发动机冷却系统总体参数设计

一、冷却系统说明二、散热器总成参数设计三、膨胀箱总成参数设计四、冷却风扇总成参数设计五、水泵总成参数设计六、橡胶水管参数设计七、节温器选择八、冷却液选择一、冷却系统说明内燃机运转时，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，应满足下列各项要求：1）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；2）应在短时间内，排除系统的压力；3）应考虑膨胀空间，一般其容积占总容积的4-6%；4）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。5）在发动机高速运转，系统压力盖打开时，水泵进口应为正压；6）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；7）设置水温报警装置；8）密封好，不得漏气、漏水；9）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。10）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0.5－1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5mm－25mm。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机而定。流量一般为发动机额定功率的1.5－2.7倍。，扬程一般为0.7kpa－1.5kpa，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冷却系统主要部件匹配设计要点在整车总布置空间允许的条件下，尽量增大散热器的迎风面积。在保证风量不变的条件下，可以适当增加风扇直径，降低风扇转速，减少噪声和功率消耗。冷却系统的最高水温应以发动机的允许使用水温为标准。节温器的全开温度应为发动机正常工作水温范围的中限，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摄氏度左右。1.4冷却系统轮廓图（例子）1.散热器张紧板2.六角法兰面螺栓3.橡胶衬套4.散热器总成5.弹性卡箍6.发动机出水管7.弹性卡箍8.水管－膨胀箱至散热器9.水管卡片10.六角法兰面螺栓11.管夹12.六角法兰面螺栓13.膨胀箱总成14.弹性卡箍15.水管－膨胀箱至水泵16.水管－发动机至膨胀箱17.弹性卡箍18.发动机进水管19.弹性卡箍20.弹性卡箍21.暖风机进水管22.弹性卡箍23.暖风机出水管24.橡胶软垫25.六角法兰面螺栓26.风扇电机带护风圈总成一．冷却系的主要设计参数1.发动机主要参数：类型：水冷4冲程，直列4缸SOHCVTEC，16气门横置气缸直径与行程：86.0mm×97.0mm发动机排量：2254ml压缩比：8.9：1最大功率：110kw/5700rpm最大扭矩：612N.m/4900rpm在设计或选用冷却部件时应以散入冷却系统的热量Q为原始数据，来计算冷却系统的循环水量和冷却空气量：用经验式0.25110431000.2582.31/70776/36003600eeuWAgPhQkJs千卡小时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=0.23～0.30，取A=0.25eg-燃料消耗率，kg/kw.h；汽油机0.205～0.320取0.25eP-发动机有效功率，取最大功率110kw若水冷式机油散热器，要增加散热量，WQ增大5%～10%.在算出发动机所需的散走的热量后，可计算冷却水循环量82.31245.73/min810004.187Wt-冷却水循环的容许温升（6-12），取8Wr-水的密度，（1000kg/3m）WC-水比热（4.187kJ/kg.C）实际冷却水循环量为1.2294.88/minpWVVL冷却空气需要量：382.313.892/201.011.047WaaaPaQVmstrCat-散热器前后流动空气的温度差，取20Car-空气密度，一般ar取1.01kg/3mPaC-空气的定压比热，可取PaC=1.047kJ/kg.C二．散热器设计1.散热器的计算所根据的原始参数是散热器散发的热量和散热器的外形尺寸。散热器散发的热量就等于发动机传给冷却液的热量。已知散热器散发的热量后，所需散热面积F可由下式计算：WmQFKtK-散热器的传热系数/2千卡米.小时-散热器贮备系数，水垢及油泥影响等，一般=1.1～1.5，取1.1mt-冷却水与空气的平均温差，取26散热器的不同部位，其冷却水与空气温差不同，通常采用平均温差，平均温差mt可由下列式计算:12122622ttttsskktm1ts—散热器进水温度，取902ts—散热器出水温度，取041tk—空气进入散热器时的温度，取022tk—空气离开散热器时的温度，取041102.11kwL2千卡/米小时.Cw—从冷却水到散热器壁的放热系数,当冷却水流速为0.2～0.6m/s时，w约为2000～3500.2千卡/米小时.C，取3500。—散热管导热系数，纯铝导热系数为230W/m.k,换算为197.8.2千卡/米小时.C—散热管壁厚，0.0002mL—散热管到空气的散热系数，当流过散热管的空气流速为10～20m/s时，L=60～105.2千卡/米小时.C，取105。散热面积2707761.120.810226WmQFmKt2.散热器细节计算在计算出散热面积后，就是散热器芯部的选择。从结构上分主要有管片式和管带式两种（如图1）。这里选用管带式散热器。根据汽车行业标准QC/T29025-1991,选择如下芯子：冷却管选取高频对焊型冷却管Ⅳ型号，1b=2mm,L=16m,如图1选用2D型双排冷却管，如图2图1图2图3C=L+4=20mmd=L2+1=9mmT=(2-1)C+2d=38mm取b=10mm,t=4mm芯厚T、芯宽W和芯高H,见图4图4H取420mm,W取530mm,T为38mm散热器正面积（迎风面积）为22WH=4205302226000.2226mmm每片散热带的有效散热面积（双面）22220222210.2105381627000.1627HStbTmmmt所需管带数为1W530==44片b+b2+10散热带总散热面积24401627447510S=S.0.1m所需冷却管数为15302288210根Wbb每根冷却管表面积约为20.1596m冷却管总表面积约为20.15968814.0448m总散热面积2144475219S.0.1.1m，满足散热面积要求。三膨胀箱总成设计1设计原则冷却液在发动机冷却回路流动，随温度升高体积膨胀，为吸收这部分膨胀体积而设置了膨胀箱。具有膨胀箱的冷却系统根据膨胀箱有无加压分为两种：系统A：在加压系统内具有冷却液的膨胀空间（膨胀箱），冷却液循环到膨胀空间中，进行气液分离。膨胀箱应耐热、耐压，位置高于散热器并保持系统内压力适宜。系统B：在加压系统内具有冷却液的膨胀空间（膨胀箱），仅在溢流至膨胀箱时进行气液分离。膨胀箱耐热性、容量、位置要求