汽车冷却系统结构与设计概要

汽车冷却系统结构与设计

冷却系统基本要求:

1 冷却系统应具有足够的冷却能力,保证发动机在所有工况下出水温度低于发动机要求的许用值;

2 冷却系统应能在规定的时间内排除系统内的空气;

3 冷却系统设计应留有膨胀空间,其容积占系统容积的比例应满足发动机安装。当系统总容量>20L时,膨胀水箱容积应大于系统总容量的20%;

4 冷却系统的加水速率、初次加注量应满足发动机厂家推荐要求;

5 发动机高怠速运转,散热器或冷却系统加水盖打开,水泵进口为正压;

6 冷却系统应有一定的缺水工作能力,缺水量应满足发动机厂家推荐值,缺水量约为系统总容量的7%;

7 冷却系统应有防腐功能。

常用冷却系统布臵见图1:

图1 冷却系工作原理图简图

1发动机2节温器3排气管4空气蒸汽阀5膨胀水箱6、7空气蒸汽阀8补偿水箱9排气管10散热器11散热器出水管12水泵13补偿水

管14散热器进水管

风扇与周边其它物体距离的确定:

风扇的性能会因气流中障碍物紧靠风扇而受到不良影响,所以根据发动机的安装要求,风扇端面应离散热器芯子有足够的距离(图2中s1,该值可从发动机安装手册中查找;风扇与导风罩的径向距离(图2中Δ应控制在2.5%风扇直径内,最大不能超过3%,否则将大大降低风扇效率,但实际由于结构的改进,风扇与导风罩的径向距离一般可达到11(+/-2㎜;吸风式风扇在导风罩内的轴向位臵(图2中δ1为2/3风扇叶片宽度。

图2 风扇与周边其它物体距离示意图

系统零部件选型及匹配计算

散热器

散热器布臵在发动机前部,散热器由进水室、出水室及散热器芯等三部分构成(图3。冷却液在散热器芯内流动,空气在散热器芯外通过。按照散热器中冷却液流动的方向,散热器分为纵流式和横流式两种,我们普遍采用纵流式。

散热器芯有多种结构形式(图4。管片式散热器芯由散热管和散热片组成。散热管是焊在进出水室的直管,作为冷却液的通道。散热管有扁管和圆管两

种(图4中a、b。扁管和圆管相比,在容积相同的情况下有较大的散热面积。铝散热器芯多为圆管。在散热器的外表面焊有散热片以增加散热面积,增强散热能力,同时还增加了散热器的刚度和强度。

管片式散热器的优点是散热面积大、气流阻力小、结构刚度好及承压能力强等。管带式散热器芯(图4中c由散热管及波形散热带组成。散热管为扁管并与波形散热带相间地焊在一起。与管片式散热器芯相比,管带式的散热能力强,制造简单,质量轻,成本低,但结构刚度差。目前,随着生产制造工艺的进步这一缺点已改变。

图3 散热器(纵流式

1进水口2进水室3散热器盖4出水口5变速器油冷却器进、出口

6出水室7放水阀8散热器芯

板式散热器芯(图4中d的冷却液通道由成对的金属薄板焊接而成。这种散热器芯散热效果好,制造简单,但焊缝多不坚固,容易沉积水垢且不易维修。管片式及管带式散热器芯有单列、双列(图4中b、c及三列散热管(图中4a之分。实践证明,双列散热管散热器能在有限的空间内获得最好的散热效果,因此在重型车上获得了广泛的应用。

传统的散热器芯由黄铜制成,但近年来更多的是用铝制造,而且有些散热器的进出水室由复合塑料制造(比如NG90奔驰载重汽车等进口车型,使散热

器重量大为减轻。

d

图4散热器芯结构

a管片式(扁型b管片式(圆管c 管带式(扁型d板式

1散热管2散热片3散热带4鳍片5环氧树脂密封6进水室7放气阀

考虑制造成本和使用经济性因素,常用冷却系统选用,纵流式、黄铜、双列、管带式、扁管散热管散热器,符合QC/T468-1999汽车散热器技术条件。

空气-蒸汽阀压力盖

现代汽车发动机强制循环水冷系,都用压力盖严密地盖在散热器或补偿水箱加冷却液口上,使水冷系成为封闭系统。其优点是:①闭式水冷系可使系统内压力提高,冷却液的沸点相应地提高,从而扩大了散热器与周围空气的温差,提高了散热器的换热效率。由于散热器散热能力的增强,可以相应地减小散热器尺寸。②闭式水冷系可减少冷却液外溢及蒸发损失。

压力盖的作用是密封水冷系并调节系统的工作压力,它使水冷系被封闭。散热器盖的结构及工作原理如图5所示。

当发动机工作时,冷却液的温度逐渐升高。由于冷却液容积膨胀,使冷却系内的压力增高。当压力超过预定值时,压力阀开启,一部分冷却液经溢流管

从补偿水箱流入膨胀水箱,以防止冷却液胀裂散热器。当发动机停机后,冷却液的温度下降,冷却系统内的压力也随之降低。当压力降到大气压力以下出现真空时,真空阀开启,膨胀水箱内的冷却液部分地流回补偿水箱,满足冷却系循环系统使用,可以避免散热器被大气压坏。

常用冷却系统中共有三个压力盖(见图1,其中两个在补偿水箱上,一个在膨胀水箱上。膨胀水箱上压力盖压力要小于补偿水箱上压力盖压力。补偿水箱上压力盖压力设计保证系统能在环境温度50℃和海拔5000m不开锅,无汽蚀。

图5 具有空气-蒸汽阀的散热器盖

1-蒸汽排出管;2蒸汽阀;3-空气阀;4-散热器盖

补偿水箱

补偿水箱安装布臵在散热器上方(见图6,其上有加水口和盖、空气-蒸汽阀盖、散热器和发动机机体内的空气和蒸汽排气管接口、以及与水泵联结的补偿水口。补偿水箱上有冷却液加注口,同时也是冷却系统内空气排气口。补偿水箱吸收来自散热器和发动机机体内的空气,当系统工作时,吸收系统产生的蒸汽泡,确保系统压力稳定,工作可靠正常。同时它与水泵联结,补偿系统冷却液,确保系统正常循环。它的容积是整个冷却系统的15~20%。

膨胀水箱

膨胀水箱布臵在驾驶室前上方,远离散热器和补偿水箱,上面有空气-蒸汽阀

盖,压力小于膨胀水箱上压力盖,它的最下部通过软管与散热器上空气-蒸汽阀盖相联,吸收来自补偿水箱的蒸汽和空气,并冷却它们,待系统停止工作后或冷却系内压小于外界压力时,蒸汽液化后流回系统,确保系统工作正常和散失少。膨胀水箱容积是系统容积的5%。

冷却风扇

冷却风扇臵于散热器后面(见图8。由于正面迎风,采用吸式风扇,风扇装在曲轴上。在风扇外围装设导风罩3,使风扇4吸进的空气全部通过散热器1,以提高风扇效率。风扇中心与散热器中心重合。系统选用风扇为塑料,重量轻、噪声低,风扇按要求由发动机厂家匹配提供。