冷却系统基本设计规范

冷却系统基本设计规范

简式国际汽车设计（北京）有限公司

2008.5

目录

1.冷却系统的构成和设计要求 (1)

1.1 冷却系统的构成 (1)

1.2 冷却系统的设计要求 (1)

2 冷却系统设计 (2)

2.1 散热器 (2)

2.2 冷却风扇 (6)

2.3 风扇护风罩 (7)

2.4 压力盖 (8)

2.5 膨胀水箱 (10)

2.6 取暖器 (13)

2.7 水泵 (13)

2.8 散热器管路 (13)

2.9 冷却液 (14)

1.冷却系统的构成和设计要求

1.1 冷却系统的构成

冷却系统由散热器、风扇、膨胀箱等部件组成。其功能是对发动机进行强制冷却，保证发动机能始终处于最适宜的温度状态下工作，以获得较高的动力性、经济性及可靠性。汽车冷却系统的结构简图见图1-1所示：

图1-1 冷却系统的构成

1.2 冷却系统的设计要求

1) 冷却系统的设计应保证：使用冷却水作冷却液和 0.5bar 以下的压力盖时，发动机出水口的温度允许到 100 ℃；使用冷却水作冷却液和 0.7-0.9bar 压力盖，在不连续工况运行下，最高水温允许到 110 ℃。

2)如果使用长效防冻防锈液作冷却液和 0.5bar 以下的压力盖时，发动机出水口的温度允许到105℃；使用长效防冻防锈液作冷却液和 0.7-0.9bar 压力盖，在不连续工况运行下，最高水温允许到 115 ℃。

3) 冷却液的膨胀容积应大于等于整个系统冷却液容量的 6 %。

4) 冷却系统必须用不低于 19 L/min 的速度加注冷却液，直至达到应有的冷却液平面，以保证所有工作条件下气缸体水套内冷却液能保持正常的压力。

2 冷却系统设计

件进行冷却系统内流场计算分析，最终以整车高温试验结果对冷却系统设计是否满足使用要求进行确认。具体各主要部件的设计过程如下。

2.1 散热器

散热器是冷却系统中的重要部件，其主要作用是对发动机进行强制冷却，以保证发动机能始终处于最适宜的温度状态下工作，以获得最高的动力性、经济性和可靠性。

散热器和风扇组合匹配效率是当散热器芯子未被气流扫过的面积最小时为最高，因此，最好采用接近正方形的散热器芯子。如图2-1所示。

图2-1 散热器

散热器的总散热面积、芯子的迎风面积、结构形状和结构尺寸要通过发动机冷却系统所需最大散热量来计算确定，并应通过试验评价来最终确定。理论计算一般是根据有关计算公式及所配发动机的相关参数，如功率，油耗等，确定水冷散热器的总散热面积。根据风扇大小及整车空间尺寸确定散热器迎风面积，再根据散热器面积计算公式选取散热器芯厚尺寸。

散热器及风扇计算过程如下：

1）冷却系统散走的热量Q w 的计算公式

Q Ag w=e P e h n /3600(kJ/s) （式2-1）

式中： A-传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，

对汽油机A=0.23~0.30，对柴油机A=0.18~0.25；

g e—发动机燃料消耗率（g/kw·h）；

P e—发动机功率（kw）；

h n—

燃料低热值（kJ/kg）。

柴油和汽油的低热值和分别取41870 kJ/kg和43100 kJ/kg。 2) 冷却水的循环量V w 的计算公式

V w = Q w /（t w1- t w2）γw c w (m 3/s) （式2-2）

式中： t w1-发动机出水口温度（一般为85℃~95℃）

t w2-发动机进水口温度（一般为75℃~85℃）

3 γw -水的比重，可近似取γw =1000kg/m ；

c w –水的比热，可近似取c w =4.187kJ/kg·℃

3) 冷却空气需要量V a 的计算公式

V a = Q w /△t a γa c p (m 3/s) （式2-3）

式中 △t a -空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度

差，通常△t a =20~30℃；

3 γa -空气的重量，一般γa =1.05kg/m ；

c p –空气定压比热，可c p =1.047kJ/kg·℃。

4) 散热器的正面积F r 计算公式

2 F r =(0.0031~0.0038 )·P e （m ） （式2-4）

说明：载货车和前置客车通风良好时，可取下限值即 0.0031－0.0033 m 2/kW；城市公交车长期低速运转但严重超载可取中值即0.0034－0.0035 m 2/kW；自卸车、牵引车、山区长途客运车等经常大负荷运行的车辆以及通风欠佳的后置客车可取上限值即 0.0036－0.0038 m 2

/kW。

5)散热器的散热面积计算公式

额定工况所需散热面积 F 1=βQ w1/(Kr 1*△t) （式2-5）

最大扭矩工况所需散热面积 F 2=βQ /(Kr w22*△t) （式2-6）

式中：β-散热面积储备系数（一般取1.1~1.15）

Kr 1-散热器在额定工况下的传热系数；

Kr 2-散热器在最大扭矩工况下的传热系数；

△t -散热器冷却水和冷却空气的平均温差

其中 ：△t=t w -t a

t w =（t w1+ t ）/2

w2 t a =t +△t a1a /2

式中：t w -冷却水的平均温度

t a -冷却空气的平均温度

t a1 –散热器冷却空气的进口温度（一般为40℃）

3 6) 风扇风量V f =1.2 V a ( m /s) （式2-5）

7) 风扇外径D 的计算

D=（0.79~0.93）·（F r ）0.5 （m） （式2-6）

公路运输车及前置发动机客车经验系数取偏小值，工程车及后置发动机客车取偏大值。

8）冷却能力评价

T C = T －(t -T max w1e ) 推荐标准 : T C =36℃ － 54℃

其中： T C -极限使用环境温度

T -为最高允许出水温度

max t -为发动机的出水口温度

w1T e -为环境温度。

散热器进风口的实际面积不得小于散热器芯子迎风面积的 80 %，以防止散热能力下降。

后置商用车散热器的进风通道要与发动机舱密封隔离，见图2-2所示，散热器周围要安装密封橡胶，以防止发动机舱的热风回流到进风通道，影响散热性能；进风通道的面积应不小于散热器芯子的迎风面积。