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1、发动机冷却系统散热器设计薛东升（陕西理工学院机械工程学院热能与动力工程专业汽车071班，陕西 汉中723000）指导老师：王旭飞摘要：关键词：散热器 芯部 上贮水箱 下贮水箱 管带 冷却管 汽车工业是国家经济发展重要的支柱产业，随着汽车工业的不断发展，散热器需求量也在增大，而汽车散热器是汽车的重要附件，是水冷式内燃机冷却系统中不可缺少的一个组成部分，它的正常工作，保证了发动机乃至整个汽车的工作效率和可靠性。当发动机运转时，机体内部最高温度可达18002000，与高温燃气相连的零件受到强烈的加热，如不加以适当的冷却，机内温度太高会导致发动机充气系数下降，燃烧不正常，如爆燃、早燃等不良现象，机油变
2、质和燃烧，零件的摩擦和磨损加剧，从而引起发动机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。然而冷却能力过强同样会对发动机带不良的后果，实践表明，当冷却水温在4050下工作时，其零件磨损比在8090下工作时大23倍。从提高发动机循环效率的观点出发，希望通过冷却系统带走的热量尽可能少些，但这会导致汽缸、活塞、气门的寿命下降，缸盖发生热疲劳裂纹，润滑油变质等。因此，冷却系统的设计和使用优良的散热器是保障汽车良好运行的必要条件。散热器是汽车水冷发动机冷却系统中不可缺少的重要部件，其作用是将发动机水套内冷却液所携带的多余热量经过二次热交换，在外界强制气流的作用下，将多余的热量散发到空气中。因此，冷却系统中
3、散热器性能的好坏直接影响汽车发动机的散热效果及其动力性、经济性和可靠性，乃至产生安全问题。1冷却系统的说明内燃机运转时 ，与高温燃气相接触的零件受到强烈的加热，如不加以适当的冷却，会使内燃机过热，充气系数下降，燃烧不正常（爆燃、早燃等），机油变质和烧损，零件的摩擦和磨损加剧，引起内燃机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。但是，如果冷却过强，汽油机混合气形成不良，机油被燃烧稀释，柴油机工作粗爆，散热损失和摩擦损失增加，零件的磨损加剧，也会使内燃机工作变坏。因此，冷却系统的主要任务是保证内燃机在最适宜的温度状态下工作。1.1 发动机的工况及对冷却系统的要求一个良好的冷却系统，应满足下列各项要
4、求：l 散热能力能满足内燃机在各种工况下运转时的需要。当工况和环境条件变化时，仍能保证内燃机可靠地工作和维持最佳的冷却水温度；l 应在短时间内，排除系统的压力；l 应考虑膨胀空间，一般其容积占总容积的4-6%；l 具有较高的加水速率。初次加注量能达到系统容积的90%以上。l 在发动机高速运转，系统压力盖打开时，水泵进口应为正压；l 有一定的缺水工作能力，缺水量大于第一次未加满冷却液的容积；l 设置水温报警装置；l 密封好，不得漏气、漏水；l 冷却系统消耗功率小。启动后，能在短时间内达到正常工作温度。l 使用可靠，寿命长，制造成本低。1.2 冷却系统的总体布置冷却系统总布置主要考虑两方面：一是空
5、气流通系统；二是冷却液循环系统。在设计中必须作到提高进风系数和冷却液循环中的散热能力。提高通风系数：总的进风口有效面积和散热器正面积之比30%。对于空气流通不顺的结构，需要加导风装置使风能有效的吹到散热器的正面积上，提高散热器的利用率。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，减薄芯子厚度。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。一般货车芯厚不超过四排水管，轿车芯厚不超过二排水管。在整车布置中散热系统中，还要考虑散热器和周边的间隙，散热器到保险杠外皮的最小距离100毫米，如果发动机的三元催化在前端的话，还要考虑风扇到三元催化本体距离至少100毫米，到三元催化隔热
6、罩距离至少80毫米。一般三元催化的隔热罩到本体大概有15毫米，隔热罩厚度为0.51毫米，一般材料为st12。1.2.1散热器布置货车散热器一般采用纵流水结构，因为货车的布置空间也较宽裕。而且纵流水结构的散热器强度及悬置的可靠性较好，轿车多采用散热器横流水结构，因为轿车车身较低，空间尺寸紧张。横流水结构散热器能充分地利用轿车的有限空间最大限度地增加散热器的迎风面积。散热器分成水冷和风冷两种冷却形式，风冷主要用在行驶在沙漠地带的车辆的冷却，但是决大多数的车辆采用水冷冷却形式。散热器悬置布置：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
7、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。少数轿车因其整车的减振胶垫或胶套而进行刚性连接。中，重型载货汽车由于散热器的质量大及使用环境较差，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。悬置点设置在框架上。轻型货车和轿车一般不加保护框架，悬置点设置在散热器的侧板或水室上。为提高散热器强度一些车散热器上加有十字拉筋。1.2.2护风罩布置护风罩的作用是确保风扇产生的风量全部流经散热器，提高风扇效率。护风罩对低速
8、大功率风扇效率提高特别显著。风扇与护风罩的径向间隙较小，风扇的效率越高。但间隙过小，车在行驶中由于振动会造成风扇与护风罩之间的干涉。风扇与护风罩之间的径向间隙一般控制在5mm25mm。当风扇与护风罩之间的干涉。风扇与护风罩安装在同一零部件总成上（如同在底盘或同在车身上）其径向与相对运动，风扇与护风罩之间的间隙可以下线，否则取上限。风扇与护风罩的轴向位置一般为：风扇径向投影宽度的2/3在护风罩内，1/3在护风罩外，以增加导流减小背压。在大批量生产的车型中多采用塑料护风罩。铁护罩多用于批量小或直径较大的车型中。在某些车型中，特别是轿车，护风罩在常开有多个窗口并加以单向帘布。当车速较高，风扇停止运转
9、时帘布打开减小护风罩的风阻，当风扇启功后，帘布关闭提高风扇效率。1.2.3风扇布置风扇直径大小应和散热器的形状相协调，条件允许时可增大风扇的直径，降低风扇转速。以达到减小功率消耗和降低噪音的目的。在某些散热器长，宽比例相差较大时，如轿车散热器，有时采用两个直径较小的风扇所取代。特别是要求转速较高的风扇中已全部采用塑料风扇。电动风扇是由电动机来驱动风扇，电动机的启动与停止是受水温直接感应的温度开关来控制。电动风扇具有起动温度与设定温度一致，布置位置灵活，不受发动机转速的影响，汽车在低速怠速时冷却效果好等优点，冷车启动时水温上升较快。但也多用于发动机横置的轿车。1.2.4节温器布置目前汽车上应用的
10、节温器均采用蜡式感应体节温器。当冷却水温温度升高时蜡膨胀，节温器开启，冷却水流经散热器进行大循环。当冷却水的温度降低时蜡体积缩小，节温器关闭，冷却水不经过散热器，短路流经发动机刚体进行小循环。节温器一般布置在发动机的出水口处。要求节温器的泄漏量小，全开时流通面积大。增大节温器的流通面积可以通过提高节温器阀门的升程和增加阀门的直径来实现。国外较先进的节温器多通过提高阀门升程来增大流通面积，这样可以减少因增大节温器阀门直径带来的卡滞，密封不严等问题。但是增大节温器的升程，对节温器技术要求较高。有些发动机为增加节温器的流通面积多采用两只节温器并联结构。1.2.5水泵布置水泵的流量及扬程根据不同的发动
11、机而定。流量一般为发动机额定功率的1.52.7倍。，扬程一般为0.7kpa1.5kpa，扬程过高对冷却系统的密封性会产生不利的影响。水泵的可靠性主要取决于水封和轴承，轴承普遍采用轴连轴承及永久式润滑结构，水封采用陶瓷，碳化硅动环和石墨静环整体式水封。轴承的游隙及水封的气密性要严格控制。1.2.6膨胀箱布置尽量靠近散热器布置，使得水管长度最短；膨胀箱的高度要高于冷却系统所有部件。1.3冷却系统总体布置图 图1汽车发动机水冷系统总体布置图2.散热器的设计散热器的设计以符合发动机在正常工作范围的散热量需要设计，同时，应满足车辆安装需求的最小空间和维护方便等内容综合考虑。2.1散热器的设计要求1）散热
12、能力能满足发动机在各种工况下的需要；2）冷却系统消耗功率小，且热机快；3）体积小，重量轻，便于拆装维修；4）使用可靠，寿命长，制造成本低。2.2散热器的结构散热器俗称水箱，它主要由上贮水箱、下贮水箱、散热器芯和护风圈组成，此外还有上下进出水口、放水口、放气孔和补水口等。如图2所示 1-进水口 2-上水室 3-放气孔 4-补水口 5-护风圈 6-放水口 7-下水室 8-出水口 图2 散热器结构示意图2.2.1散热器的结构形式强制循环式水冷用散热器可分为直流型和横流型。直流式散热器在汽车发动机上使用极为广泛。国产解放CA6102型、东风EQ61001型发动机以及桑塔纳18 L、奥迪100 18 L
13、、富康136 L、标致2 L、夏利1 L、13 L等轿车发动机都采用了这种直流式散热器。其结构形式如图3。图3直流式散热器1散热器 2上水室 3下水室 4散热器芯子但是，由于它的散热芯子垂直布置，芯子上下分别布置了上水室和下水室，因而高度尺寸比较大，在发动机罩盖较低的轿车上布置比较困难。所以有些轿车上采用散热器芯子水平布置，用左右两侧的水室代替传统的上下水室结构，冷却液左右流动的所谓的横流式散热器。这种散热器宽度尺寸较大，芯子正面有效面积增加10，从而加大风扇尺寸，得到更多迎风面积，使气流更为流畅，其结构见图4。 图4 横流式散热器1.散热器盖 2.气液分离器 3.进水管 4.自动变速器液压油
14、冷却器 5.放水塞 6.放水口 7.出水管德国大众Golf型轿车以及BMW公司的一些轿车，以及国产依维柯、沈阳海狮等轻型车上就采用了这种结构的散热器。2.2.2散热器芯子的结构形式 散热器芯子是散热器的核心部分，起主要的散热作用。散热器芯子由散热管、散热片(或散热带)、上下主片等组成。由于它具有足够的散热面积，因此能保证将必须的热量从发动机散发到周围的大气中去。而且散热器芯子是用极薄的导热性能好的金属及其合金制造的，能使散热器芯子以最小的质量和尺寸达到最高的散热效果。散热器芯子的结构有多种，如管片式、管带式、细胞式、管芯式等等。如图5所示，常见的多为管片式和管带式。图5芯子的种类a.管片式 b
15、管带式 c细胞式 d管芯式2.3理论依据及计算2.3.1散入冷却系统的热量Qw受许多复杂因素的影响，很难精确计算，可以用下列经验公式估算：Qw=A ge Pe hu / 3600，kj/s A-燃料热能传给冷却系的分数，取同类机型的统计量，%，汽油机A=0.230.30，取A=0.25-燃料消耗率，kg/kw.h；汽油机0.2050.320 取0.25-发动机有效功率， hu-燃料低热值，一般取43100kj/kg若水冷式机油散热器，要增加散热量，增大5%10%.2.3.2冷却水的循环量 Vw= Qw/TwwCw，m3/s -冷却水循环的容许温升（-），取-水的密度，（1000kg/）-水比热（4.187kJ/kg.）考虑到冷却液在各管道中的沿程阻力实际冷却水循环量为Vp=1.2Vw2.3.3冷却空气的需要量VaVa一般根据散热器的散热量来确定，散
