汽车冷却系统设计要求

汽车冷却系统设计

——叶海见

汽车冷却系统设计 (1)

一、概述 (2)

二、要求 (2)

三、结构 (3)

四、设计要点 (5)

（一）散热器 (5)

（二）散热器悬置 (5)

（三）风扇 (5)

（四）副水箱 (8)

（五）连接水管 (8)

（六）发动机水套 (8)

五、设计程序 (8)

六、匹配 (8)

七、设计验证 (8)

八、设计优化 (8)

一、概述

二、汽车对冷却系统的要求

（一）汽车对冷却系统有如下几点要求

1、保证发动机在任何工况下工作在最佳温度范围；

2、保证启动后发动机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，可靠性好，寿命长；

4、体积小，重量轻，成本低；

5、水泵，风扇消耗功率小，噪声低；

6、拆装、维修方便。

（二）冷却系统问题对汽车的影响

1、冷却不足时，会导致内燃机过热，充气系数下降，燃烧不正常（爆燃、早燃等），机油变质和烧损，零部件摩擦和磨损加剧（如活塞、活塞环和缸套咬伤，缸盖发生热疲劳裂纹等），引起内燃机的动力性、经济性、可靠性全面恶化。

2、冷却过剩时（40～50℃），汽油机混合气形成不良，机油被燃油稀释；柴油机工作粗暴，散热损失增加，零部件磨损加剧（比正常工作温度工作时大好几倍），也会使内燃机工作变坏。

三、冷却系统布置选型

（一）冷却系统结构

1、分类：

2、常用结构：

（1）基本结构。

组成：发动机水路、水泵、节温器、散热器、风扇以及连接管路。

原理：散热器上水室兼起膨胀水箱或者补偿水箱的作用。

注意事项：为保证冷却系统排气顺畅，加水充分，排水彻底，散热器的上水室加水口处为冷却系统的最高点，下水室出水口为冷却系的最低点。同时，为满足发动机排气、冷却液膨胀蒸发和冷却系统补水的需要，上水室要有足够的空间。其结构如（图1）。

（图1）

（2）带补偿水桶结构。（图2）

组成：发动机水路、水泵、节温器、散热器、风扇、补偿水桶以及连接管路。

原理：发动机温度升高后，冷却液受热膨胀，冷却系统内部压力升高，散热器压力盖出气阀开启排气。随着压力的持续升高，冷却系统内部气体排尽，冷却液开始外溢并流入补偿水桶内。当冷却液温降低后，系统内冷却液体积减小，压力下降，散热器压力盖进气阀开启，补偿水桶内的冷却液会被重新被吸回冷却系。

注意事项：为保证冷却系统内的气体能够全部排除，散热器的加水口及下水室应处在冷却系统（补偿水桶出外）的最高点及最低点。补偿水桶到散热器的连接管路要密封紧密。另外，补偿水桶还要有足够的容量和膨胀空间。

（3）带膨胀水箱结构。（图3）

组成：发动机水路、水泵、节温器、散热器、风扇、膨胀水箱以及连接管路。

原理：膨胀水箱布置在冷却系统的最高点，系统压力盖安装在膨胀水箱上，系统直接通过膨胀水箱排气和补水。

注意事项：因包括膨胀水箱在内的整个系统压力一样，所以各连接管路一定要密封紧密。

膨胀水箱要有足够的抗压能力和空间。散热器的最高点可以低于发动机。

（图2）（图3）

四、设计要点

（一）散热器

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。

（二）散热器悬置

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。（三）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。

1、机械风扇

1.1护风罩

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。

1.2 风扇

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。

2、电动风扇