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1、汽车冷却系统结构与设计冷却系统基本要求：1冷却系统应具有足够的冷却能力，保证发动机在所有工况下出水温度低于发动 机要求的许用值；2冷却系统应能在规定的时间内排除系统内的空气；3冷却系统设计应留有膨胀空间，其容积占系统容积的比例应满足发动机安装。 当系统总容量20L时,膨胀水箱容积应大于系统总容量的 20%;4冷却系统的加水速率、初次加注量应满足发动机厂家推荐要求；5发动机高怠速运转，散热器或冷却系统加水盖打开，水泵进口为正压；6冷却系统应有一定的缺水工作能力，缺水量应满足发动机厂家推荐值，缺水量 约为系统总容量的7%;7冷却系统应有防腐功能。常用冷却系统布臵见图1:图1冷却系工作原理图简图1发
2、动机2节温器3排气管4空气蒸汽阀5膨胀水箱6、7空气蒸汽阀8补偿水 箱9排气管10散热器11散热器出水管12水泵13补偿水管14散热器进水管风扇与周边其它物体距离的确定：风扇的性能会因气流中障碍物紧靠风扇而受到不良影响，所以根据发动机的安 装要求，风扇端面应离散热器芯子有足够的距离（图2中s1,该值可从发动机安装手册 中查找；风扇与导风罩的径向距离（图2中应控制在2.5%风扇直径内，最大不能超 过3%,否则将大大降低风扇效率，但实际由于结构的改进，风扇与导风罩的径向距离 一般可达到11（+/-2伽;吸风式风扇在导风罩内的轴向位臵（图2中3 1为2/3风扇叶片宽度。图2风扇与周边其它物体距离示意
3、图系统零部件选型及匹配计算散热器散热器布臵在发动机前部，散热器由进水室、出水室及散热器芯等三部分构成 （图3。冷却液在散热器芯内流动，空气在散热器芯外通过。按照散热器中冷却液流 动的方向，散热器分为纵流式和横流式两种，我们普遍采用纵流式。散热器芯有多种结构形式（图4。管片式散热器芯由散热管和散热片组成。散 热管是焊在进出水室的直管，作为冷却液的通道。散热管有扁管和圆管两种（图4中a b。扁管和圆管相比，在容积相同的情况下有较大的散热面积。铝 散热器芯多为圆管。在散热器的外表面焊有散热片以增加散热面积，增强散热能力， 同时还增加了散热器的刚度和强度。管片式散热器的优点是散热面积大、气流阻力小、结
4、构刚度好及承压能力强 等。管带式散热器芯（图4中c由散热管及波形散热带组成。散热管为扁管并与波 形散热带相间地焊在一起。与管片式散热器芯相比，管带式的散热能力强，制造简单, 质量轻，成本低,但结构刚度差。目前，随着生产制造工艺的进步这一缺点已改变。图3散热器（纵流式1进水口 2进水室3散热器盖4出水口 5变速器油冷却器进、出口6出水室7放水阀8散热器芯板式散热器芯（图4中d的冷却液通道由成对的金属薄板焊接而成。这种散热 器芯散热效果好，制造简单，但焊缝多不坚固，容易沉积水垢且不易维修。管片式及管 带式散热器芯有单列、双列（图4中b、c及三列散热管（图中4a之分。实践证明,双 列散热管散热器能在
5、有限的空间内获得最好的散热效果，因此在重型车上获得了广泛的应用。传统的散热器芯由黄铜制成，但近年来更多的是用铝制造，而且有些散热器的进 出水室由复合塑料制造（比如NG90奔驰载重汽车等进口车型，使散热器重量大为减轻。d图4散热器芯结构a管片式（扁型b管片式（圆管c管带式（扁型d板式1散热管2散热片3散热带4鳍片5环氧树脂密封6进水室7放气阀考虑制造成本和使用经济性因素，常用冷却系统选用，纵流式、黄铜、双列、管 带式、扁管散热管散热器，符合QC/T468-1999汽车散热器技术条件。空气-蒸汽阀压力盖现代汽车发动机强制循环水冷系，都用压力盖严密地盖在散热器或补偿水箱加 冷却液口上，使水冷系成为封
6、闭系统。其优点是：闭式水冷系可使系统内压力提高 冷却液的沸点相应地提高，从而扩大了散热器与周围空气的温差，提高了散热器的换 热效率。由于散热器散热能力的增强，可以相应地减小散热器尺寸。闭式水冷系 可减少冷却液外溢及蒸发损失。压力盖的作用是密封水冷系并调节系统的工作压力，它使水冷系被封闭。散热器盖的结构及工作原理如图5所示。当发动机工作时，冷却液的温度逐渐升高。由于冷却液容积膨胀，使冷却系内的 压力增高。当压力超过预定值时，压力阀开启，一部分冷却液经溢流管从补偿水箱流入膨胀水箱，以防止冷却液胀裂散热器。当发动机停机后，冷却液 的温度下降，冷却系统内的压力也随之降低。当压力降到大气压力以下出现真空
7、时 ， 真空阀开启，膨胀水箱内的冷却液部分地流回补偿水箱，满足冷却系循环系统使用，可 以避免散热器被大气压坏。常用冷却系统中共有三个压力盖（见图1,其中两个在补偿水箱上，一个在膨胀水 箱上。膨胀水箱上压力盖压力要小于补偿水箱上压力盖压力。补偿水箱上压力盖压 力设计保证系统能在环境温度50C和海拔5000m不开锅,无汽蚀。图5具有空气-蒸汽阀的散热器盖1-蒸汽排出管；2蒸汽阀;3-空气阀;4-散热器盖补偿水箱补偿水箱安装布臵在散热器上方（见图6,其上有加水口和盖、空气-蒸汽阀盖、 散热器和发动机机体内的空气和蒸汽排气管接口、以及与水泵联结的补偿水口。补 偿水箱上有冷却液加注口 ，同时也是冷却系统
8、内空气排气口。补偿水箱吸收来自散 热器和发动机机体内的空气，当系统工作时，吸收系统产生的蒸汽泡，确保系统压力稳 定,工作可靠正常。同时它与水泵联结，补偿系统冷却液，确保系统正常循环。它的容 积是整个冷却系统的1520%。膨胀水箱膨胀水箱布臵在驾驶室前上方，远离散热器和补偿水箱，上面有空气-蒸汽阀盖,压力小于膨胀水箱上压力盖，它的最下部通过软管与散热器上空气-蒸汽阀盖 相联，吸收来自补偿水箱的蒸汽和空气，并冷却它们，待系统停止工作后或冷却系内压 小于外界压力时，蒸汽液化后流回系统，确保系统工作正常和散失少。膨胀水箱容积 是系统容积的5%。冷却风扇冷却风扇臵于散热器后面（见图&由于正面迎风，采用吸
9、式风扇，风扇装在曲轴 上。在风扇外围装设导风罩3,使风扇4吸进的空气全部通过散热器1,以提高风扇效 率。风扇中心与散热器中心重合。系统选用风扇为塑料 ，重量轻、噪声低，风扇按要 求由发动机厂家匹配提供。图8冷却风扇和导风罩1散热器2散热器盖3导风罩4风扇风扇导风罩导风罩用来改善风扇效率，使流过散热器芯子的空气分配比较均匀，并限制发动 机罩内空气的再循环。图9为目前常用的三种基本的风扇形式。图9a为文特利型导风罩，其效率最高,但制造困难，且只有当风扇叶尖间隙直径 不大于1.5%风扇直径时才非常有效。有安装偏差及风扇传动带的张紧要保持这样 紧凑的间隙非常困难，因此直到目前国内才少量运用。随着强化材
10、料的发展，这种形式的导风罩将得到推广；图9b为箱式导风罩，其制造容易，运用最为广泛。图9c为环形导风罩，其制造容易，运用较多常用冷却系统选用箱式导风罩，便于装配、制造容易，导风罩的一部分由散热器 厂制造，另一部分的风扇护圈固定在发动机上，两者之间由胶圈连接，既保证风扇与护 圈的间隙小，又防止了导风罩与风扇之间的相互运动，不会导致风扇与导风罩干涉，最 终提高了风扇效率。图9a文特利型b箱式导风罩c环形导风罩中冷器中冷器的用途是在短时间内将从增压器出来的高温空气得到降温 ，使其与燃料 混合后燃烧更充分。中冷器的结构和原理与散热器相似，可按发动机匹配要求和布 臵结构进行选型或开发。常用冷却系统匹配计
11、算以BF6M1013ECP发动机冷却系统匹配为例冷却系统主要部件构成及参数1冷却系统主要由发动机、吸式风扇、散热器、中冷器、补偿水箱、膨胀水 箱、导风罩、风扇护圈及相关管路构成。各主要部件参数如下：发动机:Deutz BF6M1013ECP直6、直喷式、增压、中冷、柴油机额定功率/转速195kw/2300rpm最大扭矩/功率/转速954Nm/140kw/1400rpm额定功率时，发动机对冷却液的散热量97.5kw，最大扭矩时，发动机对冷却液的散热量70kw（根据Deutz公司推荐,增压中冷发动机QW=0.5Peh额定功率时，发动机冷却液流量45L/S;最大扭矩时，发动机冷却液流量：3.5L/S
12、风扇：Deutz公司直径： 596mm （24径节宽度:104mm传动比:1:1（风扇与曲轴同轴散热器:500 500 50 01制造厂:青岛散热器厂容积:8.8 L中冷器:500 500 50 02制造厂:青岛东洋散热器有限公司补偿水箱:500 500 50 03制造厂:青岛散热器有限公司容积:5 L膨胀水箱:620 500 01 49希9造厂:BEHR容积:2L。冷却系统散热量新的散热器在使用一段时间后，由于水垢的生成而使少量水管堵塞，散热性能下 降10%左右;此外,由于压力盖泄漏以及气流分布不均，也会使散热能力下降 5%10%。因此，在选择散热器时，它的散热能力Qmax应比发动机水套散掉
13、的热量Qw高出15%20%即：Qmax=(1.151.20Qw补偿系数=1.00+0.1(焊合不良+0.05 (水垢及油腻=1.15因此，额定功率时，散热器散热量Qmax=97.5X1.15=112KW最大扭矩时，散热器散热量 Q=70X1.15=80.5KW风扇匹配验证发动机功率195kw,查图10风扇直径的选取”风扇直径为420mm590mm之间, 厂家所配为596mm原则上，在条件许可的情况下，直径越大越好，符合要求。冷却 系统所需风量要想将发动机传给冷却介质的热量散掉，必须有足够的空气通过散热器，空气量Q空由下式确定:Q空=Qw/( p空C空厶Tp空:标准条件下空气密度，kg/m3空=
14、1.2kg/m3 (29;C 空:空气比热,(KJ/(kg.K C 空=1.00(KJ/(kg.K T:通过散热器的空气温差，一般为10350 C取厶T=250 C 因此，冷却系统所需风量最大功率点,Q 空=97.5 十1.2 X.00 ：25=4.24(m3/s最大扭矩点,Q 空=70勺1.2 1.00 25=3.05(m3/s图10散热器的匹配设计图11冷却系统大部件装配简图a. 散热器芯部结构：管带式;材料潢铜;优点:零件少、制造工艺性好、重量轻、 散热系数高、外形美观。b. 散热面积的确定w Q wS w =3.6 K w AtkmSw -散热面积m2W w储备系统,考虑焊接不良，水垢
15、以及油泥等对散热器性能的影响取为1.15Qw我热 器需 带走的热量，KJ/h;Atkm换热介质算术平均温差，C。Tk2Tk1AtkmLn(tk2/tk1Tk1散热器进气温度,Tk2流出散热器空气温度，一般为20-30E ,Kw -传热系数,w/(m2.k1K w=1 1 1+ +a W 入 ak.lj 一器2/3H凤 扇发动机Aa W冷却液的传热系数；入黄铜热导率,入=9316 w/(m.k;S材料厚度,S =O.05.O8mm;ak:空气传热系数，取决于空气流过散热器的速度=70-112w/(m2 k。由于散热器芯子的散热片与管子之间焊接不良，可使Kw下降20%-30%,空气的 质量风速提高，Kw值提高，但过大风扇消耗功率大。当管内冷却液流速增加，扰流增 加,Kw提高，但过大使水泵的消耗功率增加，上式表明，确定散热面积必须反复试算和 修正，按经验推算：S
