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1、2010-09-27,冷却系统匹配设计计算,工程研究院冷却系统研究与应用项目组,玉柴发动机应用工程培训之,2010-09-27,2,内容提要,系统原理 软件仿真 匹配计算 校核计算 影响因素,2010-09-27,3,内容提要,系统原理 软件仿真 匹配计算 校核计算 影响因素,2010-09-27,4,冷却系统的作用 使工作中的发动机得到适度的冷却，并保持发动机在最适宜的温度状态下工作。 所谓适宜的工作温度，对于水冷发动机，要求气缸盖内冷却水温度在8095之间。 发动机在工作中为什么要适度冷却？为什么不能过热？ 燃气在燃烧过程中，气缸内气体温度高达2000 ，发动机零部件与高温气体接触，将会造
2、成气缸和进气管温度过高，使进入气缸的可燃混合气因受热而膨胀，充气量，使得充气效率，发动机功率； 机油因温度过高，粘度，严重时，机油变质，影响润滑效果，机件磨损加剧； 各机件因高温而膨胀，破坏了正常的啮合间隙，产生卡死现象。 因此，发动机应及时冷却。那么是不是冷却温度越低越好？,冷却系统_系统原理,2010-09-27,5,不是冷却温度越低越好。 过度冷却（过冷）后果 热量散失过多，转变为有用功的热量，热效率； 温度低，机油粘度大，摩擦阻力，消耗功率大，起动困难； 燃油不易气化，燃烧不充分，燃油消耗率，功率。 冷却方式：风冷、水冷,2010-09-27,6,水冷系的组成：水冷却系是以水（或防冻液
3、）作为冷却介质，把发动机受热零件吸收的热量散发到大气中去。目前汽车发动机上采用的水冷系大都是强制循环式水冷系，利用水泵强制水在冷却系中进行循环流动。一般由散热器、水泵、风扇、发动机冷却水套和节温器等组成。,冷却系统_系统原理,2010-09-27,7,水散热器：外界空气冷却发动机冷却水。为了将散热器传出的热量尽快带走，在散热器后面装有风扇与散热器配合工作。俗称水箱，一般由上水室、散热器芯和下水室等组成。一般俗称水箱。,冷却系统_主要零部件,2010-09-27,8,水散热器核心：散热器芯子 由许多冷却管和散热片组成。采用散热片是为了增加散热器芯的散热面积。散热器芯的构造形式有多样，常用的有管片
4、式和管带式两种。 要求：必须有足够的正面积和散热面积，而且材料导热性能要好。因此，散热器一般用铜或铝制成。,2010-09-27,9,水散热器的性能： 流阻性能：风阻、水阻。 散热性能：散热量。,2010-09-27,10,风扇：提高通过散热器芯的空气流速，增加散热效果，加速水的冷却。风扇通常安排在散热器后面。当风扇旋转时，对空气产生吸力，使之沿轴向流动。空气流由前向后通过散热器芯，使流经散热器芯的冷却水加速冷却。一般由发动机带动，辅助电子风扇由辅助电机带动。,冷却系统_主要零部件,2010-09-27,11,风扇的性能： 风量-静压：不同转速下，风量与静压的关系。 风量-效率：不同转速下，风
5、量与效率的关系。 风量-轴功率：不同转速下，风量与轴功率的关系。,对同一个风扇： 风量正比于转速； 静压正比于转速的平方； 轴功率正比于转速的三次方。,2010-09-27,12,水泵：对冷却水加压，加速冷却水的循环流动，保证冷却可靠。车用发动机上多采用离心式水泵，离心式水泵具有结构简单、尺寸小、排水量大、维修方便等优点。离心式水泵主要由泵体、叶轮和水泵轴组成，叶轮一般是径向或向后弯曲的，其数目一般为69片。,当叶轮旋转时，水泵中的水被叶轮带动一起旋转，在离心力作用下，水被甩向叶轮边缘，然后经外壳上与叶轮成切线方向的出水管压送到发动机水套内。与此同时，叶轮中心处的压力降低，散热器中的水便经进水
6、管被吸进叶轮中心部分。如此连续的作用，使冷却水在水路中不断地循环。如果水泵因故停止工作时，冷却水仍然能从叶轮叶片之间流过，进行热流循环，不致于很快产生过热。,冷却系统_主要零部件,2010-09-27,13,水泵的性能： 水流量-扬程：不同转速下，水流量与扬程的关系。 水流量-效率：不同转速下，水流量与效率的关系。 水流量-轴功率：不同转速下，水流量与轴功率的关系。,对同一个水泵： 水流量正比于转速； 扬程正比于转速的平方； 轴功率正比于转速的三次方。,2010-09-27,14,冷却强度调节装置：根据发动机不同工况和不同使用条件，改变冷却系的散热能力，即改变冷却强度，从而保证发动机经常在最有
7、利的温度状态下工作。改变冷却强度通常有两种调节方式，一种是改变通过散热器的空气流量；另一种是改变冷却液的循环流量和循环范围（节温器）。 改变通过散热器的空气流量：百叶窗、风扇离合器 百叶窗是调节空气流量并防止冬季冻坏水箱，多用人工调节，也有采用自动调节装置的。,自动风扇离合器（硅油和电磁）：是根据发动机的温度（通常为水温）自动控制风扇的转速，调节扇风量以达到改变通过散热器的空气流量，它不仅能减少发动机的功率损失，节省燃油，而且还能提高发动机的使用寿命，降低发动机的噪声。,冷却系统_主要零部件,2010-09-27,15,改变通过散热器的冷却水的流量：节温器（或调温器） 节温器装在冷却水循环的通
8、路中（一般装在气缸盖的出水口），根据发动机负荷大小和水温的高低自动改变水的循环流动路线，以达到调节冷却系的冷却强度。节温器有蜡式和乙醚折叠筒式两种，目前多数发动机采用蜡式节温器。,蜡式节温器：在橡胶管和感应体之间的空间里装有石蜡，为提高导热性，石蜡中常掺有铜粉或铝粉。常温时，石蜡呈固态，阀门压在阀座上。这时阀门关闭了通往散热器的水路，来自发动机缸盖出水口的冷却水，经水泵又流回气缸体水套中，进行小循环。当发动机水温升高时，石蜡逐渐变成液态，体积随之增大，迫使橡胶管收缩，从而对反推杆上端头产生向上的推力。由于反推杆上端固定，故反推杆对橡胶管、感应体产生向下反推力，阀门开启，当发动机水温达到设定全开
9、温度以上时，阀门全开，来自气缸盖出水口的冷却水流向散热器，而进行大循环。,2010-09-27,16,冷却系的大循环和小循环 当发动机在正常热状态下工作时，即水温高于全开温度时，冷却水应全部流经散热器，形成大循环。此时节温器的主阀门完全开启，而侧阀门将旁通孔完全关闭。 当冷却水温低于开启温度时，膨胀筒内的蒸汽压力很小，使圆筒收缩到最小高度。主阀门压在阀座上，即主阀门关闭，同时侧阀门打开，此时切断了由发动机水套通向散热器的水路，水套内的水只能由旁通孔流出经旁通管进入水泵，又被水泵压入发动机水套，此时冷却水并不流经散热器，只在水套与水泵之间进行小循环，从而防止发动机过冷，并使发动机迅速而均匀地热起
10、来。 当发动机的冷却水温在开启温度和全开温度范围内，主阀门和侧阀门处于半开闭状态，此时一部分水进行大循环，而另一部分水进行小循环。 节温器是冷却系中用来调节冷却温度的重要零件，它的工作是否正常，对发动机工作温度影响很大，间接地影响了发动机的动力性能和耗油量，因此，节温器不可随便拆除。,2010-09-27,17,压力盖：提高系统压力和冷却水沸点。如果冷却系中水蒸气过多，压力过大，可能导致散热器破裂，因而需要排出多余的水蒸气；如果冷却系中的水蒸气温度低时发生凝结，压力降低，散热器中形成一定真空，外界大气压力比较高，有可能把散热器压坏，因此要从外界引入空气。,压力盖工作原理： 当系统压力增加到一定
11、值后，蒸气阀门打开，蒸气由出气管排出； 当系统压力降低到一定程度，空气阀门开启，空气进入。如箭头所示。,冷却系统_主要零部件,2010-09-27,18,补偿水桶（副水箱）：为了减少冷却液的损失，保证冷却系的正常工作。通常有：散热器补偿水桶(贮水箱)结构和分立副水箱（俗称膨胀水箱）结构。汽车通常用分立副水箱结构。,补偿水桶：水桶上方用一根软管通大气，另一根软管与散热器的溢流管相连。当散热器内蒸汽压力升高到某一值时，其盖上的压力阀打开，冷却液通过压力阀通过溢流管进入贮水箱； 当温度下降时，冷却液又从通过补偿水桶真空阀流回到散热器内部。这样可以防止冷却水损失。补偿水桶内部印有两条液面高度标记线，补
12、偿水桶内的液面高度应位于这两种刻线之间。,分立副水箱,冷却系统_主要零部件,2010-09-27,19,导风罩：为了提高风扇的冷却效率，使通过散热器芯部的气流均匀分布，并减少发动机机舱内热空气回流。对于前置发动机，有整体式和分开式两种结构。对于后置式发动机，一般都采用整体式。分开式导风罩两部分之间有相对运动，必须用帆布柔性密封连接。 从结构形式上分有三种结构形式：文丘里式、环式、箱式。,冷却系统_主要零部件,2010-09-27,20,内容提要,系统原理 软件仿真 匹配计算 校核计算,2010-09-27,21,冷却系统_计算类型,22,整车冷却系统模拟分析,发动机技术参数,冷却系统计算模型,
13、23,边界条件,系统参数为： 1）冷却液： Glycol/Water (50/50) 2）大气压力：1.013bar 3）计算类型：稳态计算（包含热交换和分节物理模型） 元件参数：主要包括水泵、发动机水套、节温器、水箱、中冷器、风扇等结构及性能参数。鉴于篇幅有限，右图列举了风扇的性能参数，其他元件参数暂不详述。,风扇流量静压曲线,24,计算结果及分析,进风温度的影响,25,计算结果及分析,散热器换热效率的影响,26,计算结果及分析,水流量的影响,27,计算结果及分析,机舱背压的影响,28,计算结果及分析,空气侧的散热特性,2010-09-27,29,内容提要,系统原理 软件仿真 匹配计算 校核
14、计算 影响因素,2010-09-27,30,冷却系统匹配计算,非常重要的第一步：匹配设计计算,2010-09-27,31,内容提要,系统原理 软件仿真 匹配计算 校核计算 影响因素,2010-09-27,32,有两种校核方式： 传统的水箱结构参数（散热面积）校核。 整车冷却系统冷却能力计算校核。,冷却系统_校核计算,2010-09-27,33,内容提要,系统原理 软件仿真 匹配计算 校核计算 影响因素,2010-09-27,34,冷却能力的影响因素_散热器,对于当量直径较小的间隙（相当于很密的散热器），空气将被迅速加热。因而，厚度大的散热器是多余的。散热器的散热量根本不会增加。,散热器冷却能力
15、随空气流速线性的变化。,冷却系统_影响因素,2010-09-27,35,冷却能力的影响因素_散热器,上图为不同芯子厚度下散热器冷却能力与水循环量的关系。一定的极限之外，增加水的循环量将不能提高冷却能力。,当冷却水流量达到一定水准后，散热量将不再进一步增加，水的流速越高，则水的温升就越低，因而，传热量将保持为常数。,冷却系统_影响因素,2010-09-27,36,冷却能力的影响因素_散热器,散热器的深度的增加使得换热系数略有下降，空气的温升将随空气流速的提高而下降，随深度的增加而提高。,空气阻力的变化同空气流速差不多是平方关系，而同散热器的厚度是线性关系。,冷却系统_影响因素,2010-09-27,37,冷却能力的影响因素_其他,冷却系统_影响因素,2010-09-27,38,冷却系统是一项系统工程，需要系统考虑问题。有了您我的共同努力，相信一定能匹配出优良的冷却系统！,2010-09-27,39,以卓越与领先， 满足公众的动力需求!,谢谢！,
