冷却系统设计指南0601解析

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1、目目 录录 1 概述2 2 冷却系统的基本要求2 3 整车冷却系统的总体布置4 4 散热器的设计4 4.1 散热器悬置布置5 4.2 散热器的参数设计计算5 4.2.1 散热器的最大散热能力5 4.2.2 散热介质的温度6 4.2.3 散热器的技术参数设计6 5 风扇的设计7 5.1 风扇风量的计算7 5.2 风扇外径的计算8 6 护风罩的设计9 7 冷却水的循环量和类型确定9 7.1 冷却水循环量9 7.2 冷却液的选择9 8 节温器的设计10 9 膨胀水箱总成设计10 9.1 膨胀箱压力盖的作用10 9.2 水箱压力盖压力的选择11 10 散热器与冷却风扇的匹配计算13 11 汽车热平衡能

2、力道路试验14 11.1 热平衡试验方法14 11.2 试验条件15 11.3 试验内容15 11.4 试验结果的评定17 11.5 试验报告17 12 总结18 第 1 页 柴油机和整车冷却系统应用匹配设计指南 1 概述 根据发动机的工作原理，发动机在运转时，将化学能转化为热能再到机械能的过 程中，由于最终转换效率只有 45%左右，所以有大量的热量产生，从而导致发动机过 热，冷却系统的冷却液容易到达沸点产生蒸汽，形成气阻，使冷却液无法正常循环， 发动机冷却不良引起拉缸。冷却系统的作用是要使发动机发出的热量通过冷却系统散 发出去，形成热平衡状态。 由于发动机整体设计已经完成，本指南主要适用于应

3、用工程开发时的发动机和整 车上的冷却系统匹配，未充分考虑发动机冷却系统的设计，比如水泵的结构设计，除 传动速比以外，也未对具体的风扇离合器之类的系统进行充分的考虑，着重考虑了整 车冷却系统两个子系统：进风冷却系统和冷却液循环冷却系统之间的匹配设计计算以 及基本要求。 中冷器散发的热量也是发动机散发热量的一部分，整车冷却系统要总体考虑中冷 器冷却系统的设计。本指南未对中冷器冷却系统的设计进行充分的考虑。 由于整车冷却系统结构和技术要求的复杂性，最终的冷却系统匹配设计的有效性， 必须通过最终整车按照极限条件下的道路试验来验证，这一点显得尤为重要，必要时 可在市场上进行小批验证，PPAP 进行批准后

4、才能进行批量投产。 开展产品的先期质量策划（APQP）活动是保证产品质量的有效方法之一。 2 冷却系统的基本要求 一个良好的整车冷却系统，应满足以下基本要求： 1、整车冷却系统分为两个子系统，进风冷却系统和冷却液循环冷却系统。 进风冷却系统的散热能力和冷却液循环冷却系统的散热能力必须相匹配，一般要求进 风冷却系统散热能力要大于发动机水套的散热能力，以此为原则来选配整车的冷却系 统，确保进风冷却系统要有足够的进风量来满足冷却液循环冷却系统散热量，这一点 至关重要。根据经验表明很多的整车冷却系统由于进风冷却系统进风量不足使得冷却 第 2 页 液循环冷却系统的热量不能充分散发，导致水温高。 2、整车

5、的冷却系统应能满足各种极限条件下的使用要求，特别是高原、高温、长时 间爬坡等极限条件下。当整车在极限条件下工作时应能处于热平衡状态，保证柴油机 可靠地工作。 3、放气阀能正常工作，保证冷却液系统内压力稳定。当大于限压值时能快速释放压 力，当小于低压值时能有效的补充压力。放气阀压力范围的选择必须根据使用的条件， 特别是高原条件下，由于大气压力降低对于冷却系统内压的影响导致沸点降低，容易 沸腾。需要指出的是，合理的选择放气阀的开启压力对于冷却系统非常重要。 4、为了适应冷却液的热胀冷缩体积变化，应考虑冷却液循环系统留有膨胀空间，一 般其容积占总冷却液容积的 5%左右； 5、具有较高的加水速率。初次

6、加注量能达到系统容积的 90%以上，加水时间不可过 长，运行 5 分钟左右要补一次水至加水刻线，确保冷却液量足够。 6、膨胀水箱要有一定的耐压能力，避免膨胀水箱胀裂。 7、有一定的缺水工作能力，当缺水量小于总容积的 5%-8%时，发动机冷却系统也能 正常工作。 8、整个冷却系统密封的各种介质（冷却液或者空气） ，不得有泄露。冷却系统所有管 路件安装牢固，防震防脱落。 9、当整车冷却系统总体布置时，要考虑中冷器和空调散热器对水箱散热器散热能力 的影响，充分考虑三个散热器之间的位置关系，水箱和前两者之间尽量留有一定的间 隙，以便水箱散热器进风能从侧面进来，降低进风温度，提高冷却效率。由于三者出 现

7、重叠后风阻增加风量减少，风温升高，整车冷却系统散热能力下降，考虑到这些因 素，必须选择有足够散热能力的散热器。 10、尽量降低冷却系统消耗的功率，能提高发动机的动力性和经济性。 11、起动后，能在尽可能短的短时间内达到发动机的最佳工作温度。 3 整车冷却系统的总体布置 整车冷却系统总布置主要考虑两个子系统：一是进风冷却系统；二是冷却液循环 冷却系统。 第 3 页 在进风冷却系统设计时确保有足够的进风量。如何提高进风量：1、驾驶室前脸 的进风面积要足够大，且进风口位置与散热器尽量重叠，充分利用汽车行驶时产生的 风压，提高进风量；总的进风口有效面积与散热器迎风面积之比30%。对于进风不 畅的结构，

8、需要加导风板来提高进风量；2、中冷器和水箱散热器之间要有足够的四 周侧面进风间隙，且两个散热器冷却管间距和走向尽量一致，以减小风阻，降低进入 水箱散热器的风温，提高进风量。 冷却系统的最高水温应以发动机的沸点温度为标准。节温器的全开温度应为发动 机正常工作水温范围的中间值，开启温度应为发动机正常工作水温范围的下限。但因 节温器的自身特性，开启温度一般低于全开温度 10左右。 在整车空间布置允许的条件下，尽量增大散热器的迎风面积，在满足冷却面积的 情况下，尽量减小散热器芯的厚度。这样可充分利用风扇的风量和车的迎面风，提高 散热器的散热效率。在满足进风量的条件下，可以适当增加风扇直径，降低风扇转速

9、， 降低噪声和功率消耗。 考虑到工作环境有灰尘和昆虫会被吸入散热器散热表面，降低散热器的散热能力， 需要选择合适的防尘帘。防尘帘的选择要考虑尽量不增加进风阻力。 4 散热器的设计 如果整车的布置空间较宽裕，推荐采用纵流水结构的散热器，纵流水结构的散热 器强度及悬置的可靠性较好，且冷却液的流动阻力小。 根据发动机的额定功率和最大扭距时发动机散发的热量来确定散热器的散热面积， 根据大梁的宽度来确定散热器宽度，最后散热器的外形尺寸和内部的结构尺寸。然后 还需进行散热器的性能试验（如散热器的风阻和流量之间的输出特性以及空气流量和 散热器散热率的输出特性）来验证和风扇的匹配是否合适。 4.1 散热器悬置

10、布置 散热器通常为四点悬置，也可以采用三点悬置。其中主悬置点为 2 个，辅助悬置 点为 2 个或 1 个。所有悬置点应布置在同一个部件总成上，改善散热器受力情况，以 尽量减少散热器的振动强度。主悬置点与其连接的部件总成之间以胶垫或胶套等柔性 第 4 页 非金属材料过渡以达到减震的目的。主悬置点的胶垫压缩量一般为其自由高度的 1/5 左右。由于重型卡车散热器的质量大且使用环境较差，一般要在散热器的外部增加一 个刚性较大的保护框架，以防止振动等外界力直接作用在散热器上。所有悬置点设置 在同一刚性框架上。 4.2 散热器的参数设计计算 4.2.1 散热器的最大散热能力 整车工作环境比较复杂，如在高温

11、、高海拔、长时间爬坡的环境下发动机冷却系 的设计参数按照稳健设计的原则选择足够的容差，以确保极限条件下整车冷却系统处 于热平衡状态，因此散热器的散热能力应该有所储备，即 w QQ max w Q -发动机散发出的热量； max Q -散热器的散热量； -储备系数，一般为 1.151.25，根据不同的整车类型来选择。 根据上述公式求出发动机在最大扭矩工况和标定工况下的放热量，根据这个散热 量来确定散热器的散热能力。 发动机放热量为: w Q kJ/s 3600 uee w hPAg Q A-燃料热能传给冷却系的分数，取同类机型的统计量，柴油机 0.18-0.25，取 0.24； -燃料消耗率，k

12、g/kwh；此处柴油机取 0.205； e g -发动机有效功率； e P -燃料热值，柴油为 46040kJ/kg。 uh 例如某汽车厂生产的专用汽车采用某型发动机作为动力，由于冷却系统冷却量不 足，在某些高温工况下常出现“开锅”现象，故需要对其冷却系统重新设计发动机 为水冷、直列、6缸、直喷式柴油机参数见表4-1： 表 4-1 发动机参数 第 5 页 参数参数参数值参数值 额定功率 kw/转速 r/min88/2800 最大转矩 Nm/功率 kw/转速 r/min343/57.5/1600 额定功率时发动机对冷却系统的散热量 kJ/s55.25 发动机冷却液流量 L/min207.6 最大

13、转矩时发动机对冷却系统的散热量 kJ/s28.65 4.2.2 散热介质的温度 当冷却液流经发动机时，与燃烧气体接触的零部件的热量传给冷却液，冷却液的 温度升高；循环流动的冷却液流经散热器时，外界的空气在风扇的作用下吹向散热器， 气体的温度升高，冷却液的温度降低，从而实现热量的转移。散热器的进风温度为根 据使用条件确定的最高临界温度，即沸腾风温（这个数值大小需要根据实际情况确定） ，标准散热器的沸腾风温为 40，即散热器的进风温度为 40。散热器的进水温 1a T 度一般大于 85，也可根据实际情况对其进行确定。散热器的进出水温度差 1w T 可取 6-12。这样可得到散热器的出水温度。散热器

14、内的冷却液平均温度 w T 2w T 为（+）2，经过散热器的空气的温升为，则散热器的出气温度为， wm T 1w T 2w T a T 2a T 散热器的空气平均温度为（+）2。散热器的平均液气温差。 am T 1a T 2a T m T wm T am T 在初选散热器的散热面积时用到该数据。 4.2.3 散热器的技术参数设计 根据该车辆的工况，选管片式散热器载重车用散热器的总散热面积与发动机功 率之比约为 0.10.16(/kw)，考虑到外界耗损，散热面积要留一定的储备空间。一般 应参考安装空间尽可能选较大散热面积。载重车辆散热器迎风面积 FR与发动机功率 之比为 0.0030.0037

15、5/kw。 接上例，计算所需散热总面积 F=(0.10.16)881.15=10.1216.193()，此处储 备系数取 1.15，故 FR=0.2640.33。根据整车大梁宽度选取芯子宽度为 0.64m，高度 为 0.52m，那么 FR=高宽=0.520.64=0.3328。散热器参数见表 4-2： 表 4-2 散热器参数 第 6 页 参数参数值 芯部尺寸/mm 64052080 迎风面积/0.3328 总散热面积/16.24 冷却管尺寸/mm，数目/根 2.219，170 冷却片/个，管排数/排168，3 5 风扇的设计 发动机冷却系统的风扇的外形尺寸应和散热器的形状相匹配，条件允许时可增

16、大 风扇的直径；在冷却风量足够的情况下，尽量降低风扇转速，以减少功率消耗和噪音。 增加叶片数或者改变叶片角度形状也可以增加风扇的空气流量；叶片不等距设计，可 以改变共振点转速减少噪音。风扇和传动轴之间的弹性连接可以改变发动机的共振点 转速。 风扇一般是通过曲轴直接或间接驱动的，当间接传动时风扇的转速可以通过改变 曲轴和风扇的传动比来改变。因此要计算出风扇的转速，首先确定曲轴皮带轮的直径 和风扇皮带轮的直径，得出传动比，再根据发动机在标准工况和最大扭矩工况时的发 动机转速，求出风扇的转速。 汽车的冷却系统和工程机械的冷却系统两者有很大差异，工程机械行驶的车速低， 行驶时车速产生的风压低进风量小，进风量主要由风扇的流量决定。尽量增大风扇的 流量确保有足够的冷却能力。 5.1 风扇风量的计算 风扇的风量决定着冷却系的散热能力。根据风扇风量的计算公式求出风扇的风量： （/s） paaa a CT Q U max -散热器的最大散热能力 （kJ/s）； max Q -经过散热器空气的升温（）；1