冷卻系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1、冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)馬連功馬連功2010.11.222010.11.22冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)圖冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)圖冷卻系統(tǒng)作用冷卻系統(tǒng)作用 冷卻系統(tǒng)能夠保證發(fā)動(dòng)機(jī)在所有工況下在最適宜的溫度范圍內(nèi)工作。既要防止發(fā)動(dòng)機(jī)夏天過(guò)熱，又要防止發(fā)動(dòng)機(jī)冬季過(guò)冷。在啟動(dòng)時(shí)還要保證發(fā)動(dòng)機(jī)能迅速升溫，盡快達(dá)到正常的工作溫度。 發(fā)動(dòng)機(jī)是將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的裝置，在內(nèi)燃機(jī)不斷地工作中，汽缸內(nèi)部溫度達(dá)2000 以上，為保證機(jī)械連續(xù)有效地工作，必須對(duì)相應(yīng)部件采取冷卻措施，尤其是氣門(mén)周?chē)鼮橹匾?；但是又不能過(guò)冷卻，比如在啟動(dòng)階段應(yīng)讓發(fā)動(dòng)機(jī)盡快熱起來(lái)，否則燃油霧化困難，影響燃燒及排放，增加油耗；冷卻系統(tǒng)還保證機(jī)油正常工作溫度，防止機(jī)油高溫老化及失

2、去潤(rùn)滑作用。發(fā)動(dòng)機(jī)理想的冷卻液溫度在95115之間，機(jī)油溫度在125145之間。 對(duì)于自動(dòng)變速箱車(chē)型，冷卻系統(tǒng)還需保證變速箱油溫在正常工作范圍內(nèi)，一般自動(dòng)變速箱油溫控制在100125之間。 一部分高溫冷卻液通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)為乘員倉(cāng)提供暖風(fēng)。冷卻系的作用冷卻系的作用保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度，零部件機(jī)械強(qiáng)度及合理間隙保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作溫度，零部件機(jī)械強(qiáng)度及合理間隙保證燃燒室正常溫度，避免異常燃燒，優(yōu)化性能保證燃燒室正常溫度，避免異常燃燒，優(yōu)化性能保證自動(dòng)變速箱正常油溫，防止傳動(dòng)性能下降保證自動(dòng)變速箱正常油溫，防止傳動(dòng)性能下降為乘員倉(cāng)提供暖風(fēng)為乘員倉(cāng)提供暖風(fēng)1.發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱的危害發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱的危害 1)降低充

3、氣效率，使發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降； 2)早燃和爆燃的傾向加大，使零件因承受額外沖擊性負(fù)荷而造成早期損壞； 3)運(yùn)動(dòng)件的正常間隙（熱脹冷縮）被破壞，運(yùn)動(dòng)阻滯，磨損加劇，甚至損壞； 4)潤(rùn)滑情況惡化，加劇了零件的摩擦磨損； 5)零件的機(jī)械性能降低，導(dǎo)致變形或損壞。2.發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)冷的危害發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)冷的危害 1)進(jìn)入氣缸的混合氣(或空氣)溫度太低，可燃混合氣品質(zhì)差（霧化差），使點(diǎn)火困難或燃燒遲緩，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，燃料消耗量增加（熱量流失過(guò)多，燃油凝結(jié)流進(jìn)曲軸箱）。 2)燃燒生成物中的水蒸汽易凝結(jié)成水而與酸性氣體形成酸類(lèi)，加重了對(duì)機(jī)體和零件的侵蝕作用； 3)未汽化的燃料沖刷和稀釋零件表面(氣缸壁、活塞、活塞環(huán)等

4、)上的油膜，使零件磨損加劇。 4)潤(rùn)滑油黏度增大，流動(dòng)性差，造成潤(rùn)滑不良，加劇機(jī)件磨損，增大功率消耗 。冷卻系統(tǒng)失效危害冷卻系統(tǒng)失效危害風(fēng)扇低速冷卻液高于96冷卻液低于94風(fēng)扇關(guān)閉冷卻液高于102風(fēng)扇高速冷卻液低于99風(fēng)扇低速熱風(fēng)冷卻系統(tǒng)原理圖冷卻系統(tǒng)原理圖冷卻液低于86發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)節(jié)溫器關(guān)閉小循環(huán)水泵水套節(jié)溫器暖風(fēng)機(jī)機(jī)油冷卻器變速箱油冷器冷風(fēng)冷卻液高于86節(jié)溫器打開(kāi)大循環(huán)散熱器水泵節(jié)溫器水套冷凝器渦輪增壓器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速精確控制溫度傳感器ECU控制器繼電器調(diào)速電阻PWM信號(hào)散熱器散熱器散熱器散熱器散熱器散熱器冷卻風(fēng)扇冷卻風(fēng)扇膨脹箱膨脹箱E：膨脹空間膨脹空間 至少至少6總?cè)莘e總?cè)莘eD：儲(chǔ)備水量?jī)?chǔ)備水量

5、 至少至少11總?cè)莘e總?cè)莘e 如果有暖風(fēng)機(jī)應(yīng)如果有暖風(fēng)機(jī)應(yīng)為為20常見(jiàn)問(wèn)題常見(jiàn)問(wèn)題 冷卻能力不足風(fēng)扇、散熱器選擇或匹配不當(dāng)散熱器周?chē)幻芊鈱?dǎo)致熱風(fēng)回流進(jìn)風(fēng)艙密封和隔熱不好，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)溫度高散熱器系統(tǒng)水阻力大散熱器自身阻力大進(jìn)出水管管徑小水泵進(jìn)口負(fù)壓注水管過(guò)長(zhǎng)，彎曲；接口距水泵遠(yuǎn)上水室隔板不密封常見(jiàn)問(wèn)題常見(jiàn)問(wèn)題加注和除氣性能不合格通氣管路：下垂，阻塞，管徑注水管：位置，管徑，走向散熱器上水室或附水箱結(jié)構(gòu)不對(duì)容量小，膨脹空間和儲(chǔ)備水量不足加水伸長(zhǎng)頸管過(guò)短或缺少，缺少通氣孔發(fā)動(dòng)機(jī)通氣接口位于液面以下附水箱加水口與頂部水口均用壓力蓋扁平結(jié)構(gòu)（最好為瘦高型）注水管位于水室一側(cè)常見(jiàn)問(wèn)題常見(jiàn)問(wèn)題其它管路與通氣管

6、T型連接：除氣不良其它管路，尤其是暖風(fēng)回水管接入注水管，導(dǎo)致水泵進(jìn)口出現(xiàn)負(fù)壓。n使發(fā)動(dòng)機(jī)得到足夠的冷卻，即使在可能遇到的最高氣溫以及加上所有的附加熱負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)仍能正常工作；還要考慮由于散熱器水垢、堵塞等引起的系統(tǒng)散熱性能退化，預(yù)留余量系數(shù)。 實(shí)際散熱量實(shí)際散熱量=理論散熱量理論散熱量1.1 n系統(tǒng)應(yīng)有適當(dāng)?shù)呐蛎浛臻g以適應(yīng)冷卻液隨溫度變化的漲縮；膨脹箱和散熱器的設(shè)計(jì)要選用耐高溫材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足系統(tǒng)高壓高熱的工作環(huán)境。膨脹箱一般用PP5或PA66GF30，散熱器選用PA66GF30。n系統(tǒng)不裝壓力蓋時(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)任何運(yùn)轉(zhuǎn)工況下水泵進(jìn)口壓力應(yīng)大于大氣 壓。這要求膨脹箱在布置時(shí)液位在系統(tǒng)最高點(diǎn)

7、，膨脹箱出水盡可能直接與水泵前端管路相連，膨脹箱內(nèi)的冷卻液水位可提供泵前正壓。且膨脹箱與水泵之間管路連接不易過(guò)長(zhǎng)，影響系統(tǒng)壓力建立。n系統(tǒng)內(nèi)水阻應(yīng)小于水泵在額定水流量下的泵壓。n系統(tǒng)外風(fēng)阻應(yīng)小于風(fēng)扇在額定風(fēng)量下的風(fēng)阻。n風(fēng)扇和散熱器在整車(chē)裝車(chē)前試制手工樣件完成零部件性能測(cè)試，包括散熱器風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)扇風(fēng)洞試驗(yàn)，零部件裝配尺寸在凍結(jié)時(shí)詳盡檢查后在整車(chē)裝車(chē)前開(kāi)模。膨脹箱在裝車(chē)前必需開(kāi)模，快速成型件無(wú)法承受高溫高壓，不能裝車(chē)試驗(yàn)。n在可能的情況下盡量增大散熱器正面積，減小厚度，提高系統(tǒng)散熱效率，減小風(fēng)扇額定功率和減少風(fēng)扇工作時(shí)間。盡量增大風(fēng)扇扇葉面積與散熱器正面積比。n在可能情況下盡量沿用已開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，

8、減少項(xiàng)目開(kāi)發(fā)費(fèi)用和減小系統(tǒng)開(kāi)發(fā)失敗風(fēng)險(xiǎn)。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意問(wèn)題冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意問(wèn)題n冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境適應(yīng)性要求：高溫：亞熱帶45，熱帶50；低溫：-40。n冷卻液配比：在一般環(huán)境下用50%軟水：50%乙二醇；在寒帶用40%軟水：60%乙二醇，乙二醇配比不能過(guò)大否則防凍性能下降；在熱帶地區(qū)可考慮適當(dāng)降低乙二醇配比提高冷卻液比熱，來(lái)提高冷卻液比熱來(lái)提高系統(tǒng)散熱性能。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意問(wèn)題冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意問(wèn)題水泵氣蝕水泵氣蝕n一）、產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因n當(dāng)水泵運(yùn)行時(shí)，如果葉輪葉片入口處某局部的絕對(duì)壓力等于或低于所輸送液體溫度下的汽化壓力，液體便發(fā)生汽化，產(chǎn)生許多氣泡，氣泡內(nèi)將充滿蒸汽和液體中析出的氣

9、體。這些氣泡隨著液體帶到葉輪高壓區(qū)，在高壓的作用下迅速凝結(jié)而破裂，在此同時(shí)，周?chē)牧黧w質(zhì)點(diǎn)以高速?zèng)_向原來(lái)氣泡占有的空間，質(zhì)點(diǎn)相互撞擊而形成高頻的局部水擊，壓力可高達(dá)上千兆帕壓力可高達(dá)上千兆帕。這種水擊會(huì)對(duì)金屬表面形成持續(xù)、反復(fù)的沖擊，導(dǎo)致金屬表面疲勞而破壞，這種破壞稱(chēng)為機(jī)械剝蝕。水泵氣蝕水泵氣蝕n在氣泡破裂所釋放的凝結(jié)潛熱的助長(zhǎng)下，原氣泡內(nèi)的活潑氣體又會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用，加劇了材料的破壞。金屬表面在機(jī)械剝蝕和化學(xué)腐蝕的長(zhǎng)期聯(lián)合作用下，會(huì)出現(xiàn)蜂窩狀破壞，這種現(xiàn)象稱(chēng)為汽蝕現(xiàn)象。n二）、汽蝕對(duì)水泵產(chǎn)生的危害汽蝕對(duì)水泵產(chǎn)生的危害n1、縮短泵的使用壽命縮短泵的使用壽命：由于機(jī)械剝蝕和化學(xué)腐蝕使葉輪

10、和蝸殼多處變得粗糙多孔，產(chǎn)生顯微裂紋，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)蜂窩狀侵蝕，甚至產(chǎn)生空洞。水泵氣蝕水泵氣蝕n2、影響泵的性能影響泵的性能：汽蝕發(fā)生時(shí)液體的汽化以及液體中氣體的析出，形成了大量氣泡，使液流的過(guò)流斷面面積減小，局部區(qū)域流速加大，并產(chǎn)生渦流，以致流動(dòng)損失增大，嚴(yán)重還有可能出現(xiàn)斷流，因此汽蝕會(huì)導(dǎo)致泵的揚(yáng)程和效率降低。n3、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲：汽蝕發(fā)生時(shí)，局部水擊會(huì)產(chǎn)生許多不同頻率范圍內(nèi)的噪聲，如果水擊的頻率和機(jī)組的固有頻率接近將會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)。機(jī)組的振由又會(huì)促使更多氣泡的產(chǎn)生和破滅。這種相互激勵(lì)，最后可能導(dǎo)致機(jī)組的強(qiáng)烈振動(dòng)，稱(chēng)之為汽蝕共振。如果機(jī)組發(fā)生汽蝕共振必須緊急停止水泵運(yùn)行水泵氣蝕水泵

11、氣蝕冷卻系統(tǒng)計(jì)算冷卻系統(tǒng)計(jì)算n計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量 Qw Kwn有發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)則按發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)計(jì)算n無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)散熱量按發(fā)動(dòng)機(jī)功率50%估算n如自動(dòng)變速箱油冷器在散熱器內(nèi)需加上自動(dòng)變速箱散熱量，一般57Kw。n在怠速開(kāi)空調(diào)情況下，如空調(diào)需風(fēng)扇散走熱量比發(fā)動(dòng)機(jī)大，散熱量按冷凝器散走熱量進(jìn)行計(jì)算，一般914kW，根據(jù)整車(chē)級(jí)別而不同。n散熱器內(nèi)冷卻液流量 VwQw/twwCw ，m3/sntw散熱器前后溫差，一般710nw冷卻液比重，取1.1 kg/m3nCw冷卻液比熱容按發(fā)動(dòng)機(jī)允許長(zhǎng)時(shí)間工作水溫計(jì)算 kJ/kgn水泵冷卻液流量 LpupVw/v/Kv ，m3/snv水泵容積效率，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)

12、速提高而減小，額定功率取0.9nKv散熱器阻力系數(shù)，隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高而增大，額定功率取0.75n冷卻空氣需要量 VwQw/twwCw ， m3/sntw散熱器前后溫差，一般30nw空氣重度 ，溫度越高重度越低，取1.01 kg/m3nCw空氣定壓比熱容，取1.047kJ/kg冷卻系統(tǒng)計(jì)算的難點(diǎn)在于通風(fēng)系統(tǒng)、冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的阻力系數(shù)、散熱系數(shù)、介質(zhì)物理特性的不確定性，這些參數(shù)需要在大量的試驗(yàn)中得到。在前期計(jì)算過(guò)程中可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后在試驗(yàn)中進(jìn)行參數(shù)匹配優(yōu)化。溫度：環(huán)境溫度T1=45，溫度預(yù)計(jì)值：冷凝器前溫度T2=46，散熱器前T3=60，散熱器后T4=87，風(fēng)扇后 T5=87，散熱

13、器內(nèi)冷卻液溫差一般710。壓降和風(fēng)速關(guān)系：P=K1/2空氣密度V2，其中K為風(fēng)阻系數(shù)，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)的密封程度和阻力大小而不同，各零部件的風(fēng)阻系數(shù)需風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試，V為通過(guò)產(chǎn)生壓降零部件的風(fēng)速，近似取 V散熱器=(V2+V3)/2。n系統(tǒng)溫差和壓差計(jì)算冷卻系統(tǒng)計(jì)算冷卻系統(tǒng)計(jì)算n散熱器參數(shù)選取n散熱器散熱量：發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率散熱量；n散熱器正面積：S正=散熱器長(zhǎng)散熱器寬，根據(jù)整車(chē)常用工況計(jì)算的，結(jié)合布置空間需冷卻風(fēng)扇提供風(fēng)量最少的散熱器正面積；n散熱器總面積：S總總Qw/(Ks.t)，其中，Ks為在散熱器在溫差為液氣溫差為t條件下的換熱系數(shù)，單位kJ/m2.，液氣溫差一般取60，在空氣45條件下，散熱

14、器可在冷卻液105條件下散走相同的熱量；n散熱器厚度：散熱器厚度在滿足系統(tǒng)內(nèi)水阻，散熱量條件下盡可能減薄，以減小風(fēng)阻系數(shù)來(lái)減小風(fēng)扇工作壓降，一般為16mm、18mm、22mm、24mm、27mm、32mm等，不同供應(yīng)商的管帶系列不同；散熱器縱流選較薄散熱器、橫流選較厚散熱器。n管帶材料：復(fù)合鋁；n水室材料：PA66GF30。n風(fēng)扇參數(shù)選取n風(fēng)扇工作壓降： P= P前保+ P冷凝器+ P散熱器+ P護(hù)風(fēng)罩+ P發(fā)動(dòng)機(jī)n風(fēng)量：為在各發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率下計(jì)算的需要空氣量Vw；n容積效率：由于風(fēng)扇布置位置、扇葉形狀、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)引起的風(fēng)扇效率下降，取0.9；n電機(jī)效率：風(fēng)扇機(jī)械損失、熱量損耗等引起的電機(jī)工作效

15、率下降，取0.60.7；n風(fēng)扇功率：Pfan=風(fēng)量風(fēng)扇工作壓降/容積效率/電機(jī)效率；n工作電壓：按整車(chē)電壓12V計(jì)算；n風(fēng)扇工作電流：I=風(fēng)扇功率/工作電壓；n風(fēng)扇材料：PA66GF30或PP10,扇葉的材料要優(yōu)于護(hù)風(fēng)罩的材料。冷卻系統(tǒng)計(jì)算冷卻系統(tǒng)計(jì)算n膨脹箱及壓力蓋的設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的壓力蓋有兩種布置結(jié)構(gòu)： 一、布置在單獨(dú)的膨脹箱上，形成全封閉循環(huán)結(jié)夠，主要為歐美車(chē)型采用，公司M11、 B11、B14、A21、A15等車(chē)型采用； 二、直接布置在散熱器上，外接一個(gè)副水箱來(lái)儲(chǔ)存系統(tǒng)溢出的冷卻液，主要為日韓車(chē)型采用，公司S11、S12、S21、S22、T11等車(chē)型采用。n膨脹箱及副水箱的作用：提供系統(tǒng)

16、足夠的膨脹空間；儲(chǔ)存一部分冷卻液為系統(tǒng)提供補(bǔ)給；n壓力蓋的作用：在系統(tǒng)壓力接近系統(tǒng)內(nèi)強(qiáng)度最弱零部件時(shí)，通過(guò)泄壓閥減壓；在系統(tǒng)內(nèi)壓力低于環(huán)境壓力時(shí)，通過(guò)真空閥平衡內(nèi)外壓力，防止系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓產(chǎn)生氣蝕；提高壓力以提高冷卻液沸點(diǎn)；n泄壓壓力選用：以發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)得的“系統(tǒng)壓力建立/急停沸騰”試驗(yàn)測(cè)試的系統(tǒng)壓力為依據(jù)，泄壓閥的選取需高于測(cè)試值，否則在高溫條件下的系統(tǒng)壓力降低將導(dǎo)致冷卻液沸點(diǎn)下降沸騰，系統(tǒng)出現(xiàn)“開(kāi)鍋”問(wèn)題；n真空壓力選用：一般-2-10kPa；n壓力蓋要有警告標(biāo)識(shí)，警告在高溫情況下勿打開(kāi)壓力蓋。n水管設(shè)計(jì)n橡膠管內(nèi)徑不要小于所連接金屬管內(nèi)徑，否則系統(tǒng)阻力升高；n水管壁厚根據(jù)膠管內(nèi)徑而定，見(jiàn)膠管設(shè)計(jì)指南；n膠管內(nèi)徑應(yīng)小于所連接金屬管內(nèi)徑1mm，防止泄露及難以裝配，嚴(yán)格控制內(nèi)徑尺寸公差，一般取下偏差0/-0.5mm；n目前水管設(shè)計(jì)有尼龍管取代膠管的趨勢(shì)。n帶自動(dòng)變速箱油冷器冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)nAT自動(dòng)變速：變速箱散熱量較少，約45Kw左右，在變速箱上(M11+DP0)或周?chē)饨右粋€(gè)油冷器(BMW+AT)，冷卻液在油冷器內(nèi)循環(huán)后帶走熱量。nCVT