汽车发动机冷却系统的设计原则

发动机冷却系统的设计原则

（李勇）

水冷式汽车发动机冷却系统一般由散热器、节温器、水泵、缸体水道、缸盖水道、风扇及连接水管、冷却液等组成。我们主机厂主要根据整车布置及发动机功率的要求来选定散热器及各零部件的形状、大小，并合理布置整个冷却系统，保证发动机的动力性、经济性、可靠性和耐久性，从而提高整车的性能。

一、冷却系统的总体布置原则

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。因此在设计中必须做到提高进风系数和冷却液循环中的散热能力。

1，提高进风系数。要做到提高进风系数就必须要做到：（1）减小空气的流通阻力，（2）降低进风温度，防止热风回流。

（1）减小空气的流通阻力

设计中应尽量减少散热器前面的障碍物，进风口的有效进风面积不要小于60﹪的散热器芯部正面积；在整车布置允许的前提下，尽可能采用迎风正面积较大的散热器；风扇与任何部件的距离不应小于20mm，这样就可以组织气流通畅排出，可以减少风扇后的排风背压。

（2）降低进风温度，

要合理布置散热器的进风口，提高散热器与车身、发动机舱接合处的密封性，防止热风回流。

（3）合理布置风扇与散热器芯部的相对位置

从正面看，尽量使风扇中心与散热器中心重合，并使风扇直径与正

方形一边相等，这样可以使通过散热器的气流分布最为均匀，或者使风扇中心高一下些，使空气流经散热器上部的高温高效区。

另：考虑发动机振动的因素，风扇和护风罩之间的间隙应该在20mm 以上。

从轴向看，尽可能加大风扇前端面与散热器之间的距离，并合理设计护风罩。要使气流均匀通过散热器芯部整个面积，必须要求风扇与散热器之间保持一定的距离，一般对载货汽车，风扇与散热器芯部之间的距离不得小于50mm。

2，提高冷却液循环中的散热能力

要提高冷却液循环中的散热能力，提高冷却液循环中的除气能力是关键。冷却系统的气体会造成水泵流量下降，使散热器的冷却率下降；还会造成发动机水套内局部沸腾，致使局部热应力猛增，影响发动机性能；在热机停工况，气体还会造成冷却液过多的损失。因此要提高冷却液循环中的除气能力，其措施就是设计膨胀水箱和相应的除气管路（当散热器位置比发动机位置高时，可以在散热器上部直接开一个注水口，并在注水口上用一压力式的散热器盖即可，我厂的农用车型的散热器就是采用此方式进行排气及加水）。

二、散热器的选择

（1）现在我厂基本上全部都采用铜制散热器，芯部结构为管带式的。散热器要带走的热量Q w，按照热平衡的试验数据或经验公式计算：Q w=（A·g e·Ne·h n）/3600 kJ/s

式中： A—传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，对柴油机A=0.18～0.25

g e—发动机燃料消耗率，㎏/（kW·h）；

Ne—发动机功率，kW；

h n—燃料低热值，kJ/㎏

增压的直接喷射柴油机可取Qw=（0.5～0.6）Ne（kJ/s）。

冷却水的循环量V w，可以根据Q w按下式计算：

V w=Q w/（△t w·Ｙw·Cw）m·㎡/s

式中：△t w—冷却水在发动机中循环时的容许温升，

可取△t w=6～12℃；

Ｙw—水的密度，可近似取Ｙw=1000㎏/（m·㎡）

Cw—水的比热，可近似取Cw=4.184kJ/（㎏·d eg）冷却空气的需要量V a，可根据Q w按下式计算：

V a=Q w/（△t a·Ｙa·Cp）m·㎡/s

式中：△t a—空气进入散热器以前与通过散热器之后的温度差，

可取△t a=10～30℃；

Ｙa—空气的密度，一般Ｙa=1.01㎏/（m·㎡）

Cp—空气的定压比热，可近似取Cp=1.047kJ/（㎏·d eg）散热器的正面积F R，根据V a按下式计算：

F R=V a/v a ㎡

式中：v a—散热器正前面的空气流速，m/s，载货汽车一般取10m/s 算出F R后，根据总布置要求确定散热器芯部高度h和宽度b

F R=h·b

散热器的水管数i，可按下式计算：

i= V w/（ひw·f0）

式中：ひw—水在散热器水管中的流速，m/s，一般取

ひw =0.6～0.8 m/s

f0—每根水管的横断面积，㎡。

散热器的散热表面积F，可按下式计算：

F= Q w/（k R·△t）㎡

式中：△t—散热器冷却水和冷却空气的平均温度差，

△t=t w-t a；

t w—冷却水平均温度，t w= t w1+△t w/2；

t w1—散热器的进水温度，t w1=95～100℃；

△t w—散热器冷却水的进出口温度差，一般取△t w =6～12℃；

t a—冷却空气均温度，t a= t a1+△t a/2；

t a1—散热器冷却空气的进口温度，一般取40℃；

△t a—散热器冷却空气的进出口温度差，

一般取△t w =10～30℃；

k R—散热器的散热系数，W/（㎡·K）

散热器的实际散热面积F0要比计算结果大些，因为散热器中冷却空气流速不可能均匀，散热片上有尘土时散热性能降低，所以通常取：

F0=βF

式中：β—储备系数，一般取β=1.1～1.5。

设计散热器时，在考虑整车布置的前提下，使散热器的正面积尽可能大，因为正面积越大散热器被冷风扫过的区域就越大，冷却效率就越高。一般载货汽车推荐散热器正面积为30～40C㎡/kW。

（2）散热器的散热面积是指散热器冷却管和散热带与冷却空气所接

触的所有表面积之和。在正面积确定之后，增大芯厚或增加冷却管及散热带的折数，都可以增加散热面积。散热器的散热面积是根据发动机的功率大小及风扇曲线、水泵曲线来进行计算确定的，一般对载货汽车推荐散热带折数为2.7～4.3折/cm，散热面积为0.1～0.16㎡/kW。

三、膨胀水箱的选择

冷却液在发动机冷却回路流动，随温度升高体积膨胀，为了吸收这部分膨胀体积而需要选用膨胀水箱。选用的膨胀水箱必须要求有耐热、耐压、及一定的容积，膨胀水箱盖应该为压力式散热器盖。一般要求膨胀水箱的设计容积占整个冷却系统容积的4﹪～6﹪，并且膨胀水箱安装位置必须高于散热器及发动机缸盖。

四、水管的设计

发动机冷却回路中的水管具有吸收发动机振动和散热器相对运动的作用。因此水管要求有耐热性、耐臭氧性、耐压性、对冷却液的适应性及柔软性。为了减少冷却液在冷却回路上的功率损失，应尽量减少水管的拐弯数，特别是尽量避免拐急弯的现象出现。从管子连接处的密封考虑。胶管的内径应比与其连接管的外径小1mm，胶管两端与其他管相连接时，应有30～35mm地插入量。

五、防冻液的选择

（1）防冻液所要求的性能：1，防冻性，即使在冬天0℃以下不结冰，地区不同，防冻要求也不同；2，防腐蚀性，要求防冻液对钢、铸铁、铝、铜、黄铜、焊锡等多种金属没有腐蚀作用，也不能够腐蚀橡胶、树脂。防腐蚀性由选定的添加剂种类及多少决定，并且只能用书中添加剂的组合来满足整体防腐蚀性要求。现在经常使用以乙二醇为主要成分、