風(fēng)罩。要使氣流均勻通過(guò)散熱器芯部整個(gè)面積，必須要求風(fēng)扇與散熱器之間保持一定的距離，一般對(duì)載貨汽車，風(fēng)扇與散熱器芯部之間的距離不得小于50mm。2，提高冷卻液循環(huán)中的散熱能力要提高冷卻液循環(huán)中的散熱能力，提高冷卻液循環(huán)中的除氣能力是關(guān)鍵。冷卻系統(tǒng)的氣體會(huì)造成水泵流量下降，使散熱器的冷卻率下降；還會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)局部沸騰，致使局部熱應(yīng)力猛增，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能；在熱機(jī)停工況，氣體還會(huì)造成冷卻液過(guò)多的損失。因此要提高冷卻液循環(huán)中的除氣能力，其措施就是設(shè)計(jì)膨脹水箱和相應(yīng)的除氣管路（當(dāng)散熱器位置比發(fā)動(dòng)機(jī)位置高時(shí)，可以在散熱器上部直接開(kāi)一

4、個(gè)注水口，并在注水口上用一壓力式的散熱器蓋即可，我廠的農(nóng)用車型的散熱器就是采用此方式進(jìn)行排氣及加水）。二、 散熱器的選擇（1）現(xiàn)在我廠基本上全部都采用銅制散熱器，芯部結(jié)構(gòu)為管帶式的。散熱器要帶走的熱量Qw，按照熱平衡的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：Qw=（A·ge·Ne·hn）/3600 kJ/s式中： A傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比，對(duì)柴油機(jī)A=0.180.25 ge發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗率，/（kW·h）；Ne發(fā)動(dòng)機(jī)功率，kW；hn燃料低熱值，kJ/增壓的直接噴射柴油機(jī)可取Qw=（0.50.6）Ne（kJ/s）。冷卻水的循環(huán)量Vw，可以根據(jù)Qw按下式計(jì)算：

5、Vw=Qw/（tw·w·Cw） m·/s式中： tw冷卻水在發(fā)動(dòng)機(jī)中循環(huán)時(shí)的容許溫升，可取tw=612；w水的密度，可近似取w=1000/（m·）Cw水的比熱，可近似取Cw=4.184kJ/（·deg）冷卻空氣的需要量Va，可根據(jù)Qw按下式計(jì)算：Va=Qw/（ta·a·Cp） m·/s式中： ta空氣進(jìn)入散熱器以前與通過(guò)散熱器之后的溫度差，可取ta=1030；a空氣的密度，一般a=1.01/（m·）Cp空氣的定壓比熱，可近似取Cp=1.047kJ/（·deg）散熱器的正面積FR，根據(jù)Va按下式計(jì)

6、算：FR=Va/va 式中： va散熱器正前面的空氣流速，m/s，載貨汽車一般取10m/s算出FR后，根據(jù)總布置要求確定散熱器芯部高度h和寬度bFR=h·b散熱器的水管數(shù)i，可按下式計(jì)算：i= Vw/（w·f0）式中： w水在散熱器水管中的流速，m/s，一般取w =0.60.8 m/sf0每根水管的橫斷面積，。散熱器的散熱表面積F，可按下式計(jì)算：F= Qw/（kR·t） 式中： t散熱器冷卻水和冷卻空氣的平均溫度差，t=tw-ta；tw冷卻水平均溫度，tw= tw1+tw/2；tw1散熱器的進(jìn)水溫度，tw1=95100；tw散熱器冷卻水的進(jìn)出口溫度差，一般取tw

7、=612；ta冷卻空氣均溫度，ta= ta1+ta/2；ta1散熱器冷卻空氣的進(jìn)口溫度，一般取40；ta散熱器冷卻空氣的進(jìn)出口溫度差，一般取tw =1030；kR散熱器的散熱系數(shù)，W/（·K）散熱器的實(shí)際散熱面積F0要比計(jì)算結(jié)果大些，因?yàn)樯崞髦欣鋮s空氣流速不可能均勻，散熱片上有塵土?xí)r散熱性能降低，所以通常?。篎0=F式中： 儲(chǔ)備系數(shù)，一般取=1.11.5。設(shè)計(jì)散熱器時(shí)，在考慮整車布置的前提下，使散熱器的正面積盡可能大，因?yàn)檎娣e越大散熱器被冷風(fēng)掃過(guò)的區(qū)域就越大，冷卻效率就越高。一般載貨汽車推薦散熱器正面積為3040C/kW。（2）散熱器的散熱面積是指散熱器冷卻管和散熱帶與冷卻空氣所

8、接觸的所有表面積之和。在正面積確定之后，增大芯厚或增加冷卻管及散熱帶的折數(shù)，都可以增加散熱面積。散熱器的散熱面積是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率大小及風(fēng)扇曲線、水泵曲線來(lái)進(jìn)行計(jì)算確定的，一般對(duì)載貨汽車推薦散熱帶折數(shù)為2.74.3折/cm，散熱面積為0.10.16/kW。三、 膨脹水箱的選擇冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路流動(dòng)，隨溫度升高體積膨脹，為了吸收這部分膨脹體積而需要選用膨脹水箱。選用的膨脹水箱必須要求有耐熱、耐壓、及一定的容積，膨脹水箱蓋應(yīng)該為壓力式散熱器蓋。一般要求膨脹水箱的設(shè)計(jì)容積占整個(gè)冷卻系統(tǒng)容積的46，并且膨脹水箱安裝位置必須高于散熱器及發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋。四、 水管的設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路中的水管具有吸收發(fā)動(dòng)機(jī)

9、振動(dòng)和散熱器相對(duì)運(yùn)動(dòng)的作用。因此水管要求有耐熱性、耐臭氧性、耐壓性、對(duì)冷卻液的適應(yīng)性及柔軟性。為了減少冷卻液在冷卻回路上的功率損失，應(yīng)盡量減少水管的拐彎數(shù)，特別是盡量避免拐急彎的現(xiàn)象出現(xiàn)。從管子連接處的密封考慮。膠管的內(nèi)徑應(yīng)比與其連接管的外徑小1mm，膠管兩端與其他管相連接時(shí)，應(yīng)有3035mm地插入量。五、 防凍液的選擇（1）防凍液所要求的性能：1，防凍性，即使在冬天0以下不結(jié)冰，地區(qū)不同，防凍要求也不同；2，防腐蝕性，要求防凍液對(duì)鋼、鑄鐵、鋁、銅、黃銅、焊錫等多種金屬?zèng)]有腐蝕作用，也不能夠腐蝕橡膠、樹(shù)脂。防腐蝕性由選定的添加劑種類及多少?zèng)Q定，并且只能用書(shū)中添加劑的組合來(lái)滿足整體防腐蝕性要求。

10、現(xiàn)在經(jīng)常使用以乙二醇為主要成分、加有防腐添加劑及水的LLC防凍液，由JIS K2234來(lái)規(guī)定，其中1種只在冬季使用；2種可以全年使用。3，熱傳導(dǎo)性及傳熱性能必須優(yōu)良；4，性能穩(wěn)定，不容易變質(zhì)。（2）防凍液的老化：防凍液經(jīng)長(zhǎng)期使用，由于其接觸的環(huán)境（主要消耗防腐蝕添加劑）和外部因素（主要是濃度降低），使防腐蝕性能下降。特別是由于主要成分乙二醇氧化變質(zhì)產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)使使用溫度的提高，會(huì)加速防凍液的老化。為了保持它的防腐蝕性能，要定期維護(hù)，保持適當(dāng)濃度，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行更換。同時(shí)還要防止銹和燃?xì)獾犬愇锏幕烊?。七、冷卻系統(tǒng)的固定由于車輛行駛路況較復(fù)雜，加上發(fā)動(dòng)機(jī)自身的振動(dòng)等因素，如果不對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行固定或者固定不牢固，就有可能會(huì)引起散熱器芯子與發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇的刮蹭甚至碰撞，從而導(dǎo)致散熱器損壞漏水，因此冷卻系統(tǒng)的固定是很重要的。我廠現(xiàn)在使用的散熱器固定方式就是在散熱器的側(cè)板上焊接兩散熱器吊耳，兩吊耳