冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計指南

1、冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計指南1、概述：汽車發(fā)動機大多為內(nèi)燃機，內(nèi)燃機將燃料的化學(xué)能通過燃燒轉(zhuǎn)化為機械能來驅(qū)動汽車行駛，工作時會產(chǎn)生大量熱量，為確保發(fā)動機在一個合適的溫度下有效的工作，需要對發(fā)動機本身，尤其是發(fā)動機缸體進行及時的冷卻。冷卻系統(tǒng)中的散熱器就承擔(dān)著給發(fā)動機進行散熱的任務(wù)。對于大多數(shù)柴油機而言，都采用了增壓器以改善發(fā)動機的燃燒和功率。從增壓器出來的空氣溫度是比較高的，不利于發(fā)動機的工作。為此需要對進入發(fā)動機前的空氣進行冷卻。冷卻系統(tǒng)中的中冷器就起到了這樣一個作用。冷卻系統(tǒng)設(shè)計的好壞直接影響發(fā)動機的性能和可靠性，從而影響整車的性能和可靠性。2、冷卻系統(tǒng)的作用冷卻系統(tǒng)的功能是保證發(fā)動機保持在合適的

2、溫度環(huán)境中工作，提高發(fā)動機的性能和壽命。3、冷卻系統(tǒng)的組成冷卻系統(tǒng)主要部件為散熱器、中冷器、膨脹水箱和連接管路等，其設(shè)計質(zhì)量直接影響著發(fā)動機的性能和可靠性。4、冷卻系統(tǒng)設(shè)計一、設(shè)計準則1、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)各部件匹配合理，以保證冷卻系統(tǒng)的良好散熱性能。2、冷卻系統(tǒng)安裝方便、可靠。二、冷卻系統(tǒng)各種參數(shù)的確定1. 散熱器和風(fēng)扇之間距離的選擇根據(jù)各車型的布置經(jīng)驗和發(fā)動機廠推薦的安裝規(guī)范，風(fēng)扇前端與散熱器芯子距離選50100mm較為合適，在這個范圍之內(nèi)盡量取大一些。2. 散熱器的計算(1)首先要知道發(fā)動機的一些性能參數(shù)，如：額定功率Ne(kW)、額定功率時轉(zhuǎn)速n(r/min)、最大扭矩Me(N.m)、最大

3、扭矩時轉(zhuǎn)速n1(r/min)等等。(2)設(shè)計工況點的選擇冷卻系的設(shè)計要以額定功率點為設(shè)計點，以最大扭矩點作校核。(3)發(fā)動機水套散熱量Qw因無發(fā)動機水套散熱量Qw的試驗數(shù)據(jù)，現(xiàn)按經(jīng)驗公式計算QwQw=(0.50.7)XNe(kW)(4) 散熱器的最大散熱能力Qmax由于散熱器使用一段時間后，散熱能力一般下降10%左右；另外壓力蓋的泄漏以及氣流分布不均等原因，也會造成散熱器性能的下降，因此散熱器的最大散熱能力Qmax要比設(shè)計工況的水套散熱量要高，最大散熱量系數(shù)定為K,一般K取1.15。最大散熱量Qmax二QwXK(kW)(5) 散熱器的正面面積Sr在散熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)中，對散熱器性能影響最大的是芯

4、子的正面面積，然而它受安裝尺寸限制，不可能無限制增大，因此設(shè)計時要用盡可能增大正面面積的辦法來提高散熱器的散熱能力。散熱器正面面積Sr二Qmax/(aXtaXCpXVa)(m2)式中：a空氣密度(kg/m3)ta空氣進出溫差(°C),即通過散熱器正面的前后空氣溫差，一般取值20。Cp空氣空壓比熱(kj/kg.C)Va散熱器正面空氣流速Va(m/s)，可根據(jù)車速來計算。(6) 散熱器的散熱面積S散熱面積是根據(jù)額定功率與比散熱面積k(m2/kW)的乘積，一般載貨車k取值0.2040.408散熱器的散熱面積S第二方法：S=Qmax/K弋(m2)其中，K散熱系數(shù)，一般取0.0690.117k

5、j/(m2.s.C)t散熱器中冷卻水和冷卻空氣的平均溫差(C),可以用散熱器的進出口水的溫度的平均值作為冷卻水的平均溫度。t二tw-ta=(twi+two)/2-(tai+Ata/2)其中，twi和two分別為散熱器的進出水溫，tai為散熱器的進氣空氣溫度,一般取40C。(7) 散熱器的芯子厚度Tmax散熱器芯厚受總布置的限制，而且隨著厚度的加大，散熱效果明顯下降，所以散熱器厚度有著逐漸減少的總趨勢。一般來說，總是不希望用增加芯厚的方法來提高散熱能力。Tmax=S/(SrX屮)X1000(mm)其中，屮散熱器容積緊湊性系數(shù)，即散熱面積與散熱器芯子體積的比值,一般為8001000。(8) 確定最

6、少水管數(shù)Imin由于散熱器散熱性能還與冷卻液在水管中的流速有關(guān)，故需確定最少水管數(shù)。Imin=Qmax/(fwXAtwXwXCwXVw)(根)式中：fw水管橫面積(m2)tw散熱器進出水口冷卻液允許溫差(C)，一般取值10。w水的密度(kg/m3)Cw水的比熱(kJ/kg.C),般取值4.19。Vw水管中的流速(m/s),一般為0.550.85m/s。以上所有設(shè)計都是一些經(jīng)驗估算，所得一般也是一個取值范圍。因此在設(shè)計當(dāng)中可根據(jù)生產(chǎn)廠家的實際數(shù)據(jù)進行一些設(shè)計調(diào)整。對于中冷器的設(shè)計也可以參考散熱器的設(shè)計流程進行。最后設(shè)計出來的冷卻系統(tǒng)應(yīng)該經(jīng)過熱平衡道路試驗(試驗方法參照GB/T12542-2009

7、)或者是按IVECO標(biāo)準16-1920-2005進行的ATD試驗來對驗證冷卻系統(tǒng)的散熱能力。三、冷卻系統(tǒng)連接管路設(shè)計冷卻系統(tǒng)連接管路除了要考慮冷卻液或空氣等介質(zhì)因素外，還要考慮冷卻液和增壓器出來的空氣的壓力和溫度等因素。另外管路的走向還要充分考慮到周圍空間要求，以及膠管的成型工藝性?；诔杀疽蛩兀壳袄鋮s系統(tǒng)中散熱器的連接水管和中冷器出氣管大都采用EPDM的天然乙丙膠為原材料來生產(chǎn)，而中冷器進氣管由于高溫高壓等工作環(huán)境，則一般需要采用硅膠等高性能橡膠材料。5、經(jīng)驗總結(jié)下面是從網(wǎng)絡(luò)上獲取到的一些對冷卻系統(tǒng)設(shè)計有用的設(shè)計和使用經(jīng)驗，羅列出來供大家學(xué)習(xí)：一、冷卻系統(tǒng)a) 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)保證散熱器上

8、水室的溫度不超過99°C。b) 采用105kPa壓力蓋，在不連續(xù)工況運行下，最高水溫允許到110C,但一年中水溫達到和超過99C的時間不應(yīng)超過50h。c) 冷卻液的膨脹容積應(yīng)等于整個系統(tǒng)冷卻液容量的6%。d) 冷卻系統(tǒng)必須用不低于19L/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。二、散熱器1、散熱器是冷卻系統(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。2、發(fā)動機最適宜的冷卻液溫度為85C95C,測量位置在散熱器的上水室。3、散熱器和風(fēng)扇

9、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。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；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。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

10、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。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。7、散熱器安裝時，緊固必須牢*，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。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

11、接地等措施，消除電位差，防止電腐蝕。三、冷卻風(fēng)扇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、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91m/s，后置客車不大于100m/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。3、為考慮冷卻系整體阻力，通過散熱器芯部

12、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(biāo)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。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50mm,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100mm，至其它零部件的距離應(yīng)大于20mm，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。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,如果總布置設(shè)計必須加風(fēng)扇墊

13、塊時,必須經(jīng)過玉柴車用機開發(fā)辦的書面認可；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。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。四、風(fēng)扇護風(fēng)罩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

14、熱器芯部的氣流均勻分布,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。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、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5mm10mm；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15mm20mm。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)扇氣流的死角。風(fēng)扇伸入護

15、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。5、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。6、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。五、壓力蓋1、為滿足冷卻系最高工作溫度為99°C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差變大，從而提高散熱器的

16、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。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。推薦壓力蓋的開啟壓力為50kPa90kPa，在高原地區(qū)使用時為105kPa。六、膨脹水箱1、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

17、，提高冷卻效率。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35mm，所以，必備的殘留容積應(yīng)不小于35mmX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)。3、膨脹水箱應(yīng)設(shè)置最高液面和最低液面標(biāo)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

18、；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。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6.5mm8mm,以便散熱器和發(fā)動機水道連續(xù)除氣。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。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，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。七、取暖器1、大容量高置取暖器，應(yīng)在其頂部設(shè)置放氣開關(guān)，以便在加注冷卻液時，對取暖器進行放氣，以防止困氣現(xiàn)象產(chǎn)生。2、如果取暖器裝置位置高于冷卻液加注口時，應(yīng)

19、在取暖器上增設(shè)特殊的加注設(shè)備，以防止空氣和蒸汽滯留在冷卻系統(tǒng)內(nèi)，不能排出。3、在發(fā)動機的暖風(fēng)開關(guān)上，應(yīng)設(shè)置節(jié)流孔，以合理地控制流入取暖器的壓力和流量，防止冷卻液壓力超過取暖器的限制值；防止冷卻液旁通過多，影響冷卻系統(tǒng)正常工作。推薦的節(jié)流孔直徑：當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速不高于2500r/min時為6mm；高于2500r/min時為5mm。八、水泵水泵進口希望能保持正壓，設(shè)計時應(yīng)盡可能提高散熱器上水室的位置。發(fā)動機出水口與進水口之間的最大外部壓力降不得超過35kPa，否則將影響發(fā)動機的水泵進口壓力和冷卻液循環(huán)速度。九、散熱器管路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

20、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。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。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。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

21、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5mm以上，且加有一層纖維，具有耐熱、耐油性，能在-40°C120°C溫度下長期正常使用，耐壓能力應(yīng)超過300kPa；如管路較長時，應(yīng)對冷卻管路固定，固定間隔約500mm；金屬接管插入連接膠管的長度應(yīng)大于50mm，并采用平板帶式卡箍緊固，卡箍到膠管邊緣的距離為5mm10mm。十、冷卻液1、發(fā)動機要求使用長效防凍防銹液，它是含有50%的水和50%的乙二醇的溶液（容積比），在標(biāo)準大氣條件下，沸點為108C，冰點為-37C。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。2、使用這種長效防凍防銹

22、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。十一、水溫報警器發(fā)動機在正常工作條件下，最合適的冷卻液工作溫度為85C95°C,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60°C80°C為黃色區(qū)域；85°C95C為綠色區(qū)域；99C110C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99C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110C時，發(fā)動機應(yīng)自動回到怠速狀態(tài)。發(fā)動機長期在99C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99C和超過99C時的工作時間應(yīng)盡可能短，每年累計不應(yīng)超過50h。十二、冷卻系統(tǒng)的安裝檢查冷卻系統(tǒng)的除氣功能檢查a）檢查膨脹水