【车辆工程类】柴油机冷却系统设计【5张图纸】【优秀】【毕业论文说明书】
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中文标题 ： 柴油机冷却系统设计 外文题目： 业设计（论文）共 76 页（其中：外文文献及译文 31 页）图纸共 5张 完成日期 2010 年 6 月 答辩日期 2010 年 6 月 1 附录 非线性不确定系统汽车结构的优化设计 阎浮 福特汽车公司， 国 国 摘要 ：随着计算机应用的不断发展，汽车结构设计恰当的应用计算机方法并给新车的开发带来了更大的效率。大多数以虚拟为基础的优化方法的产生确定性最优化没有考虑到在模型虚拟和制造方面的多种影响。这种遗漏的主要原因是因为汽车结构设计的单一碰撞分析的计 算时间即使用美国最先进的计算机也需要大量的时间。这就需要不确定性优化方法的发展和执行效率。在这篇文章中，一种包含元模型优势技术和非线性不确定性优化方法的综合的随机优化方法被提出以用于汽车的侧面碰撞设计。非线性元模型用逐步回归方法去代替昂贵的计算模型和应用 得到不确定性的优化设计。汽车安全设计的基准问题曾经用来描述这种方法。这一案例研究的目的是维持和加强汽车侧面碰撞测试实验，尽量减少汽车重量。 关键词 ：元模型，非线性规划，不确定性优化，随机优化，汽车侧面碰撞 1. 简介 汽车碰撞的计算机分析对于减少 新产品的开发时间是一个有效的工具。现在非线性有限元基础碰撞分析代码普遍应用与模拟汽车碰撞试验例如，前悬的影响，边缘的影响，内部前面影响，后悬影响。 数字优化是有用的系统的工具对于自动选择优先设计参数。这种方法在汽车工业得到了广泛应用并且取得了显著效果。然而为了保证产品质量和产品使用性，在模型模拟，和制造上的不确定因素需要考虑。一种新的随机优化方法被称作 样本估算目标和约束因素通过不确定因素。这种技术在优化过程中通过重复衡量的方法减少了过度繁琐计算的重担。 然而汽车碰撞分析是密集的计算，它通过用当前的计算机花费几小时到几天的时间来控制一个虚拟。因此工程师利用许多元模型及时被用来建立代理模型（也被叫做元模型或响应表面模型）去代替昂贵的计算模型以及时的方法去解决现实问题。本期刊提出了结合元模型和非线性系统的优化设计的综合方法进行汽2 车结构设计。 车辆侧面碰撞的问题，是众所周知的自动化工业的基准问题，被用来描述集成方法。这种方法被产业和学术研究者广泛应用区描述各种在元模型上的新方法，可靠性基础设计优化，随机优化设计和多学科设计优化。表面模型的全球反映产生于用逐步回归耦 合优化超立方体样本的设计实验，该实验被认为是这种研究的真正模型。传统的 法和 过 化过程是通用的也同样能够应用在其他工程领域。 接下来的部分简要的介绍了综合 法，第三部分介绍了汽车侧面碰撞问题目的在于尽量减少汽车重量以维持和加强汽车侧面碰撞测试实验。第四部分提出了鲁棒性基线和确定性优化设计以及考虑到多种不确定性的随机优化设计的方法，即传统的设计方法和 后 第五部分得出结论。 2. 一种综合的 常用的随机优化方法包括两种密集递归循环：（ 1）内部样本循环，和（ 2） 外部优化循环。内部样本循环普遍应用的方法是 术，这种技术是从假象输入分布中随机进行样本选择来得到输出分布和相关的统计特性，比如平均值，方差，或百分率。一种解决非线性规划问题的外部优化设计数字方法是序列二次规划。随着优化过程和新设计变量的确定，不确定变量的改变导致新的输出分布。在优化迭代中，甚至是小的样本数据，对模型的重复评价是显著的瓶颈。 以有限元为基础的整车结构碰 撞模拟式汽车工业用于评价汽车碰撞性能常用的设计工具。对于大多数的应用中，为了解决问题及时的优化和鲁棒性分析用在元模型上，用不同的元模型方法以小数量的有限元模拟建立的。在衡量了一些元模型技术后， 在优化过程中由 发的 法用来有效地估计随机目标和约束职能。传统的方法依赖于开发一个样本循环和评估由输入分布产生的每一个样本循环。另外， 法是通过整个输入空间对均匀分布参数运行模型首先产生基本分布的 所有响应，然后在对输出分布的概率进行密度估计的基础上用衡量的方法对输出分布进行估算。在 期刊中可以找到 法的具体阐释。这种技术的有点事在每一次迭代中对新样本模型通过性的评估是对随机优化的计算集中。对于优化计算来说利用每一次设计变量在目标和约束职能上的小的增量和计算变量的无数的梯度扰动是至关重要的。另外一个优势是这种算法无需额外的昂贵的模型模拟便提供了开发完全设计空 3 间的收敛概率。 图一显示了用传统的 先，实验技术设计是通过输入空间产生统一样本，接下来用有限元模型进行设计。第二，利用有限元模型模拟结果通过元模型技术建立元模型。第三，最优化解决方案是通过从不同初始点开始的大量样本用 最优化设计中提出了鲁棒评价，该评价开始与相同设置的不同初始点，一个对比得到了。最后得到了两种算法的比较结果。 图 1. 在不确定性下利用传统 3. 汽车侧向碰撞设计 问题 汽车的侧向碰撞模型在图 2中列举出来。系统模型包括一个整车有限元结构模型，一个有限元侧向碰撞模拟模型，和有限元侧面碰撞变形障碍模型。系统模型包括 85941个外壳元素和 96122 个节点。在有限元模拟侧面碰撞试验中，障碍物有 米每小时的初始速率和碰撞汽车结构。在一个原始的 计算机上用 件进行非线性有限元模拟需要 20小时。设计的目标是尽量减少汽车重量以维持和加强侧面碰撞性能。 对于汽车的侧面保护，汽车设计需要满足或者超过汽车市场对侧面碰撞需要和指定的4 规定。两个基本的侧面碰 撞保护规则是美国联邦汽车安全标准 214号和美国经济委员会欧洲规则 95号 图 在这项研究中， 侧面碰撞的研究中的模拟响应时主公制。面碰撞规定中指定的碰撞模拟标准包括腹路粘性标准车身转向和公共 拟响应必须满足或超过 准。其它侧面碰撞设计的内容是在中点时的 对于侧面碰撞，厚度设计变量的增加在某种程度上可能会加强模拟实验性能。然而，他也会增加汽车重量，紧接着会造成燃料经济性上的欠缺 。因此，必须寻找减轻重量和增加安全性能之间的平衡。这次研究的目标就是在减轻汽车重量的同时保证汽车模拟测试性能。表 1 列举了 则和基准模型的设计规则。因为本期刊的研究范围是阐述综合 应用于汽车侧面碰撞试验的九个设计变量被汽车工程师证明了。设计变量是厚度和重要部分的 有的厚度设计变量都是连续的在一定范围内变化的 两种材料设计变量是分离的，并且是低碳钢或者高碳钢。在侧面碰 撞模型中假设这些变量是在这 9个设计变量周围独立的正常分布的非确定性变量。两个辅助的 5 不确定分离变量需要高碳钢和低碳钢材料的代替，两个额外的不确定因素是障碍高度和碰撞位置，他们也符合正常分布。不确定变量的标准分布列在表 2中。 在这篇期刊中 模型技术在 33个优化超立方样本上用二次方程式后退回归的方法解决汽车侧面碰撞问题，所有的这 11 个响应的元模型总结如下： 6 4. 随机优化设计 在工程设计中，确定优化设计在降低系统设计费用和提高使用性能上得到了广泛应用，然而在制造或 工程模拟中实际上存在的不确定因此需要包括不确定性的随机优化设计。为了比较确定优化设计和不确定优化设计的表现，这一部分首先解决确定性优化设计的问题，见表三。确定性优化设计在不考虑不确定性因素的情况下通过基线设计提高了汽车侧面碰撞测试性能同时减低了汽车重量。 汽车碰撞随机优化问题在 2中得以确切的阐述： 7 可以注意到如果一个分布响应符合正常分布，一个特定限制的约束与百分之九十的可靠性是相同的。还可以了解到本文提出的这种方法可以很容易的通过改变目标变量去执行鲁棒设计以达到尽量减小响应的差异，比如重量。 8 基于曲面元模型，传统的方法解决了随机优化的问题， 后用开始于 200个初始点的 四列举了用传统方法进行基线鲁棒评定的结果和确定性及随机优化设计。这一结果显示了不确定因素对基线设计和确定优化设计的影响。另一方面，随机优化设计提高了汽车侧面碰撞性能并减小了汽车的重量。传统方法中随机优化设计的应用奖拿来与 法中的优化设计进行比较。因为 主要优势是在反复优化中用衡量的方法估算目标函书和约束函数去代替模型模拟， 这种方法成功的主要是对相应的真实价值的准确预测。为了证明用反复衡量的方法估算的准确性，在研究中用到了同一分布的 200个独立设计设置。为提供更全面的准确图片，应用了三种不同的方法：绝对误差平均值、绝对误差分离标准、绝对误差最大值。这些方法的方程式在方程式（ 3）（ 4）（ 5）准确的给出。 0000次在元模型基础上的 一字母代表相应的 测标准。 表从真实响应标准中分离出来的 算平均值。 于证明 9 即使在总体上 评定结果是精确的，在设计范围内一个大的 示一个大的误差。因此应选择小的 计算 们分别是： 第一步，在设计空间随机生成 200个相同分布的独立设计。 第二步，根据它们的不确定性分布生成 50000个 用元模型得到响应标准，然后计算每个响应的平均值和差值。 第三步，生成一定数量的 本，运用元模型得到基本分布的响应标准，并用方法估算第一步中的 200个设计中的每个响应的平均值和差值。 第四步，计算 表 5代表与 00个独立设计的所有响应相比较下的 常，估算技术为真实响应标准提供真实预测。 本数量的增多误差减少。然而在一些情况下，为了增加 本的数量， 是这些并不是十分重要，事实上 两个比 10%大得多的 它们因为这些约束的相互作用它们并不会产生负面的结果。这些至关重要的约束，像公共 量，低骨架转向和 一个趋势是随着 意味着绝对误差的扩大在缩减。甚至在设计中 算的整车性能是好的，依然会在一些设计空间的一些范围中存在着困难。这可以从 常 而，这增加了计算时间，这是没有预料到的。 根据不同大量不同的 种优化 方式会出现在来自 200 个不同起始点的 法，表六仅仅列举出了最好的方法。这些结果显示：由于估算精确性的问题，样本数量越少比如 100和 150个 000 个 所有的约束条件。结果显示了用 300 个 法能得到预想的满足所有约束条件并且有好的目标值的设计。当样本的数量继续增加由 500增大到 2000，和 300个 是在目标值上有一点牺牲。可以看出来在考虑不确定性的情况下 ， 法的优化设计比那些基线设计更加轻量化并且在汽车侧面碰撞上有10 更好的测试性能。 5. 结论 一种新的包含有模型技术和 综合随机优化方法成功的应用在汽车侧面碰撞的基本问题上。结果阐述了综合 法能够在优化循环中用元模型和近似技术代替模型模拟估算可能的约束和目标值，这就减少了计算量。结果也显示了 法在变量不确定性的条件下尽量减小汽车重量方面是以中很有价值的工具。 此研究结论是在假想曲面元模型和 型有效和分布于不确定变量准确地情况下得到的，。然而，模型的有效性和不确定性的 系统分析的超出了论文的研究范围。 致谢 我要感谢 下来，我要感谢两位审阅者提供的宝贵意见。最后我要感谢 家实验室在经济上对 11 12 13 14 参考文献 (2001). “ 110. (2001). “ 16. X. . (2002). “ 002 114. Y. (2003). “A 003110. Y., S. (2002). “A 002 110. L. (2002). “ of 1 10. L. (2003). “ 003 I, 003152, 112. L., M. O. . (2001). “ 6(4), 348360. . (2004). “ 6, 235248. S., L. (2004). “of a in a 15 6, 256263. (2004). “ A 32, 4768. (1998). . (2004). “ 6, 152159. L. L. C. X. (2000). “ 110. L. (2002a). “of a 319. L. (2002b). “ 19. . (2002). “ 18. (2003). “ 110. . (2004). “ 6, 272283. 16 附录 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 I 摘要 柴油机运转时气缸内的燃烧温度达到 1800到 2000，瞬时温度高达 3000，与高温燃气相互接触的零件（如缸盖，活塞，气缸，气阀，喷油器等）受到强烈的加热，如不加以适当的冷却，发动机会过热，充气系数下降，燃烧不正常，发生早燃和爆燃现象，与高温接触零件过热，导致材料机械性能降低，和产生严重的热应力，导致变形和裂纹，另外温度过高会使得机油变质，烧损和结焦失去润滑性能，破坏润滑油膜，零件的摩擦和磨损加剧，从而导致发动机的动力性，可靠性，经济性，耐久性，全面恶化。 如果系统的冷却能力过强，机油被燃油稀释（即 因缸壁过冷，可燃混合气体在缸壁冷凝并聚集，冲刷缸筒上的润滑油膜，未蒸发的燃油经缸壁流到油底壳，稀释机油），同时恶化混合气体形成及燃烧，增加机油粘度和摩擦效率，造成零件间的磨损加剧，摩擦损失增加，柴油机工作粗暴，另外通过冷却系统带走的热量是燃油燃烧的热量，一般约占燃烧热量的 20%这是一种损失，如果冷却过强，散热损失增加，会降低发动机的经济性。 因此发动机过冷或者过热（即发动机冷却能力过强或者过弱）都会对发动机的动力性，经济性，工作可靠性带来不利的影响。因此设计良好的冷却系统，能够保证发动机始终处于最 适宜的温度下工作，已获得较高的发动机经济性能，动力性能，工作可靠性指标等。冷却系统的功用就是使发动机在各种工况下都保持在适当的温度范围内，冷却系统既要防止发动机过热，又要防止冬季发动机过冷，在冷态下的发动机启动之后，冷却系统还要保证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度。 关键词：散热器；风扇；冷却水泵；硅油风扇离合器；节温器 800 000 ,up 000 ,in as by f in of to n is of of of in If s is is to in of on by of to of of in is 30% 0%,is a if is s So or is or be of of of is to in at it is to to up to as as 辽宁工程技术大学毕业设计 目录 1 绪论 . 1 车发动机冷却系统概述 . 1 . 2 . 5 2 散热器的设计 . 6 . 6 . 6 . 6 3节温器的设计 . 13 . 13 . 13 . 13 . 15 5冷却风扇的选择 . 18 6冷却水泵的设计 . 24 . 24 . 25 . 27 . 31 刘丽： 柴油机冷却系统设计 . 31 7 冷却液的选择 . 33 8 技术经济性分 析 . 34 9结论和展望 . 36 结论 . 36 展望 . 36 参考文献 . 37 致谢 . 38 附录 . 错误 !未定义书签。 附录 . 错误 !未定义书签。 辽宁工程技术大学毕业设计 1 1绪论 组成：发动机冷却系统由散热器、冷却水泵、冷却风扇、节温器等主要部件组成发 动 机水 泵节 温 器电 控 冷却 风 扇散 热器 盖电 动 机图 1发动机冷却系统的组成 车用内燃机是车辆的动力源，它将燃料 燃烧所释放出的热能装化成为驱动车辆行驶的机械能，其工作可靠性在很大程度上决定着车辆有效而可靠的工作，而影响内燃机工作可靠性和耐久性的重要因素之一就是热负荷，如果内燃机零部件受温度过高超出材料的受热极限，将直接导致内燃机零件受到损坏。因此，内燃机受热部件的适度冷却是极其重要的。 良好的冷却系统不仅能保证发动机正常工作，而且能够提高发动机的使用寿命，减少受热零部件的热损耗，这也减少了维修和更换受热部件的费用，间接的降低了车辆的维修成本，而良好的冷却系统也提高了车辆的行驶质量 1。 现有冷却系统的冷却方式共两种 ：风冷和水冷。 车辆应用的主要以水冷为主，故不对风冷做更多研究，此方式以水及防冻液作为介质，将发动机高温部件释放的热量带走，以保证发动机能够正常运行。其中按照冷却水在内燃机循环的方式分为自然循环冷却和强制循环冷却。 自然循环冷却主要利用水在不同温度下密度变化的性质，产生自然对流，使冷却水在冷却系内循环流动，分为蒸发式和热流式。 刘丽： 柴油机冷却系统设计 2 由于本设计以强制循环冷却作为冷却水的循环方式，故对自然循环冷却的循环方式不做更多说明。 强制循环冷却方式是利用离心泵高速旋转产生的离心力，迫使冷却水不段循环，分开式和闭式两种形式。 我设计的冷却系统主要是，利用离心泵的高速旋转产生的压力使冷却水循环，通过散热器将热量散发到外界中去，使水的温度降低，进入下水箱，在水泵的作用下继续循环冷却内燃机的高温部件，如此反复循环，以达到降低发动机高温部件的温度的目的。 国内冷却系统的现状： 目前国内的冷却系统仍采用传统的冷却节温器、保温帘和冷却风扇。节温器仍主要以石蜡和乙醚作为反应介质，反应缓慢，截面损失大，失效率高。保温帘则由人工控制，冷却风扇由发动机曲轴驱动，且三者之间控制互不协调，导致机械能损失。 发动机冷 却系统主要由发动机冷却水套、散热器、冷却水泵、节温器及冷却风扇等部件组成。散热器是冷却系统中最重要的一部分，其作用是通过流动的空气将冷却系统中流过散热器的循环水温度降低，以达到降低发动机受热零部件的温度的目的。散热器的制造材料现如今有两种：铝和铜。由于铜的导热性能好，而且经过与一些材料进行结合（表面镀锌或将锌块附在散热器的表面）能够耐腐蚀，且易于钎焊加工。所以我国大部分车辆都应用这种铜质的散热器。况且铜制管片式散热器是我国散热器行业的传统产品，其优点是散热器芯子结构强度高，刚性好，散热芯部不易被尘土和油垢等 堵塞。缺点是同等芯子的正面面积下，散热面积小，散热效果明显较差。且由于铜的价格和资源问题，不仅在散热器厚度上有所改进，也在结构上有所突破 2。上世纪 70年代后期开始研制和生产管带式散热器，以达到代替管片式散热器，但由于国内加工工艺水平的限制，生产管带式散热器仍具有一定的困难。自从国家采用了新的标准来制造铜散热器，导致散热器的寿命明显降低，腐蚀严重，使铜散热器失去了原本具有的耐腐蚀的特性，于是将铝制散热器推到了人们的眼前，由于铝资源较铜资源丰富，并且密度小，仅为 3m ，导电及导热性能优良，再加上其表面易形成氧化膜，所以耐腐蚀性能好，且铝的融化温度较低，流动性好，很容易按照模具的形状生产出各种复杂形状的产品，根据上面的阐述可以总结出铝制散热器的几大优点：质量轻，成本低，散热效果好，节约能源，使用寿命长，装卸方便，可以看出在经济性和实用性上铝制散热器很明显要优于铜制散热器。从以上可以看出铝制散热器将取辽宁工程技术大学毕业设计 3 代铜制散热器。 据相关资料介绍，我国对于铝制散热器的研究和开发要相对于国外落后一段时间，现在的铝制的散热器也只是应用到轿车和微型车的冷却系统中。其制作工艺基本 属于国际上70年代的水平，采用圆铝管加百叶窗式翅片经胀管工艺成型 3。随着科技的进步，世界上的散热器的生产工艺的进步，国内对散热器的加工工艺也在不段进步，国内部分的生产企业已可以生产质量稍好的散热器，随之而来的工艺上的问题也摆在人们的面前，既生产效率低，产品外观粗糙，废品率高和生产成本增加等。一汽集团于 1996 年向美国某汽车企业进口的铝制散热器的生产线已达到国际水平。哈尔滨某企业也应用该进口工艺生产铝制散热器，铝材料选用国内自制的铝复锌板，在无腐蚀和无污染的环境下，使用自制的国际先进，国内首创的焊接技术， 确保了焊接质量 4。所生产的铝制散热器外观不氧化，达到了产品的设计要求和使用标准，及产品的性能指标，尤其是焊接工艺达到了和国际同等产品和国内先进水平。该公司由于设备和原材料均使用国内产品，投资少，成本低，工艺灵活性很大，适合了我国汽车工业生产规模小和品种规格多种多样的现状，具有高起点，高性能，高技术，低成本和国家化的特点。这不仅推动了我国汽车生产工业水平的进步，同时也拉进了我国汽车生产工艺与国际汽车生产工业的距离。 我国从 “ 八五 ” 期间开始进行扁圆管的试制，经过了失败，改进再失败再改进的相当艰苦的历程，最后 从设备，工夹具到工艺过程摸索出一套成熟的扁圆管生产工艺，再配以开窗翅片经过高温钎焊制成高性能散热器，改产品的生产工艺和成型工艺与一汽进口的美国汽车生产企业所生产的产品属于同一类型，虽然我国生产的产品相对于进口工艺的质量和散热效果还有差距，但国产的产品与进口的生产工艺所生产出的产品在竞争上还有一定的优势。我国生产的铝制散热器以通过了长春散热器研究所的检测，成功的通过了耐高温压力脉冲性能、耐震动性能、负压密封性能、散热性能这四项实验，这四项实验满足德国大众汽车公司 是国内唯一通过这响标准的 新产品 5。而这也预示着国内汽车生产工艺已和国际汽车生产工艺的差距越来越小。 我国的汽车工业起步较晚，所以和汽车工业相关的产业都相对滞后，国内自行设计和50年代从苏联引进的发动机普遍采用，钢板风扇，钢板风扇是以圆钢板制成托架再与薄钢板叶片铆接而成，由于加工误差的积累和结构上设计的不足，风扇的效率较低，性能较差，功率消耗和噪声都很大，明显不能满足汽车生产的节能和无污染的要求，自从 70 年代以来，国外的汽车生产企业生产的冷却风扇主要以塑料风扇为主，而当时我国的汽车生产企业仍然生产和使用钢板风扇 6。不过随着科 技的进步和国内汽车生产企业的研发投入，我刘丽： 柴油机冷却系统设计 4 国的工程塑料的开发和研制及生产工艺也相对成熟，已有部分车型应用了塑料风扇，国内工程塑料风扇年产量也达到了数十万只。 风扇在冷却系统中虽然不是最重要的，但缺了风扇冷却系统将陷入瘫痪的状态，好的风扇和一个质量一般的散热器配合只能起到一般的散热效果，而好的散热器和一般的风扇配合起到的效果也只能是一般冷却效果，只有让好的风扇和好的散热器配合才能达到良好的冷却效果。目前国内的轻型货车和客车的风扇仍采用传统的定传动比的控制方式，这种控制方式是以发动机曲轴通过 由于受到曲轴的转速的变化的限制，冷却风扇的转速及冷却能力只能随发动机的转速变化而变化，不能随着发动机的热符合的增大和改变风扇的转速提高冷却速度，进行自动调节，这直接导致发动机受热部件的温度过高而影响发动机的使用寿命，也影响发动机的工作质量 7。近年来国内各汽车企业也不断开发自动电控冷却风扇，并且已通过实践证明此种产品的生产技术性能的可靠性，不仅能减少发动机的磨损而且能提高发动机的使用寿命。据相关资料介绍，轻型载重汽车改装自动电控冷却系统后比原装风扇每 100公里节约汽油 油率高达 14%。国产轿车上基本都已采用电动电子控制方式。电子控制方式的优点是预热迅速，自动电控冷却风扇根据发动机水温的反馈信号来控制电扇的开关，使风扇的启动迅速。由于冷却风扇脱离了发动机曲轴的限制，只要水温达到 95 度风扇立刻开始转动，高温的冷却水和冷却空气温差增大，使散热器的散热效率更高，解决了冷却水温度过高的问题。由于电控冷却风扇的开关有电子设备控制，在冷却水温过低的时候风扇停止转动，减少了冷却系统的能量损失，另外冷却风扇和曲轴脱离后，风扇和风罩及散热器等可以安装到一起，保证了风扇和风罩的同心度，增大了容积效率 8。与传统冷却 风扇相比，功率消耗减少了 90%，节省燃油 10%。 国外汽车发动机冷却系统的现状： 国外的冷却系统的技术水平比较先进，我国的汽车散热器生产工艺水平与国际相比仍有 20 年的差距。长期以来，铜一直是散热器的首选材料，为达到节约能源和减少环境污染，汽车工业向轻量化发展，提出了 “ 全铝汽车 ” 的口号，从这个角度看，铝自然成为最佳的选择材料，上实际 50年代后期，国际上就开始研制铝制散热器。 当然国外在研制该散热器的时候也遇到了很多的困难，首先是焊接问题，铝在自然状态下是不能焊接的，于是随后就开发出气胀的方式，还有油胀和机械膨 胀的方式和方法使管子与散热片结合在一起 9。到 1993年，伏特汽车公司将无针钎焊技术应用到汽车散热器上，此技术是最先进的散热管与带结合技术，金属表面的氧化膜在钎焊温度时受钎焊合金中的合金物质作用而被变质和去除，钎焊前对金属表面进行脱脂利用蒸汽和化学方法，在辽宁工程技术大学毕业设计 5 惰性气体和真空状态下对部件进行焊接。 传统的冷却方式已明显不能满足现代汽车工业发展的速度，基于以上的情况，于是有各种各样新型设备相继出现在现代汽车的冷却系统中，比如；由电动冷却风扇取代了原来的皮带传动冷却风扇，德国大众汽车公司在中国申请的专利。该专利在汽 车散热器前方设置空气吸入口和辅助通口，加快了散热器的冷却速度，减少了电动风扇的电能消耗。但散热器辅助通口在自下向上吸入冷却空气，很容易将道路上的尘土和杂物吸入，造成散热器脏污和堵塞，使散热器散热效率降低。随着科技的进步，冷却风扇已由传统的控制方式改为只能控制方式，风扇的冷却能力随着发动机散热的需要而自动精确的调节，提高了发动机的预热速度，使其始终保持最佳的工作温度，减少功率消耗 90%，节省燃油 10%。 由于现如今能源危机，世界各国都提倡利用各种新型能源作为内燃机动力源， 比如将汽油和酒精的混合气作为内燃机的燃料，也有的直接采用酒精作为内燃机的燃料，更换燃料就会使内燃机的缸体所散发出的热量也不同，这就为产生新型的发动机冷却系统创造了更新换代的环境，同时也迫使发动机冷却系统向节能化方向和高效化方向发展，而种种更新的结果将导致冷却系统的进步和更新。 刘丽： 柴油机冷却系统设计 6 2散热器的设计 本文以发动机（ 为设计对象，类型：水冷四冲程，四缸，其额定功率为85200r/m，最大转矩 200r/m，低端转矩 500r/m，压缩比 发动机排量 2254进行计算，冷却系统散热量 Q，理论上发动机的散热量应该在发动机的热平衡实验中确定，由于条件限制，故本文中参数以相关书籍的介绍为参考，并利用该数据进行计算 冷却系统散热量计算公式： Q =（ （ 2 或 用经验公式 Q =A 3600 （ 2 式中： 文中取 A=kg/为发动机有效功率， kw，kj/油取3100kj/ 根据以上公式将研究对象的各数值 p=65g/算得 Q=21（ kj/s） 我将采用铝作为冷却器的材料，主要是铝质散热器相对于铜质散热器经济，而且铝的密度相对于铜也小，也既同样大的散热器铝质的要比铜质的轻很多，而散热效果基本相同。铝质散热器的缺点是不易纤焊，若设计一种免焊的铝质散热器取代铜质散热器是可行的。本文将通过对散热器的散热量的计算和结构分析，设计出能够满足生产需要和工作需要的散热器。 本设计采用横流式结构 (图 1所示 ),散热器水室呈左右布置 ,左水室从中间隔成进水室 3和出水室 1,右水室 8为贯通。 辽宁工程技术大学毕业设计 7 图 2 水室 ,冷却水从进水室流入 ,经上半部散热水管 ,到达右水室 ,再经下半部散热水管到达出水室 ,水流在散热器中流经的路程比直流式散热器增加 ,散热效果更好。散热器的芯子是由铝水管 5 穿过铝散热片 4 的孔而成 ,孔的一面压有翻边 ,以增加孔与水管的接 触面积。主片 6上有带翻边圆孔的密封垫 7,芯子的水管穿过密封垫及主片对应的孔后 ,露出部分被胀开 ,紧压密封垫 ,实现水管与主片之间的密封。此外 ,密封垫还起着左、右水室与主片之间的密封作用。上述结构免去了散热片与水管 ,主片与水管 ,左、右水室与主片之间的钎焊。 铝制散热器的优点在上面已经有阐述，故不再说明选铝做为散热器的原因，下面简单介绍下本铝制散热器的特点：根据资料介绍，本铝制散热器经过实验测定相对于铜制散热器的燃油消耗率特性的曲线图： 刘丽： 柴油机冷却系统设计 8 图 2 1. 铜散热器 图 2 功率 /油率/g/(转速 /r/率/宁工程技术大学毕业设计 9 从上面的计算中可以得到该铝质散热器与铜质散热器相比其重量为 3铜质散热器的质量为 10散热器要比铜质散热器轻很多，而且铝相对于铜又便宜很多，所以在本系统中我选择铝作为散热器的材料。 综上所述可以确定铝制散热器无论在性能，经济性，以及机动车安装了铝制散热器后的动力特性等方面都相对于铜制散热器有很大的提高，所以我选择了铝制散热器作为本冷却系统的散热器。 通过发动机散热量的数值可以直接算出冷却系统中冷却水的循环量和冷却空气的需要量； V = （ 3/a V=a a （ 3/10； （ 2 式中 t 冷却水在内燃机中循环时的允许温升，对强制循环冷却系 空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差， C 水的密度， 3/kg m a 空气密度， 3/kg m C 水的比热容， ) 空气的比热容， ) 式中的冷却水温度变化量是 t=12 C ，空气经过散热器的温度变化量是15C ，水的密度取=10003m ，空气密度取a=3m ，水的比热容取 C= )，空气的比热容取 ) 代入后得 V=410 3m /s，m /s 散热器散热面积的计算可根据有关参考文献进行计算， 1 1 1()22w l h a t h h h w h w h p w h a a h p t K f f C U f C （ 2 式中 高温水回路散热量， kj 单节高温部 分传热系数， 刘丽： 柴油机冷却系统设计 10 单节高温散热面积， 2m 单节高温通水面积， 2m 单节高温通风面积， 2m h 高温水流速， 3/ms 高温水密度， 2/ 高温水定压比热， ) 冷却空气定压比热， ) 通过散热器的风速， /ms 单节高温水进口温度， C ， 高温散热器单节进风温度 , C ， 式中单节高温部分传热系数节高温散热面积m ，高温水密度9683m ;高温水定压比热205 )， 将以上各参数代入上式（ 1）中，可得； ()nh （ 2 同理可得： 11 1 1 1 1 1 1 1111()2 1 1nl w a l w w p w a a p t K f w f C U f C （ 2 式中 低温散热器单节个数； 1Q 低温水回路散热器， f 单节低温散热面积， 2m 1 单节低温通水面积， 2m 1 单节低温通风面积， 2m 1K 单节低温部分传热系 数， 辽宁工程技术大学毕业设计 11 1w 低温水流速， /w 低温水密度， 3/kg m 1 低温水定压比热， ) 11 单节低温水进口温度， C ， 1 低温散热器单节进口温度， C ， 式中单节低温部分传热系数1K=温水密度1w=9783m ，低温水定压比热1186 /J ， 由上式（ 1）（ 3）计算可知，在风速相同的情况下，高低温单节的数量是不同的，两者之间存在着冲突的现象。而实际上，对于双流道散热器的单 节，因为结构上的原因，所以式nh r r是成立的，但每个单节的高低温部分的散热面积却是不相同的。综合考虑了发动机冷却系统的高低温水回路散热器的冷却效率，可以认为，在计算过程中，取散热器单节的个数为， 0 h n lr r r（ 2 根据上式可以计算出散热器的散热面积， ()rf r f f （ 2 式中： f 双流道散热器单节的散热面积， 2m 。 同时，在散热器设计中 ,散热器应散出的热量即 Q;冷却水的循环量 V应当等于流过散热器水管的流量 ;冷却空气量则散热器的正面积 rF=aV/2m ) （ 2 式中取m/s,则m ;取散热芯子高为 为 热器的水管数 3 i=V /(v f ) （ 2 式中 V 为水在散热器水管中的流速 ,取 v =s; f 为每根水管的横断面积 ,0i=取 i=17根 ,上、下两部分散热 芯共计 34根。散热器的散热表面积 F=Q(RK t) ( 2m ) （ 2 刘丽： 柴油机冷却系统设计 12 式中 散热器传热系数 ,t 散热器冷却水和冷却空气的平均温度差 , 式中的 热器的冷却水温度的变化范围是 t =;计算出 F=m 辽宁工程技术大学毕业设计 13 3节温器的设计 节温器是控制冷却液流动路径的阀门。当发动机冷起动时，冷却液的温度较低，这时节温器将冷却液流向三热器的通道关闭，使冷却液经水泵入口直接流入机体或气缸盖水套，以便使冷却液能够迅速升温。如果不安装节温器，让温度较低的冷却液经过散热器冷却后返回发动机，则冷却液的 温度将长时间不能升高，发动机也将长时间在低温下运转。同时，车厢内的暖风系统以及用冷却液加热的进气管 、化油器预热系统都在长时间内不能发挥作用能 。 由于国内汽车行业发展水平的限制，许多国内生产的节温器基本都是利用乙醚和石蜡等作为反应介质来控制节温器的开启和关闭，我认为如果将节温器的开关与冷却风扇的电控系统连接并应用电控系统对其进行控制，那将使发动机冷却系统的冷却效率有大的改观，由于资料限制，本问将采用传统的石蜡作为反应介质对节温进行开启和关闭的控制。 蜡式节温器有单阀型及双阀型之 分，单阀型蜡式节温器主要结构含弹簧、石蜡、胶管、感温体、节温器阀、阀座、隔圈、密封圈、节温器盖、螺母、推杆、上支架、下支架等。 当冷却液温度低于规定值时，节温器在弹簧作用下关闭冷却液流向散热器的通道。冷却液经旁通孔和水泵返回发动机，进行小循环。当冷却液温度达到规定值后，石蜡开始熔化逐渐变成液体，体积随之增大并压迫橡胶管使其收缩。在橡胶管收缩的同时对推杆作用以向上的推力。由于推杆上端固定，因此，推杆对胶管和感温体产生向下的反推力使其阀门打开。这时冷却液经节温器进入散热器，并由散热器经水泵流回发动机，进行大循环 。 石蜡节温器的关键主要是应用了石蜡在温度变化的情况下其物理形态发生改变的特性，当温度在低于规定值的时候，石蜡呈固态，节温器阀在弹簧的作用下关闭冷却页流向三热器的通道，冷却液经旁通孔和水泵返回发动机，进行小循环。当冷却液温度达到规定值后，石蜡开始熔化逐渐变成液体，体积随之增大并压迫橡胶管使其收缩。在橡胶管收缩的同时对推杆作用以向上的推力。由于推杆上端固定，因此，推杆对胶管和感温体产生向下的反推力使阀门开启。这时冷却液经节温器阀进入散热器，并由散热器经水泵流回发动机，进行大循环。 刘丽： 柴油机冷却系统设计 14 此节温器 的特性是：当冷却液温度达到 85 度的时候，节温器阀开始打开。当温度达到 105度的时候，节温器阀全开，其升程为 7 虽然这将导致冷却系统的冷却效率的降低，但出于生产成本考虑，再加上节温器在该冷却系统中所占的比重要明显低于散热器和冷却风扇等构件，所以我设计了此种节温器。 一般水冷系统的冷却液在机体进，从汽缸盖流出，大多数节温器布置在汽缸盖出水管路中，这种布置方式的优点是结构简单，容易排出冷却系统内的气泡，器缺点是节温器在工作时会产生振荡现象，例如，在冬季冷启动发动机时，由于冷却液温度低，节 温器阀关闭，冷却液在进行小循环时，温度很快升高，节温器阀开启，与此同时，散热器内的低温冷却液流入机体，使冷却液又冷了下来，节温器阀重新关闭，等到冷却液温度再次升高，节温器阀又再次打开，直到全部冷却液温度稳定后，节温器阀才趋于不在重复开闭，节温器阀在短时间反复开闭的现象，称为节温器振荡，当出现这种现象时候，讲增加汽车的燃油消耗量。 节温器也可以布置在散热器的出水管路中，这种布置方式可以减轻或消除节温器振荡现象，并能精确地控制冷却液温度，但其结构复杂，成本较高，多用于高性能的得汽车及在冬季经常告诉行驶的汽车上。 辽宁工程技术大学毕业设计 15 硅油风扇离合器是用硅油作介质，利用硅油高粘度的特性来传递转矩，发送机负荷增加时，水温升高，从散热器吹来的热空气使得双金属片感温片受热而扭转变形带动阀销转动，并通过感温片变形量的大小控制进油阀的开度，进油孔打开时，硅油从贮油腔进入工作腔内，在液体摩擦作用下，风扇离合器啮合，从动板随主动板转动，风扇开始工作，发动机温度降低时气流温度随之降低，当经过感温片的气体温度低于某一温度时，感温片回转带动阀销关闭阀孔，工作腔内的硅油在惯性力的作用下流回贮油室，风扇离合器 回到分离状态，从而起到调节发动机水温的目的。 汽车在行驶过程中，由于环境条件和运行工况的变化，发动机的热状况也在改变，因此，必须随时调节发动机的冷却强度，例如，在炎热的夏季，发动机在低速，大负荷下工作，冷却液的温度很高时，风扇应该告诉旋转，以增加冷却风量，增强散热器的散热能力，而在寒冷的冬天，冷却液的温度很低时，或在汽车高速行驶有强劲的迎面风吹过散热器时候，风扇继续工作就变的号无意义了，不仅白白消耗发动机功率，而且还产生很大的噪声，试验证明，水冷系统只有 25%的时间需要风扇，而 在冬季需要风扇的时间就更短，因此，根据发动机的热状况随时对冷却体统加以调节就变得十分重要了，在风扇与冷却风扇之间装置硅油风扇离合器，是实现这种调节的方法之一，而硅油风扇离合器是一种能够根据发动机的工作温度自动调节风扇转速以维持正常的发送机工作温度的装置，硅油风扇离合器不仅可以有效地减少发动机有效功率的损耗，改善发送机的经济性，提高发动机的寿命，而且可以有效地降低发动机的噪声，具有广阔的发展前景。 刘丽： 柴油机冷却系统设计 16 设计指标主动轴转速500r/啮合风扇 转速3290r/啮合差转率 6%；风扇轴功率扇风量s。 主动板与离合器壳体间隙的优化设计 硅油离合器常用的回油机构为突台式，台阶附近的压力如图所
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