冷却系统常见问题及设计注意事项

8. 膨胀箱及压力盖的设计
冷却系统的压力盖有两种布置结构：
一、布置在单独的膨胀箱上，形成全封闭循环结够，主要为欧美车型采用，公司M11、 B11、 B14、A21、A15等车型采用； 二、直接布置在散热器上，外接一个副水箱来储存系统溢出的冷却液，主要为日韩车型采用， 公司S11、S12、S21、S22、T11等车型采用。
水泵气蚀
2、影响泵的性能：汽蚀发生时液体的汽化以及液 体中气体的析出，形成了大量气泡，使液流的过流 断面面积减小，局部区域流速加大，并产生涡流， 以致流动损失增大，严重还有可能出现断流，因此 汽蚀会导致泵的扬程和效率降低。 3、产生振动和噪声：汽蚀发生时，局部水击会产 生许多不同频率范围内的噪声，如果水击的频率和 机组的固有频率接近将会引起机组振动。机组的振 由又会促使更多气泡的产生和破灭。这种相互激励， 最后可能导致机组的强烈振动，称之为汽蚀共振。 如果机组发生汽蚀共振必须紧急停止水泵运行
用
为乘员仓提供暖风
冷却系统失效危害
1.发动机过热的危害 1)降低充气效率，使发动机功率下降； 2)早燃和爆燃的倾向加大，使零件因承受额外冲击性负荷而造成早期损坏； 3)运动件的正常间隙（热胀冷缩）被破坏，运动阻滞，磨损加剧，甚至损坏； 4)润滑情况恶化，加剧了零件的摩擦磨损； 5)零件的机械性能降低，导致变形或损坏。
常见问题
加注和除气性能不合格 • 通气管路：下垂，阻塞，管径 • 注水管：位置，管径，走向 散热器上水室或附水箱结构不对 • 容量小，膨胀空间和储备水量不足 • 加水伸长颈管过短或缺少，缺少通气孔 • 发动机通气接口位于液面以下 • 附水箱加水口与顶部水口均用压力盖 • 扁平结构（最好为瘦高型） • 注水管位于水室一侧
无发动机台架试验散热量按发动机功率×50%估算
如自动变速箱油冷器在散热器内需加上自动变速箱散热量，一般5~7Kw。
在怠速开空调情况下，如空调需风扇散走热量比发动机大，散热量按冷凝器散 走热量进行计算，一般9~14kW，根据整车级别而不同。
2. 散热器内冷却液流量 Vw＝Qw/△twγwCw ，m3/s
系统内水阻应小于水泵在额定水流量下的泵压。 系统外风阻应小于风扇在额定风量下的风阻。 风扇和散热器在整车装车前试制手工样件完成零部件性能测试，包括散热器风洞试验和风扇风洞
试验，零部件装配尺寸在冻结时详尽检查后在整车装车前开模。膨胀箱在装车前必需开模，快速 成型件无法承受高温高压，不能装车试验。 在可能的情况下尽量增大散热器正面积，减小厚度，提高系统散热效率，减小风扇额定功率和减 少风扇工作时间。尽量增大风扇扇叶面积与散热器正面积比。 在可能情况下尽量沿用已开发产品，减少项目开发费用和减小系统开发失败风险。
压降和风速关系：△P=K×1/2×空气密度×V‘^2，其中K为风阻系数，根据通风系统的密封程度和阻 力大小而不同，各零部件的风阻系数需风洞试验测试，V’为通过产生压降零部件的风速，近似取 V’ 散热器=(V2+V3)/2。
冷却系统计算
6. 散热器参数选取 散热器散热量：发动机额定功率散热量； 散热器正面积：S正=散热器长×散热器宽，根据整车常用工况计算的，结合布置空间需 冷却风扇提供风量最少的散热器正面积； 散热器总面积：S总＝Qw/(Ks.△t)，其中，Ks为在散热器在温差为液气温差为△t条件 下的换热系数，单位kJ/m2.℃，液气温差一般取60℃，在空气45℃条件下，散热器可在 冷却液105℃条件下散走相同的热量； 散热器厚度：散热器厚度在满足系统内水阻，散热量条件下尽可能减薄，以减小风阻系 数来减小风扇工作压降，一般为16mm、18mm、22mm、24mm、27mm、32mm等， 不同供应商的管带系列不同；散热器纵流选较薄散热器、横流选较厚散热器。 管带材料：复合铝； 水室材料：PA66GF30。
目前水管设计有尼龙管取代胶管的趋势。
10. 带自动变速箱油冷器冷却系统设计 AT自动变速：变速箱散热量较少，约4~5Kw左右，在变速箱上(M11+DP0)或周围外接一
个油冷器(BMW+AT)，冷却液在油冷器内循环后带走热量。 CVT自动变速：变速箱散热量较大，约5~7Kw左右，一般在散热器低温水室内布置油冷器
2.发动机过冷的危害 1)进入气缸的混合气(或空气)温度太低，可燃混合气品质差（雾化差），使点火困难或燃烧 迟缓，导致发动机功率下降，燃料消耗量增加（热量流失过多，燃油凝结流进曲轴箱）。 2)燃烧生成物中的水蒸汽易凝结成水而与酸性气体形成酸类，加重了对机体和零件的侵蚀 作用； 3)未汽化的燃料冲刷和稀释零件表面(气缸壁、活塞、活塞环等)上的油膜，使零件磨损加剧。 4)润滑油黏度增大，流动性差，造成润滑不良，加剧机件磨损，增大功率消耗 。
4. 冷却空气需要量 Vw＝Qw/△twγwCw ， m3/s
△tw 散热器前后温差，一般30℃
γw
空气重度 ，温度越高重度越低，取1.01 kg/m3
Cw
空气定压比热容，取1.047kJ/kg·℃
冷却系统计算
5. 系统温差和压差计算
温度：环境温度T1=45℃，温度预计值：冷凝器前温度T2=46℃，散热器前T3=60℃，散热器后 T4=87℃，风扇后 T5=87℃，散热器内冷却液温差一般7~10℃。
冷却系统原理图
冷却液低于 86℃
节温器关闭
小循环
发动机启动
暖风机 机油冷却器 涡轮增压器
冷却液高于 86℃
节温器打开
大循环
水泵
水套
节温器
变速箱油冷器
冷风
冷凝器
散热器
水泵
水套
节温器
调
继速
冷却液高于96℃
风扇低速
冷却液低于94℃
风扇关闭
温 度
电
电 阻
器
冷却液高于102℃
风扇高速
冷却液低于99℃
风扇低速
△tw 散热器前后温差，一般7~10℃
γw
冷却液比重，取1.1 kg/m3
Cw
冷却液比热容按发动机允许长时间工作水温计算 kJ/kg·℃
3. 水泵冷却液流量 Lpup＝Vw/ηv/Kv ，m3/s
ηv
水泵容积效率，随发动机转速提高而减小，额定功率取0.9
Kv
散热器阻力系数，随发动机转速提高而增大，额定功率取0.75
对于自动变速箱车型，冷却系统还需保证变速箱油温在正常工作范围内，一般自动 变速箱油温控制在100℃~125℃之间。
一部分高温冷却液通过空调系统为乘员仓提供暖风。
冷
保证发动机正常工作温度，零部件机械强度及合理间隙
却
系
保证燃烧室正常温度，避免异常燃烧，优化性能
的 作
保证自动变速箱正常油温，防止传动性能下降
7. 风扇参数选取 风扇工作压降： △P= △P前保+ △P冷凝器+ △P散热器+ △P护风罩+ △P发动机 风量：为在各发动机额定功率下计算的需要空气量Vw； 容积效率：由于风扇布置位置、扇叶形状、设计结构引起的风扇效率下降，取0.9； 电机效率：风扇机械损失、热量损耗等引起的电机工作效率下降，取0.6~0.7； 风扇功率：Pfan=风量×风扇工作压降/容积效率/电机效率； 工作电压：按整车电压12V计算； 风扇工作电流：I=风扇功率/工作电压； 风扇材料：PA66GF30或PP10,扇叶的材料要优于护风罩的材料。
水泵气蚀
在气泡破裂所释放的凝结潜热的助长下，原气 泡内的活泼气体又会对金属产生化学腐蚀作用， 加剧了材料的破坏。金属表面在机械剥蚀和化 学腐蚀的长期联合作用下，会出现蜂窝状破坏， 这种现象称为汽蚀现象。 二）、汽蚀对水泵产生的危害 1、缩短泵的使用寿命：由于机械剥蚀和化学 腐蚀使叶轮和蜗壳多处变得粗糙多孔，产生显 微裂纹，严重时出现蜂窝状侵蚀，甚至产生空 洞。
FREEZE POINT 凝点
BOILIN源自文库 PROTECTION 沸点
水泵气蚀
一）、产生原因 当水泵运行时，如果叶轮叶片入口处某局部的绝对压 力等于或低于所输送液体温度下的汽化压力，液体便发 生汽化，产生许多气泡，气泡内将充满蒸汽和液体中析 出的气体。这些气泡随着液体带到叶轮高压区，在高压 的作用下迅速凝结而破裂，在此同时，周围的流体质点 以高速冲向原来气泡占有的空间，质点相互撞击而形成 高频的局部水击，压力可高达上千兆帕。这种水击会对 金属表面形成持续、反复的冲击，导致金属表面疲劳而 破坏，这种破坏称为机械剥蚀。
膨胀箱及副水箱的作用：提供系统足够的膨胀空间；储存一部分冷却液为系统提供 补给；
压力盖的作用：在系统压力接近系统内强度最弱零部件时，通过泄压阀减压；在系 统内压力低于环境压力时，通过真空阀平衡内外压力，防止系统内出现负压产生气 蚀；提高压力以提高冷却液沸点；
泄压压力选用：以发动机台架测得的“系统压力建立/急停沸腾”试验测试的系统 压力为依据，泄压阀的选取需高于测试值，否则在高温条件下的系统压力降低将导 致冷却液沸点下降沸腾，系统出现“开锅”问题；
常见问题
其它管路与通气管T型连接：除气不良 其它管路，尤其是暖风回水管接入注水管，导 致水泵进口出现负压。
冷却系统设计应注意问题
使发动机得到足够的冷却，即使在可能遇到的最高气温以及加上所有的附加热负荷时系统仍能正 常工作；还要考虑由于散热器水垢、堵塞等引起的系统散热性能退化，预留余量系数。 实际散热量=理论散热量×1.1
冷却系统设计应注意问题
冷却系统设计环境适应性要求：高温：亚热带45℃，热带50℃；低温：-40℃。 冷却液配比：在一般环境下用50%软水：50%乙二醇；在寒带用40%软水：60%乙
二醇，乙二醇配比不能过大否则防冻性能下降；在热带地区可考虑适当降低乙二醇 配比提高冷却液比热，来提高冷却液比热来提高系统散热性能。
系统应有适当的膨胀空间以适应冷却液随温度变化的涨缩；膨胀箱和散热器的设计要选用耐高温 材料，内部结构设计能够满足系统高压高热的工作环境。膨胀箱一般用PP5或PA66GF30，散热 器选用PA66GF30。
系统不装压力盖时，在发动机任何运转工况下水泵进口压力应大于大气 压。这要求膨胀箱在布 置时液位在系统最高点，膨胀箱出水尽可能直接与水泵前端管路相连，膨胀箱内的冷却液水位可 提供泵前正压。且膨胀箱与水泵之间管路连接不易过长，影响系统压力建立。
冷却系统
马连功 2010.11.22
乘用车工程研究一院底盘部
冷却系统简图
冷却系统作用
冷却系统能够保证发动机在所有工况下在最适宜的温度范围内工作。既要防止发动 机夏天过热，又要防止发动机冬季过冷。在启动时还要保证发动机能迅速升温，尽快达 到正常的工作温度。
发动机是将热能转变为机械能的装置，在内燃机不断地工作中，汽缸内部温度达 2000 ℃以上，为保证机械连续有效地工作，必须对相应部件采取冷却措施，尤其是气 门周围更为重要；但是又不能过冷却，比如在启动阶段应让发动机尽快热起来，否则燃 油雾化困难，影响燃烧及排放，增加油耗；冷却系统还保证机油正常工作温度，防止机 油高温老化及失去润滑作用。发动机理想的冷却液温度在95℃~115℃之间，机油温度在 125~145℃之间。
PWM
ECU
传
感
器
控
信 号
制 器
风扇转速精确控制
热风
散热器
散热器
散热器
冷却风扇
膨胀箱
E：膨胀空间 至少6 ％总容积
D：储备水量 至少 11％总容积
如果有暖风机应 为20％
常见问题
冷却能力不足 ➢风扇、散热器选择或匹配不当 ➢散热器周围不密封导致热风回流 ➢进风舱密封和隔热不好，导致进风温度高 散热器系统水阻力大 • 散热器自身阻力大 • 进出水管管径小 水泵进口负压 • 注水管过长，弯曲；接口距水泵远 • 上水室隔板不密封
水泵气蚀
冷却系统计算
冷却系统计算的难点在于通风系统、冷却液循环系统的阻力系数、散热系数、介质物理特
性的不确定性，这些参数需要在大量的试验中得到。在前期计算过程中可以依据经验数据，系 统设计完成后在试验中进行参数匹配优化。
1. 计算发动机散热量 Qw Kw
有发动机台架试验数据则按发动机台架试验计算
真空压力选用：一般-2~-10kPa； 压力盖要有警告标识，警告在高温情况下勿打开压力盖。
9. 水管设计
橡胶管内径不要小于所连接金属管内径，否则系统阻力升高；
水管壁厚根据胶管内径而定，见胶管设计指南；
胶管内径应小于所连接金属管内径1mm，防止泄露及难以装配，严格控制内径尺 寸公差，一般取下偏差0/-0.5mm；