冷却系统介绍演示幻灯片

冷却系统介绍,1.冷却系统各部件结构及其工作原理2.北奔冷却模块匹配及模块化规划3.冷却液特性及使用4.冷却系统在整车上的布置及开发流程5.冷却系统在整车上的试验方法及数据分析,1,2,(一）冷却系统各部件结构及其工作原理,2,2020/5/5,散热器结构及其工作原理：,a.进水室、出水室采用以玻纤增强尼龙为主的工程塑料，一次注塑成型；b.护板为金属冲压成型，连接于上下水室之间，与外围零部件相连接。,3,2020/5/5,散热器芯体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,散热器芯子和水室是通过机械咬边的方式连接的，将主片城墙咬紧水室边缘，促使主片凹槽内的EPDM橡胶压缩，从而达到密封的效果；,4,2020/5/5,散热管种类及其排布方式：,扁管,沙漏管或B型管,扁管在散热器横截面上的排布，两排之间产生工艺间隙,B型管在散热器横截面上的排布,5,2020/5/5,散热带种类及其参数：,（散热带内、外翅片）平直翅结构带突起结构百叶窗结构在波高、波距相同的情况下，散热性能：平直翅波浪形/带突起百叶窗,散热带是铝钎焊散热器换热的核心零件，它是散热器在空气侧进行换热的重要零件，是决定散热器换热功率的主要因素，同时也影响气侧压力的损失。现在通行的散热带为波浪型，由专门的轧带机轧制而成。散热带上开有百叶窗，百叶窗的角度和宽度是决定汽车在高速条件下散热的关键。百叶窗增加了对空气的扰流作用，破坏了空气的层流层，增加散热器的对流换热效应。百叶窗的角度越大，散热性能越好，同时散热器的风阻也越大；,6,2020/5/5,散热器芯体组装后，通过钎焊将主片、侧板、散热带和散热管焊接成一个刚性的整体。整个钎焊过程就是当环境温度加热到钎焊材料熔点以上，在钎剂的作用下，钎焊材料开始熔融铺展流动，并在毛细作用下填补材料间的空隙，通过分子间的扩散作用，连接不同零件的母材，并随着温度的下降，最终形成钎焊接头。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，目前卡车普遍采用纵流式,7,2020/5/5,铜散热器与铝散热器的对比：,8,2020/5/5,散热器特性：,当散热器内部冷却液流量逐渐增大时，散热器的散热性能缓慢增加；当散热器外部冷却空气流速逐渐增大时，散热器的散热性能增加接近正比线性关系。散热器散热性能对外部空气流速敏感。,9,2020/5/5,散热器的换热过程：,冷却液的循环将热量带出发动机；经强制对流换热将热量传递到散热器散热管；散热管经热传导将热量传递到散热管外壁及散热带表面；管、带表面经二次强制对流换热，将热量传递到外界空气。最终实现发动机冷却。,10,2020/5/5,散热量的计算：,其中、Pr为物性参数，可查得；A、L、t为与实物对应的参数；Pe及系数需建立试验关联。,11,2020/5/5,中冷器结构及工作原理：,I型流中冷器U型流中冷器中冷器压降：U型流I型流,12,2020/5/5,由于中冷器工作温度较高，进、出气室均采用铸铝气室；中冷器芯体结构类似于散热器中冷器散热管厚度较大，可内置扰流片，增加了对内侧增压空气的扰流作用，破坏了空气的层流层，增加散热器的对流换热效应。扰流片的密度越大，散热性能越好，同时中冷器的压降也越大。中冷器使增压后的空气温度降低、密度增大,使柴油机的循环进气量增多。增压中冷可以在柴油机的热负荷不增加以及机械负荷增加不多的前提下,较大幅度提高柴油机功率,还可提高其经济性,降低排放污染物。,13,2020/5/5,中冷器特性：,当中冷器内部空气流量逐渐增大时，散热器的散热性能明显增加；当中冷器外部冷却空气流速逐渐增大时，中冷器的散热性能缓慢增加。中冷器散热性能对内部空气流量敏感。,14,2020/5/5,中冷器的换热过程：,涡轮增压器将进入的空气增压的同时，空气温度大幅上升，热空气经强制对流换热将热量传递到中冷器散热管；散热管经热传导将热量传递到散热管外壁及散热带表面；管、带表面经二次强制对流换热，将热量传递到外界空气。最终实现增压空气的温度降低。,15,2020/5/5,导风罩结构及工作原理：,导风罩用来改善风扇效率，使尽可能多的冷却空气流经冷却模块，并使流经冷却模块芯子的空气分配比较均匀，并限制发动机罩内空气的回流。目前导风罩主要有环形导风罩、箱式导风罩及C型导风罩。,环形导风罩及其安装,16,2020/5/5,箱式导风罩由三部分组成：护风圈、橡胶密封圈、风扇护圈三部分。护风圈固定在散热器上，风扇护圈固定在发动机上，两者之间由橡胶密封圈连接。由于风扇与风扇护圈都固定于发动机上，处于同一振动激励。导风罩与风扇之间不存在相互运动，可以保证较小的设计间隙。,17,2020/5/5,导风罩由C型护圈及矩形箱体组成，C型护圈与风扇环形结构配合，可以防止风扇后部的热风回流。矩形箱体固定在散热器上，使冷却空气可以较为均匀的通过冷却模块，并导向风扇，减少冷却系统内部的空气紊流。Z值越大，通过冷却模块的空气流动越均匀；D值随匹配的冷却风扇直径大小而变化。,18,2020/5/5,各种导风罩安装对冷却风量的影响：,C型导风罩的C型护圈由于有内环结构，对回流的热风起到了导向作用，减小了回流的影响区域，提高了风扇的吸风量,19,2020/5/5,风扇前端面到散热器芯体的距离对冷却风扇效率的影响：,C型导风罩矩形箱体使散热器后端面与风扇前端面保持足够的距离，距离越大，通过的冷却风速越均匀，从而使冷却模块芯体各部位散热效率一致。而其他形式的箱体边、角处无法保证散热器后端面与风扇前端面有足够的空间，导致箱体边、角附近区域的冷却风速减小或内部紊流增加，从而削弱了冷却模块的散热性能。,20,2020/5/5,补偿水箱结构及工作原理,补偿水箱安装布置在散热器上方，其上有加水口和盖、空气-蒸汽阀盖、散热器和发动机机体的空气和蒸汽排气管接口、以及与水泵联结的补水口。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。,21,2020/5/5,补偿水箱功能及容积确定：,当冷却系统工作时，冷却液受热膨胀并产生蒸汽泡，补偿水箱吸收来自散热器和发动机机体内的蒸汽及冷却液，确保系统压力稳定，工作可靠正常。同时它与水泵联结，当冷却系统内缺少冷却液时，可以补偿系统冷却液，确保系统正常循环。它的总容积不小于整个系统冷却液容量的20%，膨胀容积不小于整个系统冷却液容量的6%，补偿容积不小于整个系统冷却液容量的7%。,22,2020/5/5,发动机采用强制循环水冷系，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：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。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。,23,2020/5/5,蒸汽压力阀：,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。,24,2020/5/5,海拔高度与大气压力和空气密度关系,目前北奔NG80选用的蒸汽压力阀0.8bar;H06/H09选用的蒸汽压力阀0.9bar,25,2020/5/5,叶片风扇环形风扇按照风扇使冷却空气流动方向的不同，将风扇分为吹式风扇（冷空气由风扇固定轴端流向散热器端）和吸式风扇（冷空气由散热器端流向风扇固定轴端）。冷却系统布置于车辆前部时，为了更好的利用车辆运动产生的风量，采用吸式风扇；而当冷却系统布置于车辆后部时，为了更好的将冷却系统所在空间的热空气排出，采用吹式风扇。,冷却风扇结构及工作原理,26,2020/5/5,开口风扇制造适应性良好，模具成型后，可以通过对风扇叶片长度的剪切，最终确定风扇直径。但为保证风量，通常与箱式导风罩匹配使用。环形风扇的制造模具一旦成型，只能生产固定直径的风扇。可与环形导风罩或型导风罩匹配使用。风扇在旋转运动时，由于使周围空气发生了定向运动，产生了静压，而静压则为冷却模块所需风量提供动力，使冷却空气由散热器高压一侧流向低压一侧。,27,2020/5/5,整车冷却系统冷却空气压力变化,28,2020/5/5,风扇静压曲线,29,2020/5/5,风扇硅油离合器,风扇硅油离合器根据控制方式的不同，可分为：双金属片硅油离合器（利用离合器前端的双金属片受热膨胀特性控制硅油阀门的开度，控制硅油量）；电磁硅油离合器（利用水温信号控制电磁阀门开度，控制硅油量）；电磁离合器（利用水温信号控制电磁离合器接合档位，控制风扇转速）。,30,2020/5/5,电磁离合器工作曲线,红线表示风扇驱动轴的实际转速；蓝线表示匹配离合器的风扇的实际工作转速。,31,2020/5/5,当发动机启动时，风扇驱动轴同时转动，但由于风扇离合器没有啮合，风扇转速很低；随着水温的升高，风扇离合器逐渐啮合，风扇转速逐渐提高，最终离合器全部啮合，风扇转速达到最大，而水温下降的过程中，风扇离合器工作过程相反。但由于风扇离合器依靠腔内的硅油进行啮合，风扇与驱动端存在一定的滑差，因此风扇的最大转速小于驱动轴的转速。由于阀门开启、硅油充注、风扇转速的提高都是渐进的过程，因此风扇离合器的工作过程存在一定的滞后，因此在设定离合器开启、闭合温度时要适度提前。,32,2020/5/5,(二）北奔冷却模块匹配及模块化规划,33,2020/5/5,34,2020/5/5,35,2020/5/5,冷却系统模块化规划,36,2020/5/5,37,2020/5/5,38,2020/5/5,冷却液组分：水防冻剂（乙二醇、丙二醇等）添加剂（一般不超过5%，缓蚀剂、防垢剂、消泡剂、着色剂）冷却液牌号：-25#，-30#，-35#，-40#，-45#，-50#（按照冰点分类）,(三）冷却液特性及使用,39,2020/5/5,冷却液中的水必须使用蒸馏水或去离子水冷却系统中使用冷却液后，冷却系统的表面（金属部件表面）形成一层具有钝化作用的保护膜，如果加入未经处理的水，其中的一些腐蚀性阴离子会破坏已形成的钝化膜，反而加速金属的腐蚀。,40,2020/5/5,防冻剂盐类化合物氯化钙、氯化镁、三氯化铁、氯化钠，其中氯离子对碳钢及黄酮具有腐蚀作用；天然有机物蜂蜜、蔗糖、淀粉，但是其粘度较大、热稳定性差；有机低碳醇类甲醇和乙醇降低冰点的效果最好，但其沸点低，易挥发；闪点低，易着火；甲醇毒性大。甘油降低冰点的效果稍差，但其分子量大，粘度大，不利于散热，加热易分解产生酸性物质，加速腐蚀。乙二沸点高、粘度适中，毒性低；丙二醇除上述优点，毒性小，价格高。,41,2020/5/5,42,2020/5/5,乙二醇型冷却液中冰点保护与传热效率之间窜在矛盾，使用过程中需要牺牲传热性能来获得冰点保护。,43,2020/5/5,缓蚀剂以适当的浓度和形式存在于环境中时，可以减缓或防止腐蚀的产生。缓蚀剂的保护作用具有严格的选择性，与腐蚀介质的性质、温度、流动状态、材料的种类和性质以及缓蚀剂本身的种类和剂量都有很大的关系。用以维持冷却液一定的PH值。防垢剂有配合型和分散型两种。配合型防垢剂主要是金属配合剂或金属螯合剂，通过与金属离子配合，防止金属离子与阴离子结合形成水垢。分散型防垢剂是水溶性有机聚电解质，他们能使形成的水垢分散形成微小的颗粒悬浮在冷却液中从而防止形成水垢。硅酸盐是铝合金的特效缓蚀剂，对钢铁和有色金属都有一定的防护作用。高PH值可防止析出。,44,2020/5/5,冷却液品质判定的标准：冰点保护；传热性能；低温性能（低温对粘度的影响）；与橡胶的相容性；对环境的影响（毒性）。,45,2020/5/5,(四）冷却系统在整车上的布置及开发流程,冷却系统开发标准：液气温差59中冷后温升25中冷压降12kpa在发动机扭矩点最低转速、发动机扭矩点最高转速、发动机功率点三个转速点都必须满足上述标准上述标准的判定需在发动机全负荷工作状态下、硅油离合器风扇正常工作状态下、空调全负荷工作状态下（冷凝器集成在冷却模块前），才视为有效,46,2020/5/5,A.冷却系统中主要零部件的布置位置、方式的确定,依据总体布置要求，收集冷却模块设计空间周围的3D数模（包括车架，发动机，驾驶室底部隔热毡、前围、前悬置、倾翻油缸，水箱护栏，前防撞，前板簧及支座等），初步锁定冷却模块布置的边界条件；,47,2020/5/5,按照所给空间进行冷却模块中各零部件的布置（确定散热器、中冷器、导风罩、补偿水箱各自在整车上的位置及相互间的关联方式）；,48,2020/5/5,B.冷却系统中主要零部件的设计空间的确定,冷却模块中各零部件的布置方式确定后，需要进一步收集零部件周围运动件及柔性连接件的相关信息（包括极限运动量、运动自由度、温度分布情况、车辆通过性要求等）,49,2020/5/5,收集模拟所需的输入参数：发动机散热量、冷却液流量、冷却液压力、冷却液配比、增压空气流量、增压空气温度、增压空气压力、大气温度、大气压力、车速、风扇参数、整车风阻曲线等，作为冷却模块性能模拟的输入条件；,C.对冷却模块性能进行模拟分析并确定芯体尺寸,50,2020/5/5,在热管理软件中建立冷却系统模型，输入参数进行模拟,51,2020/5/5,对冷却模块的模拟结果进行评估,1）对瞬态和稳态模拟结果的进行评估2）对冷却模块所处环境中热量分布进行评估3）对冷却模块所处环境中冷却空气的压降进行评估4）对冷却模块所处环境中冷却空气的分布进行评估5）对冷却模块及其周围零部件的优化进行评估6）将冷却模块的模拟结果与风洞试验的测试数据进行校核（模块的台架试验后进行）,52,2020/5/5,评估后确定满足整车性能要求的方案，从而确定冷却模块的芯体尺寸及风扇状态。,53,2020/5/5,依据冷却模块芯体尺寸及设计边界条件，进行散热器水室、护板、芯体等的详细工程设计；进行中冷器气室、芯体等的详细工程设计；进行导风罩的详细工程设计；进行补偿水箱的详细工程设计；进行冷却模块支撑件的详细工程设计；进行冷却模块中各零部件相互连接方式的详细工程设计；将工程设计完毕的所有零件装配成完整的冷却模块。,D.冷却系统中主要零部件的方案设计,54,2020/5/5,E.冷却系统中主要零部件的布置检查并确认状态,55,2020/5/5,检查冷却模块与车架的连接是否准确检查冷却模块与周围零部件（包括车架，发动机，驾驶室底部隔热毡、前围、前悬置、倾翻油缸，水箱护栏，前防撞，前板簧及支座等）是否存在干涉；检查冷却模块与周围运动件及柔性连接件极限运动情况下是否存在干涉；检查散热器上下水口、通气口尺寸及位置是否具有通用性，是否利于管路布置；检查中冷器进出气口尺寸及位置是否具有通用性，是否利于管路布置；检查导风罩与风扇配合尺寸是否正确，风扇与导风罩是否对中、径向间隙均匀；,56,2020/5/5,检查补偿水箱容积大小是否满足冷却系统要求，加水口尺寸及及位置是否具有通用性，通气口、补水口、液位传感器安装孔尺寸及位置是否具有通用性，是否利于管路布置；检查冷却模块在拆装过程中，拆装工具是否有合理的运动空间，是否会与周围零件存在干涉，紧固件的拆装是否便利；检查集成于冷却模块上的其他零部件（空调冷凝器、采暖管支架、量油尺支架等）的固定位置及尺寸是否正确、合理（不会给冷却模块带来附加外力作用）；检查补偿水箱是否高于发动机节温器及散热器上水室，确保加水、排气顺畅；确认冷却模块满足设计任务书的要求，锁定状态。,57,2020/5/5,散热器管路的设计管路布置应顺畅、可承受的工作压力不小于2bar,工作温度-40-+125；管路材料不与内部的冷却液发生反应，与外界空气接触不易老化；两端的紧固件紧固后无泄露；中冷器管路的设计-管路布置应顺畅、可承受的工作压力不小于2bar,工作温度-40-+200；管路材料与内部高温气体及外界空气接触不易老化；两端的紧固件紧固后无泄露；两端的紧固件紧固后无泄露；补偿管路的设计-管路布置应顺畅，从补偿水箱补水口到下水管回水口管路应连续下行，尽量减少弯曲、上弯，保证加水速度；可承受的工作压力不小于2bar,工作温度-40-+125；两端的紧固件紧固后无泄露；通气管路的设计-管路布置应顺畅，从散热器及发动机通气口到补偿水箱通气口通气管应连续上行，不能有下垂或下弯段，以防止气阻产生（设计时根据具体情况，可通过实验验证通气效果）；两端的紧固件紧固后无泄露；采暖管路的设计-可承受的工作压力不小于2bar,工作温度-40-+125；连接底盘与驾驶室的采暖管应预留驾驶室翻转余量；两端的紧固件紧固后无泄露。所有管路在静止状态及行车过程中不得与周围零件发生干涉。,F.冷却系统中的管路布置,58,2020/5/5,59,2020/5/5,冷却模块整车风洞试验方法在发动机扭矩点全负荷稳态时（两个发动机转速），测定冷却系统性能；在发动机功率点全负荷稳态时（一个发动机转速），测定冷却系统性能；,(五）冷却系统在整车上的试验方法及数据分析,60,2020/5/5,传感器安装位置,61,2020/5/5,传感器类型选择,62,2020/5/5,传感器安装数量及传感器的精度可以按照对某个参数的关注程度及测试目的进行调整。,例1：关注发动机出水温度则在散热器进水管上安装四个水温传感器，取平均值；每个精度为0.01；,例2：关注冷却模块前部温度分布则在冷却模块前部安装6*6个空气温度传感器，获得温度场分布；每个精度为0.1；,63,2020/5/5,64,2020/5/5,试验前准备,1）测试所需的传感器布置完毕后，将传感器连接线有序固定，并保证连接线的固定不影响本次试验；2）将传感器连接线与数据采集系统进行连接，对数据采集系统进行设置并调试，保证每个传感器都能准确采集数据；3）对测试车辆进行配重，但测试车辆的总重不超过转毂实验台的承载重量，并保证试验过程中轮胎与转毂接触不发生打滑；4）试验车辆驱动转鼓的轮胎要对中正压在转毂上，保证试验运行过程中不发生跑偏；5）将试验车辆前、中、后部固定于试验台上；6）转鼓风洞试验台试运行，确认试验车辆、试验台、数据采集系统工作状态正常；7）测试环境空气升温，至35；,65,2020/5/5,8）空调采用外循环，达到最大制冷量；9）不模拟日光照射量；10）不模拟空气湿度，实测实验室湿度；11）冷却风扇带硅油离合器，柔性连接；12）冷却循环中带有标配的节温器；13）多态开关调整到超载档位；14）试验车辆冷却系统中有适量的冷却液。,66,2020/5/5,试验过程,1）将试验车辆启动，预热至发动机水温升高到80；2）启动转鼓试验台及数据采集系统，将试验车辆控制到稳态运行时的变速器档位；3）将风洞模拟的风速调整到对应最大扭矩点或最大功率点的车辆实际使用车速；4）逐渐增加轮边阻力，同时逐渐增大油门开度，最终使发动机在某一恒定轮边力、油门开度100%的情况下，稳定运行在最大扭矩点或最