冷却系设计要求

冷却系设计要求
冷却系设计说明书
冷却系设计要求：
1、保证发动机在任何工况下工作在最佳温度范围；
2、发动机启动后能在短时间内达到最佳温度范围；
3、保证散热器散热效率高，材料消耗少；
4、水泵，风扇消耗功率小，噪声低；
5、冷却系统中的零部件拆装、维修方便。

冷却系结构：
1、基本结构：该结构由发动机水路、水泵、散热器、风扇、节温器以及连接管
路组成。

为保证冷却系统中的气体能顺利排出，加水充分，排水彻底，一般要求散热器的上水室（散热器进水室）进水口处为冷却系统的最高点，下水室（出水室）出水口为冷却系的最低点。

2、带补偿水桶结构：补偿水桶的作用是发动机工作时水温升高后，水膨胀外溢
可流入补偿水桶内；当水温降低后，冷却系水体积减小，补偿水桶内的水会重新被吸回到冷却系。

特点：为确保补偿水桶内的水进出通畅、对冷却系统的密封性要求较高。

散热器的上下水室也应处在冷却系的最高及最低点。

3、带膨胀水箱结构：膨胀水箱布置在冷却系最高点，散热器的最高点可以低于
发动机。

散热器设计要点：
1、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。

这样可以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。

2、货车散热器一般采用纵流结构，因为货车的布置空间较宽裕。

而且纵流式结
构的散热器强度及悬置的可靠性好。

轿车由于空间限制，也可采用横流结构。

散热器悬置设计要点
1、悬置点应设计在一个部件总成上，改善散热器受力状况，尽量减少散热器的
振动强度。

主悬置点应与辅助悬置点保持一定的距离，以提高散热器的稳定性。

主悬置点，辅助悬置点处散热器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度达到减振的目的。

护风罩设计要点
1、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。

2、风扇与护风罩的径向间隙越小，风扇的效率越高。

一般控制在5-25mm。

3、从成本角度考虑，在大批量生产的车型中，多采用塑料护风罩。

风扇设计要点
1、风扇直径大小应和散热器的形状相协调，条件允许的条件下可增大风扇直径、
降低风扇转速，以减小功率消耗降低噪音的目的。

2、电动风扇是由电动机来驱动风扇，电动机的起停是受水温直接感应的温度开
关来控制。

汽车在低速怠速时冷却效果好，冷车启动时水温上升较快。

电动机功率一般比较低，因此风扇的风量受到限制。

节温器设计要点
1、节温器一般布置在发动机出水口处。

要求节温器的泄露量小，全开时流通面
积大。

增大节温器的流通面积可以通过提高阀门升程和增加阀门的直径来实现。

水泵设计要点
1、水泵流量一般为发动机额定功率的1.5-2.7倍。

如发动机额定
功率100kw，水
泵流量应为150-270L/min。

水泵扬程过高对冷却系统的密封性会产生不利的影响。

主要部件匹配要点
1、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。

2、在保证风量不变的条件下，可以适当增大风扇直径，降低风扇转速，减少噪
声和功率损耗。

3、冷却系统的最高水温应以发动机的允许使用水温为标准。

4、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
机正常工作水温的下限。

节温器开启温度一般低于全开温度10℃左右。

散热器的发展趋势
1、薄壁、轻量、高效；
2、结构合理；
3、采用低锡焊料和有机焊剂来制造铜散热器，采用高效率的氮气保护硬钎焊工
艺组织生产铝散热器，是今后发展的趋势。

4、提高系统压力实现增大散热器的散热能力。

推荐的系统压力值为：
轿车、轻型车70-110kPa；中型车50-70kPa；重型车30-50kPa。

5、散热器的散热性能和可靠性能必须达到标准规定的水平。

散热器的散热性能
通常是规定散热器的冷却液流量和风速在某一定值条件下，散热器的标准散热量必须大于或等于设计规定值，而风阻和水阻必须小于设计规定值。

散热器可靠性一般包括耐振性能、扭振性能、压力循环性能、高温压力脉冲、密封性能。

6、采用较高的系统压力是可以在不增大空间尺寸和生产成本的前提下实现增大
散热能力的目标。

一般情况下：系统压力为29.4 kPa，冷却液沸点为105℃；
压力为49kPa，冷却液沸点111℃；系统压力98.7 kPa，冷却液沸点120℃。

提高系统压力不仅有利于增大散热能力，而且有利于提高发动机燃烧效率，减少水泵气蚀倾向。

当然提高系统压力会使散热器渗漏几率随之增加。

散热器的技术要求
散热器的散热性能和可靠性能必须达到标准规定的水平。

1、可靠性包括散热器密封性能、耐振性能、压力循环性能、耐高温压力脉冲性
能、耐扭振性能。

2、散热器的散热性能通常是规定散热器的冷却液流量和风速在某一定值条件
下；散热器的标准散热量必须大于或者等于设计规定值，而风阻和水阻必须小于设计规定值。

散热器的设计程序
1、根据设计任务书的汽车类型、总质量、车辆使用条件、最高的外界气温、
发动机的燃烧室形式、排量、额定功率和最大扭矩，确定散热器设计的基础参数。

并在此基础上进行结构设计；确定结构形式与参数，选择最适应设计任务书中要求的材料，之后进行细节设计与计算。

样品制作出来后进行散热性能和可靠性实验检测。

根据实验暴露出的问题进行修改设计。

2、发动机水套散热量和散热器最大的散热量：水套散热量的大小左右所需要
冷却能力的高低。

所需要冷却能力的具体数值受水套散热量和车辆使用工况控制。

水套散热量通常是依据发动机的样机或参考样机实验测得的数据来确定。

水套散热量的数值应按额定工况或最大扭矩工况确定。

3、根据使用实践，散热器使用一年以后，会出现局部微小的脱焊
和积垢等现
象，虽然不影响散热，但是散热能力要降低，气流分布不均也会引起散热能力减小，因此设计时保证：散热器的最大散热量=（1.1-1.25）*水套散热量。

其中：轻型车和轿车取下限，中型以上的车辆取上限。

4、水套散热量可按照经验公式计算。

也可由发动机厂家通过《发动机水套散
热量实验》确定。

5、汽车在各种不同工况条件下，对冷却系的要求差异很大，对散热设计和校
核工况选择应根据不同车型的使用条件确定。

轿车和轻型车散热器设计点应在额定工况，校核点应在最大扭矩工况。

中型以上载重车、矿山车散热器设计点应在最大扭矩工况，校核点应在额定工况。

6、风扇提供的风量保证在额定工况下通过散热器芯体的Va达到以下数值：轿
车、轻型车大于等于10m/s；通过冷却水管的冷却液流速大于0.8m/s。

7、芯子正面面积是散热器结构参数中对散热性能影响最大的。

按影响的大小
各参数排列次序为：正面面积—散热带形状—冷却水管尺寸与排量—芯厚—散热面积。

结构参数中对散热器可靠性影响的大小次序是：结构形式—冷却水管—芯厚—主片与水室结构参数—系统压力的大小—生产工艺水平。

通常是在安装尺寸允许的前提下，尽可能把正面面积选择大些，并接近正方形。

散热器的发展趋势之一是扩大正面面积并减小芯厚。

可以采用计算法来估算正面面积。

S≥0.1+0.032V。

之后根据JB2291-2292-78的数值来详细地确定芯宽和芯高。

根据使用经验推荐正面面积应达到34平方厘米/千瓦。

8、芯厚也是散热器一个重要的参数，它的大小取决于冷却水管的排列和尺寸
的大小。

实验结构证明，在其他参数不变的前提下芯厚增大一倍，，散热面积和生产成本也增大一倍，但散热能力只增大25%，无
论实验结构还是实验统计数据都充分说明：采用增加芯厚的措施来提高散热能力是不宜采用的。

9、散热面积与散热能力成正比。

风扇
对风扇的要求：提供足够的风量；有一定的风扇压力值以便克服系统阻力；直径对散热器芯部覆盖面积足够大，是通过散热器的风速均匀；风扇要结构紧凑、质量轻、噪声小、适合大量生产、成本低。

发动机曲轴带动风扇
发动机曲轴通过皮带轮带动冷却风扇旋转，发动机转速越快，风扇转动越快。

只要发动机启动，它就要运转，不能视发动机温度变化而变化，采用这种方案，如果要调节散热器的冷却强度，要在散热器上装上活动百页窗以控制进入的风量。

风扇离合器控制风扇
为了确保冷却风扇的送风能力，设计时都按低速考虑，保证在低速时风扇有足够的送风量，这样考虑的结果，使高速时的风扇送风能力过大。

因此，在车辆通常行驶情况下，应该把风扇的转速控制在适当范围内，这样才能降低噪声，提高发动机经济性。

使用风扇离合器可以控制转速（以下简称AFC）。

在AFC内部粘有粘性流体（硅油），靠其剪切力传递扭矩。

在风扇前面装有双金属片，用来感知流过散热器的空气温度，因此，控制风扇离合器工作腔内的硅油量，使其只是在必要时，才传递扭矩使风扇旋转，当水温比较低时离合器与转轴分离，风扇不动，当水温比较高时由温度传感器接通电源，使离合器与转轴接合，风扇转动。

由于风扇离合器容易实现远距离控制、使发动机工作温度得到了控制，在汽车行业得到了一定程度的推广。

但是经过实验，风扇离合器的温度控制性能、可靠性、维修性相对较差，因此越来越多的汽车上开始采用电动风扇。

电动风扇
电控式冷却风扇是一种更先进的控制方式，该系统能使风扇产生最佳风量，并大幅度降低风扇的噪声。

为了控制合理的送风量，使用专用计算机收集下列传感器信号，如水温传感器、空调器开关、发动
机转速传感器等，计算机利用这些信息，计算出最佳风扇转速。

该系统仅仅在需要时由电动马达带动风扇工作，供给所需的风量。

这种系统的位置布置自由度大，故在发动机横置的车中的应用逐渐增加。

用这种方式控制的风扇，在冷却液温度低时风扇停止转动，而在冷却液温度高时风扇增加转速。

由于电动风扇容易实现上述控制，故其有提高发动机暖机性能、提高经济性、降低噪声的优点。

电动风扇不使用发动机做动力源，所以其转速与发动机转速无关。

电动风扇使用蓄电池电能，蓄电池只在需要风扇供风时才给风扇供电。

这种风扇无动力损失，构造简单，总布置方便。

电动风扇按其转速分为二种形式，一种为单速式，一种为双速式。

自控电动冷却风扇可以充分利用汽车行驶迎面风的冷却作用而大量减少发动机驱动冷却风扇的功率损失，缩短了预热时间，实现最佳温度控制，大量减少
了发动机的传热损失，是当前降低汽车耗油最有效、最简捷的途径之一。

因此在节能和排放法规日趋严格的发达国家的轿车上得到广泛的应用。

风扇的主要性能参数
风量、静压、轴功率、静压有效功率、静压效率。

在设计时总是希望风量尽量大，而噪音小，但是这永远是一对矛盾。

这些参数的选择只能通过对样件的不断实验，找到最佳平衡点。

风扇噪音
目前，国家已经实施车外噪音限值法规，风扇的噪音是一个重要项目，降低风扇噪音可以从以下方面考虑：
1、在扇叶外端加连接带
2、增加吹风扇（原设计是吸风扇）
3、增加导流面
这些措施必须通过计算机软件模拟以及整车实验后的验证。