冷却系统设计指南0601

目录1概述 (1)2冷却系统的基本要求 (1)3整车冷却系统的总体布置 (2)4散热器的设计 (3)4.1散热器悬置布置 (3)4.2散热器的参数设计计算 (4)4.2.1散热器的最大散热能力 (4)4.2.2散热介质的温度 (5)4.2.3散热器的技术参数设计 (5)5风扇的设计 (6)5.1风扇风量的计算 (6)5.2风扇外径的计算 (7)6护风罩的设计 (7)7冷却水的循环量和类型确定 (8)7.1冷却水循环量 (8)7.2冷却液的选择 (8)8节温器的设计 (9)9膨胀水箱总成设计 (9)9.1膨胀箱压力盖的作用 (9)9.2水箱压力盖压力的选择 (10)10散热器与冷却风扇的匹配计算 (12)11汽车热平衡能力道路试验 (13)11.1热平衡试验方法 (13)11.2试验条件 (14)11.3试验内容 (14)11.4试验结果的评定 (16)11.5试验报告 (16)12总结 (17)柴油机和整车冷却系统应用匹配设计指南1概述根据发动机的工作原理，发动机在运转时，将化学能转化为热能再到机械能的过程中，由于最终转换效率只有45%左右，所以有大量的热量产生，从而导致发动机过热，冷却系统的冷却液容易到达沸点产生蒸汽，形成气阻，使冷却液无法正常循环，发动机冷却不良引起拉缸。

冷却系统的作用是要使发动机发出的热量通过冷却系统散发出去，形成热平衡状态。

由于发动机整体设计已经完成，本指南主要适用于应用工程开发时的发动机和整车上的冷却系统匹配，未充分考虑发动机冷却系统的设计，比如水泵的结构设计，除传动速比以外，也未对具体的风扇离合器之类的系统进行充分的考虑，着重考虑了整车冷却系统两个子系统：进风冷却系统和冷却液循环冷却系统之间的匹配设计计算以及基本要求。

中冷器散发的热量也是发动机散发热量的一部分，整车冷却系统要总体考虑中冷器冷却系统的设计。

本指南未对中冷器冷却系统的设计进行充分的考虑。

由于整车冷却系统结构和技术要求的复杂性，最终的冷却系统匹配设计的有效性，必须通过最终整车按照极限条件下的道路试验来验证，这一点显得尤为重要，必要时可在市场上进行小批验证，PPAP进行批准后才能进行批量投产。

开展产品的先期质量策划（APQP）活动是保证产品质量的有效方法之一。

2冷却系统的基本要求一个良好的整车冷却系统，应满足以下基本要求：1、整车冷却系统分为两个子系统，进风冷却系统和冷却液循环冷却系统。

进风冷却系统的散热能力和冷却液循环冷却系统的散热能力必须相匹配，一般要求进风冷却系统散热能力要大于发动机水套的散热能力，以此为原则来选配整车的冷却系统，确保进风冷却系统要有足够的进风量来满足冷却液循环冷却系统散热量，这一点至关重要。

根据经验表明很多的整车冷却系统由于进风冷却系统进风量不足使得冷却液循环冷却系统的热量不能充分散发，导致水温高。

2、整车的冷却系统应能满足各种极限条件下的使用要求，特别是高原、高温、长时间爬坡等极限条件下。

当整车在极限条件下工作时应能处于热平衡状态，保证柴油机可靠地工作。

3、放气阀能正常工作，保证冷却液系统内压力稳定。

当大于限压值时能快速释放压力，当小于低压值时能有效的补充压力。

放气阀压力范围的选择必须根据使用的条件，特别是高原条件下，由于大气压力降低对于冷却系统内压的影响导致沸点降低，容易沸腾。

需要指出的是，合理的选择放气阀的开启压力对于冷却系统非常重要。

4、为了适应冷却液的热胀冷缩体积变化，应考虑冷却液循环系统留有膨胀空间，一般其容积占总冷却液容积的5%左右；5、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，加水时间不可过长，运行5分钟左右要补一次水至加水刻线，确保冷却液量足够。

6、膨胀水箱要有一定的耐压能力，避免膨胀水箱胀裂。

7、有一定的缺水工作能力，当缺水量小于总容积的5%-8%时，发动机冷却系统也能正常工作。

8、整个冷却系统密封的各种介质（冷却液或者空气），不得有泄露。

冷却系统所有管路件安装牢固，防震防脱落。

9、当整车冷却系统总体布置时，要考虑中冷器和空调散热器对水箱散热器散热能力的影响，充分考虑三个散热器之间的位置关系，水箱和前两者之间尽量留有一定的间隙，以便水箱散热器进风能从侧面进来，降低进风温度，提高冷却效率。

由于三者出现重叠后风阻增加风量减少，风温升高，整车冷却系统散热能力下降，考虑到这些因素，必须选择有足够散热能力的散热器。

10、尽量降低冷却系统消耗的功率，能提高发动机的动力性和经济性。

11、起动后，能在尽可能短的短时间内达到发动机的最佳工作温度。

3整车冷却系统的总体布置整车冷却系统总布置主要考虑两个子系统：一是进风冷却系统；二是冷却液循环冷却系统。

在进风冷却系统设计时确保有足够的进风量。

如何提高进风量：1、驾驶室前脸的进风面积要足够大，且进风口位置与散热器尽量重叠，充分利用汽车行驶时产生的风压，提高进风量；总的进风口有效面积与散热器迎风面积之比≥30%。

对于进风不畅的结构，需要加导风板来提高进风量；2、中冷器和水箱散热器之间要有足够的四周侧面进风间隙，且两个散热器冷却管间距和走向尽量一致，以减小风阻，降低进入水箱散热器的风温，提高进风量。

冷却系统的最高水温应以发动机的沸点温度为标准。

节温器的全开温度应为发动机正常工作水温范围的中间值，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℃左右。

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，在满足冷却面积的情况下，尽量减小散热器芯的厚度。

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。

在满足进风量的条件下，可以适当增加风扇直径，降低风扇转速，降低噪声和功率消耗。

考虑到工作环境有灰尘和昆虫会被吸入散热器散热表面，降低散热器的散热能力，需要选择合适的防尘帘。

防尘帘的选择要考虑尽量不增加进风阻力。

4散热器的设计如果整车的布置空间较宽裕，推荐采用纵流水结构的散热器，纵流水结构的散热器强度及悬置的可靠性较好，且冷却液的流动阻力小。

根据发动机的额定功率和最大扭距时发动机散发的热量来确定散热器的散热面积，根据大梁的宽度来确定散热器宽度，最后散热器的外形尺寸和内部的结构尺寸。

然后还需进行散热器的性能试验（如散热器的风阻和流量之间的输出特性以及空气流量和散热器散热率的输出特性）来验证和风扇的匹配是否合适。

4.1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。

由于重型卡车散热器的质量大且使用环境较差，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。

所有悬置点设置在同一刚性框架上。

4.2散热器的参数设计计算4.2.1散热器的最大散热能力整车工作环境比较复杂，如在高温、高海拔、长时间爬坡的环境下发动机冷却系的设计参数按照稳健设计的原则选择足够的容差，以确保极限条件下整车冷却系统处于热平衡状态，因此散热器的散热能力应该有所储备，即w Q Q ⋅=ξmaxw Q -发动机散发出的热量；max Q -散热器的散热量；ξ-储备系数，一般为1.15~1.25，根据不同的整车类型来选择。

根据上述公式求出发动机在最大扭矩工况和标定工况下的放热量，根据这个散热量来确定散热器的散热能力。

发动机放热量w Q 为:3600ue e w h P Ag Q = kJ/sA-燃料热能传给冷却系的分数，取同类机型的统计量，柴油机0.18-0.25，取0.24； eg -燃料消耗率，kg/kwh ；此处柴油机取0.205； eP -发动机有效功率； u h -燃料热值，柴油为46040kJ/kg 。

例如某汽车厂生产的专用汽车采用某型发动机作为动力，由于冷却系统冷却量不足，在某些高温工况下常出现“开锅”现象，故需要对其冷却系统重新设计．发动机为水冷、直列、6缸、直喷式柴油机．参数见表4-1：表4-1 发动机参数参数参数值 额定功率kw/转速r/min88/2800 最大转矩Nm/功率kw/转速r/min343/57.5/1600 额定功率时发动机对冷却系统的散热量kJ/s55.25 发动机冷却液流量L/min207.6 最大转矩时发动机对冷却系统的散热量kJ/s 28.654.2.2散热介质的温度当冷却液流经发动机时，与燃烧气体接触的零部件的热量传给冷却液，冷却液的温度升高；循环流动的冷却液流经散热器时，外界的空气在风扇的作用下吹向散热器，气体的温度升高，冷却液的温度降低，从而实现热量的转移。

散热器的进风温度为根据使用条件确定的最高临界温度，即沸腾风温（这个数值大小需要根据实际情况确定），标准散热器的沸腾风温为40℃，即散热器的进风温度1a T 为40℃。

散热器的进水温度1w T 一般大于85℃，也可根据实际情况对其进行确定。

散热器的进出水温度差w T ∆可取6-12℃。

这样可得到散热器的出水温度2w T 。

散热器内的冷却液平均温度wm T 为（1w T +2w T ）∕2，经过散热器的空气的温升为a T ∆，则散热器的出气温度为2a T ，散热器的空气平均温度am T 为（1a T +2a T ）∕2。

散热器的平均液气温差=∆m T wm T -am T 。

在初选散热器的散热面积时用到该数据。

4.2.3散热器的技术参数设计根据该车辆的工况，选管片式散热器．载重车用散热器的总散热面积与发动机功率之比约为0.1~0.16(㎡/kw)，考虑到外界耗损，散热面积要留一定的储备空间。

一般应参考安装空间尽可能选较大散热面积。

载重车辆散热器迎风面积F R 与发动机功率之比为0.003~0.00375㎡/kw 。

接上例，计算所需散热总面积F=(0.1~0.16)×88×1.15=10.12~16.193(㎡)，此处储备系数取1.15，故F R =0.264~0.33㎡。

根据整车大梁宽度选取芯子宽度为0.64m ，高度为0.52m ，那么F R =高×宽=0.52×0.64=0.3328㎡。

散热器参数见表4-2：表4-2 散热器参数参数参数值 芯部尺寸/mm640×520×80 迎风面积/㎡ 0.3328 总散热面积/㎡16.24 冷却管尺寸/mm ，数目/根2.2×19，170 冷却片/个，管排数/排 168，35风扇的设计发动机冷却系统的风扇的外形尺寸应和散热器的形状相匹配，条件允许时可增大风扇的直径；在冷却风量足够的情况下，尽量降低风扇转速，以减少功率消耗和噪音。