汽车冷却系统安装要求

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1、发动机应用冷却系统安装要求1 前言汽车冷却系统的热传递部件主要有散热器，空空冷却器，风扇和导风圈，以及可控风扇离合器。在寒冷气候下使用的车辆常常还在冷却系统前装有冬季遮风罩或百叶窗。装有自动变速器的车辆还有变速器散热器。此外这种冷却系统还装有特殊的冷却液管路。当车辆在温和和较冷的环境下运行时，冷却系统的热交换部件把冷却液，进气几管的空气和变速器油的温度控制在希望的范围内，当车辆在酷热环境下运行时，它们又使上述介质温度维持在规定的水平以下。本文概述了这些与热交换相关的冷却系统和空空中冷系统部件的康明斯要求和设计指南.这些建议只包含与部件性能相关的设计方面,而不包含部件的可靠性.实际 ,所有车辆热

2、交换系统的康明斯要求均是基于性能,而不是基于设计,即对于整个冷却系统,要求的是达到某种性能水平 ,而不是要求特定的设计方面,比如要求散热器或风扇的测尺寸.本文的目的在于帮助车辆设计者开发一种有效地热交换系统,使其能以最小的尺寸和成本满足汽车应用及康明斯的要求.与冷却系统加水和初期相关的冷区系统部件的设计本文未作介绍. 汽车冷却系统设计的主要步骤为:1.确定发动机散热量和冷却液流量2.确定冷却系统性能要求 3.选择热交换器,风扇等冷却系统部件.下面将分别阐述. 2发动机散热量和冷却流量的确定在发动机水泵作用下，冷却液通过机油冷却器，汽缸套周围和汽缸盖循环。冷却液从这些发动机部件带走热量，以控制发

3、动机关键金属件的温度和将发动机机油温度维持在合适的范围内， 控制机油的氧化和延长其寿命。从发动机内部零件吸收来的热量必须释放给车辆的水散热器。 最高的冷却液温度必须被控制在设计的限值内，以使冷却液能有效地将发动机内部金属件温度控制在其设计限值内。如果发动机内部金属件温度过高，将会导致发动机严重损坏，如拉缸和汽缸盖开裂。发动机增压器在压缩进气时，使进气温度增高。冷却这些高温进气可以增加进气密度，增大发动机功率输出，降低排放和发动机动力缸的热负荷。车辆水散热器必须带走冷却液从发动机带来的热量，同时还应将发动机出水温度维持在合适的范围内。车辆的空-空中冷器必须冷却从发动机增压器压气机来的高温进气，使

4、其尽量接近环境温度。所有设计汽车冷却系统必须的发动机数据均包含在特定发动机数据单中。发动机数据单中用于冷却系设计的主要信息有：1） 发动机冷却液散热量：这是发动机在标定转速下满负荷工作时传递给冷却液的热量。2） 散热器冷却液流量：这是在标准散热器阻力下测量的车辆散热量流量。具有比标准散热器阻力更低的散热器的流量会更大，而具有比标准散热器阻力更高的散热器的流量会更小。对带自动变速器的安装，在与标准散热器比较时，应将变速器散热器阻力加到发动机散热器阻力上。3） 压缩空气流量：此为发动机增压空气的流量，它应被中冷器冷却。4） 增压器压气机出口温度：此为压缩空气的温度，它将离开压气机而流到中冷器中。

5、发动机数据单上的此温度是在增压器压气机进口温度为77（25）下，在实验室内测得的。而在做车辆冷却试验时，当增压器压气机进口温度通常为110 140（4360）时，其进口温度会比数据单上的温度值高很多。5） 空气流速和冷却液类型：指冷却试验时通过测试车辆的空气流速和测试用的冷却液。数据单上列出的空气流速只适用与一定的应用和车辆吨位，就象后面在“冷却系统性能要求的确定”中所描述的一样。在冷却试验中通常使用50：50 的乙醇和水混合冷却液，因为它是通常实际使用的一种冷却液。6） 最高冷却液温度发动机出水口温度：此为发动机使用中所能承受的最高冷却液温度。制订发动机出水口冷却液与环境的温差规范就是防止冷

6、却液温度在实际工作中超过最高限值。7） 发动机出水口冷却液与环境的温差规范：这是指在冷却实验中发动机满负荷工作时，发动机出水口温度可以高于环境温度的温差值，通常又称之为TTD （）值。8） 进气岐管与环境的温差值：此为冷却试验中，发动机满负荷工作时，进气岐管空气温度可以高于环境温度的温差值，通常又称之为IMTD （）值。9） 从增压器出口至进气岐管的最大允许压力降：此为整个进气中冷系统最大允许的阻力值，是在冷却试验中，发动机满负荷工作时测得。此阻力值包含了管道，软管和中冷器的阻力。3. 冷却系统性能要求的确定对车辆冷却系统的性能要求基于车辆运行环境的最高温和车辆在最恶劣的冷却条件下的行驶车速而

7、规定的. 发动机出水口温度与环境温度的温差限制是设计来防止发动机冷却液出水口温度超过其最高冷却温度限制当车辆在最恶劣冷却条件下运行时可能遇到的发动机出水温度.对大多数公路车辆来说.冷却系统所遇的最恶劣的状态发生在车辆满载爬长陡坡是.此时 ,发动机和冷却器的热负荷均为最大,且车辆的行驶速度相对较慢. 康明斯对不同使用条件和地区的冷却性能要求根据车辆所可能遇到的最小爬坡车速和最高环境温度而变化.最小爬车初速主要基于车辆的总质量和发动机功率水平,它将影响冷却试验的空气流量;最高环境温度基于车辆运行的地区.发动机数据单上的冷却系统性能要求只适用于某一种应用和世界上某个地区.对于不同类型,不同使用地区和

8、不同吨位的车辆,需参考相应的冷却标准. 限制环境温度就是在发动机冷却液温度达到其最高之前车辆能运行的最高环境温度.既然 TTD 为发动机冷却液温度与环境温度的温差值,则 LAT 和 TTD 之间有如下关系: 最高冷却液温度线值LAT+TTD 例 如 ,如 果 一种 重 型 发动机的 最 高 冷却 液 温度 限值 为220(104), 需 设计 出能 满 足LAT=115(58) 的能力才能满足该环境的应用要求.消防和应急车辆有其专门的冷却要求,通常低于典型的公路用货车和客车的要求.这些较低的要求主要基于这些车辆通常具有较高的单位质量功率和不苛刻的操作环境.这些独有的冷却要求列在消防和应急车辆用

9、发动机数据单上. 4.热交换器芯的设计发动机的散热量和期望的冷却性能规范确定后,以及车辆可利用的空间也确定后,热交换器芯的设计就可以开始了.热交换器制造商一般用计算机来确定满足冷却要求所需要的水箱和中冷器芯子的面积.空气流量是由风扇产生的,故近似的风扇尺寸和转速也用计算机来估算. 根据后面的风扇和导风圈设计所述,最大化风扇扫过热交换器芯的扫风量可以提高风扇和导风圈系统的效率.而风扇对热交换器芯可能产生的最大的扫气量位与风扇投影面积内,故越紧密的芯子布置,与风扇匹配的潜力越大. 因为风扇的最大直径一般在冷却系统设计初期就确定了,故该风扇最大直径应作为散热器芯最小期望尺寸的设计指南.风扇气流必须通

10、过中冷器芯和散热器芯,故平滑的过渡可提高系统的效率 .这可通过使二者的尺寸和形状尽量相近来达到目的.空空中冷器芯一般均小于散热器芯 ,故在设计空空中冷器芯时需特别注意,不要让气室挡住散热器芯,否则会形成不希望的气流死区 . 另一个重要的热交换器芯设计重点就是散热片和管子的布置.通常 ,在给定正面面积后,散热片的密度越大,散热片的百叶窗越多,则芯子的性能越好.当然 ,高密度 ,开窗的散热片和交错的管子会很快附着灰尘,特别是当车辆在灰尘大的环境下运行时,这种情况尤甚,而且清洁起来非常困难和昂贵.康明斯建议高密(每英寸即25MM12片或更多 )装有开窗散热片的散热器只能在干净的公路上应用.对于在较脏

11、环境下使用的车辆, 如街道清洁车和某些伐木业和农业应用车辆,则必须使用低密度,为开窗的散热片，且散热器管子最好采用线性排列，而不用交错排列。 经验证明， 城市交通车辆在使用高密度且开窗的散热片的散热器时，其寿命往往较短。 因为这时冷却系统要求风扇长时间运转，故冷却系统容易吸入大量的街道灰尘。虽然这能使城市更清洁，但冷却系统的设计也必须有一个合理的使用寿命，并在变脏时能很容易的清洁。 康明斯要求城市交通车辆和其他在较脏环境下使用的车辆，应采用密度小于每英寸 810 片的未开窗的散热片。 热交换器制造商已开发出带波纹或凸缘的散热片来取代百叶窗型散热片，这种结构的散热片不吟哦年肝脏，且在一旦弄脏后很

12、容易清洗。在较脏环境阴性的车辆还有在水箱和空空中冷器芯子之间积留脏物的问题，如不伊开中冷器， 此处脏物是很难清洗的的。这是由于脏物通过两芯子之间的空隙被吸入，以及通过了较高密度的空空中冷器芯子的脏物被密度较高的水箱芯子散热片挡住而造成的。此问题可以通过使用并排布置而不是前后布置的水箱芯子和空空中冷器芯子，在两个芯子之间安装密封件，或者两个芯子采用匹配的散热片密度而是脏物能同时通过等方法来解决。5风扇和导风圈的设计散热器，空空中冷器和风扇驱动系统典型的设计是在车辆上可利用的空间内，以最低的成本，最小的质量和寄生功率，达到带走要求的发动机和变速器的热负荷的目的。散热器气和中冷器的桑热性能可以通过优

13、化风扇，导风圈和热交换器芯子面积之间的关系来达到最佳。 这里有 3 个关键的值得注意的设计区域：风扇与发动机和散热器芯子的间隙，风扇扫过芯子的面积和风扇相对于导风圈的位置关系。旋转的风扇以不均匀的速度泵空气，靠近风扇叶片顶端的空气流速最快（图1） 。这种速度分布时气流在风扇轮毂区域形成一个低压区，而在风扇周边附近形成一个高速的环形区。散热器和中冷器芯子在均匀的空气流量通过芯子时的性能最好，故风扇产生的不均匀空气流速分布是不希望出现的。这种情况可以通过增大风扇至散热器芯子的距离来改善，因为空气流速分布在离风扇越远处越趋于均匀（图2） 。通过最大化风扇扫过散热器芯的面积和较好地匹配风扇直径与散热器

14、芯尺寸也可以改善通过散热器芯的空气流量。当风扇扫过的散热器芯之间的气流最平衡。此情况发生在当风扇直径等于或稍小于散热器芯的最小尺寸时。当然， 当风扇直径超过了散热器芯尺寸时，由于水箱和中冷器芯子、的气流死区形成（图3） 。风扇的性能反而会降低。风扇气流也可能被风扇前后的障碍物打断，特别是气流速度最大的靠近风扇周边的区域。由于发动机附件或皮带轮对气流的干扰常常无法回避的，故应尽量增大风扇与任何障碍物之间的距离来减小这些障碍物对风扇性能的影响。障碍物越靠近风扇，越会增大风扇的噪声，并通过增大风扇的振动而缩短风扇的寿命。好的设计应使风扇前端面与散热器芯的最小距离为2 in (50mm) ,4 in

15、(100 mm ) 更佳，使风扇后端面与任何障碍物的间隙最小距离应有34 in (20 mm ) 或更大。风扇导风圈通过聚集散热器芯与风扇之间的空气和将风扇叶片顶端的空气再循环降到最小来提高系统效率。最佳的导风圈设计是让气流从矩形的散热器芯到圆形的风扇以最小的阻力平稳的过渡。风扇深入导风圈内的深度尺寸被导风圈的风扇沉入。风扇渗入量和风扇叶端与导风圈之间的间隙是影响风扇和导风圈空气泵送效率因素最合适的风扇。最合适的风扇沉入量根据不同的风扇和冷却系统设计而不同，故该参数通常用经验来确定。好的设计， 风扇沉入量约为风扇宽度的12，对吹风扇和吸风扇均是如此。这些风扇沉入量建议与以前有所不同，是因为最佳

16、的风扇沉入量由于空空中冷器芯造成的附加的阻力而有所改变。但这些普通的原则并不适用于每一种安装，最佳的风扇沉入量应通过试验来确定。随着风扇叶端与导风圈间隙的减小，风扇的性能可得到改善。为获得最佳的性能，其端间隙应不超过风扇直径的2.5。但最小的端间隙常常被防止车辆在颠簸路面行驶使风扇叶片与导风圈与摩擦所需的最小间隙限制。当导风圈直接安装在发动机上时，风扇端间隙常常被缩小至小于风扇直径的1，这可以进一步改善风扇性能。图5 显示了吸风扇和吹风扇沉入量的设计推荐值。将散热器前和风扇后的气流阻力降至最小，也能改善冷却的空气流量。进风口百叶窗开启面积应最大， 百叶窗珊条的设计应有较低的风阻。风扇后的阻力可以通过改善气流从发动机室的出口来减小。