汽车冷却系统结构与设计

1、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

2、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1为2/3风扇叶片宽度。 图2 风扇与周边其它物体距

3、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

4、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

5、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:

6、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。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

7、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

8、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1520%。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

9、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。 图8冷却风扇和导风罩1散热器2散热器盖3导风罩4风扇风扇导风罩导风罩用来改善风扇效率,使流过散热器芯子的空气分配比较均匀,并限制发动机罩内空气的再循环。图9为目前常用的三种基本的风扇形式。图9a为文特利型导风罩,其效率最高,但制造困难,且只有当风扇叶尖间隙直径不大于 1.5%风扇直径时才非常有效。有安装偏差及风扇传动带的张紧要保持这样紧凑的间隙非常困难,因此直到目前国内才少量运用。随着强化材料的发展,这种形式的导风罩将得到推广;图9b为箱式导风罩,其

10、制造容易,运用最为广泛。图9c为环形导风罩,其制造容易,运用较多。常用冷却系统选用箱式导风罩,便于装配、制造容易,导风罩的一部分由散热器厂制造,另一部分的风扇护圈固定在发动机上,两者之间由胶圈连接,既保证风扇与护圈的间隙小,又防止了导风罩与风扇之间的相互运动,不会导致风扇与导风罩干涉,最终提高了风扇效率。 图9 a文特利型b箱式导风罩c环形导风罩中冷器中冷器的用途是在短时间内将从增压器出来的高温空气得到降温,使其与燃料混合后燃烧更充分。中冷器的结构和原理与散热器相似,可按发动机匹配要求和布臵结构进行选型或开发。常用冷却系统匹配计算以BF6M1013ECP发动机冷却系统匹配为例冷却系统主要部件构

11、成及参数1冷却系统主要由发动机、吸式风扇、散热器、中冷器、补偿水箱、膨胀水箱、导风罩、风扇护圈及相关管路构成。各主要部件参数如下:发动机:Deutz BF6M1013ECP直6、直喷式、增压、中冷、柴油机额定功率/转速195kw/2300rpm最大扭矩/功率/转速954Nm/140kw/1400rpm风扇:Deutz公司直径:596mm (24径节宽度:104mm传动比:1:1(风扇与曲轴同轴散热器:500 500 50 01制造厂:青岛散热器厂容积:8.8 L中冷器:500 500 50 02制造厂:青岛东洋散热器有限公司补偿水箱:500 500 50 03制造厂:青岛散热器有限公司容积:5

12、 L膨胀水箱:620 500 01 49制造厂:BEHR容积:2L。冷却系统散热量新的散热器在使用一段时间后,由于水垢的生成而使少量水管堵塞,散热性能下降10%左右;此外,由于压力盖泄漏以及气流分布不均,也会使散热能力下降5%10%。因此,在选择散热器时,它的散热能力Qmax应比发动机水套散掉的热量Qw高出15%20%。因此,额定功率时,散热器散热量Qmax=97.5X1.15=112KW风扇匹配验证发动机功率195kw,查图10 “风扇直径的选取”,风扇直径为420mm590mm之间,厂家所配为596mm,原则上,在条件许可的情况下,直径越大越好,符合要求。冷却系统所需风量要想将发动机传给冷

13、却介质的热量散掉,必须有足够的空气通过散热器,空气量Q空由下式确定:Q空=Qw/(空C空T空:标准条件下空气密度,kg/m3 空=1.2kg/m3 (29;T:通过散热器的空气温差,一般为10350 C 取T=250 C。因此,冷却系统所需风量最大功率点,Q空=97.5÷(1.2×1.00×25=4.24(m3/s最大扭矩点,Q空=70÷(1.2×1.00×25=3.05(m3/s 图10散热器的匹配设计图11冷却系统大部件装配简图a.散热器芯部结构:管带式;材料:黄铜;优点:零件少、制造工艺性好、重量轻、散热系数高、外形美观。w Q

14、 wS w =3.6 K wtkmSw 散热面积m2Qw 散热器需带走的热量,KJ/h;tkm换热介质算术平均温差,。Tk2Tk1tkm= Ln(tk2/tk1Tk1散热器进气温度,Tk2流出散热器空气温度,一般为20-30,取25;1K w=1 1 1+ +w k w:冷却液的传热系数;:黄铜热导率,=93-116 w/(m.k;:材料厚度,=0.05-0.08mm;k:空气传热系数,取决于空气流过散热器的速度;k=70-112w/(m2k。由于散热器芯子的散热片与管子之间焊接不良,可使Kw下降20%-30%,空气的质量风速提高,Kw值提高,但过大风扇消耗功率大。当管内冷却液流速增加,扰流增

15、加,Kw提高,但过大使水泵的消耗功率增加,上式表明,确定散热面积必须反复试算和修正,按经验推算:Sw =(0.14-0.28m2/kw×发动机额定功率则发动机要求散热面积,系数取0.19,则:Sw=0.19×195=37.05 m2则散热面积Sw=37.05×1.09=40.4(m2c. 迎风面积Fk的确定要求:Fk=(0.2-0.3×额定功率/100根据北方-奔驰安装空间尺寸,确定芯子高=760 宽=648Fd : Fk =57%通过计算确定散热器结构参数:散热芯结构:管带式;铜管排列:4×64;铜带排列:8波/英寸;迎风面积:760

16、5;648=0.49m2=5.3平方英尺(30×28。6膨胀水箱的设计计算膨胀水箱高于补偿水箱0.5m。总(LV总=V发动机水套+V散热器+V管路V发动机水套V散热器=9.8L V管路=4LV总补当V补>20L时,V补V总×20%则:V补=V总V膨= V总×5%=1.18 L选Benz原装膨胀水箱620 500 01 49 其容积为2L。7补偿水箱压力盖的压力的确定在补偿水箱上设臵两个空气蒸气阀,其开启压力0.9bar,以保证海拔5000m以上冷却系能正常工作。海拔5000m大气压力Pa =0.541bar,沸点82.9。当达到开启压力P=Pa+P =0.5

17、41+0.9=1.441Bar,沸点110时,可保证在海拔5000m以上不开锅。8膨胀水箱压力盖的压力的确定根据“6.1.2”节内容,取压力为0.3bar。9护风圈设计及布臵型式: 箱式护风圈内径:620 mm护风圈与风扇护圈采用软联接要求:SP=(0.02-0.03×D风扇设计:SP=11mm=0.47英寸。见图11, A值根据水箱、中冷器及发动机布臵A(0.20.5×D风扇1理论空气流量校核通过风扇和散热器特性曲线确定散热器理论空气流量图12为散热芯面积与24吸式风扇在2100rpm转速下,散热器与风扇匹配图。相交点即通过28X28的散热器的理论空气流量15800(ft

18、 3/Min。换算为通过30X26的散热器的理论空气流量Q A : 最大功率点理论空气流量Q AP=15800×(30×26/(28×28×2300/2100 = 17216.5 (ft 3/Min = 8.14 m 3/s最大扭矩点理论空气流量式Q AN=15800×(30×26/(28×28×1400/2100 =10479.6(ft 3/Min =4.95 m 3/s2 校正后空气流量通过冷却系统的系统效率校正散热器理论空气流量由图13,取风扇端面距散热芯4,风扇与导流罩距离0.47;Fd : Fk =57%

19、,选取:风扇系数F =0.82;导流罩系数s=0.87; 发动机阻力系数f =0.87;则系统效率=F X s X f=82%X87%X87%=62%。 校正后理论空气流量Q A =Q A ×校正后最大功率点理论空气流量Q AP = Q A P ×=17216.5X62%=10674.2(ft 3/Min =5.05 m 3/s最大功率点理论空气质量风速= Q A ×A校正后最大扭矩点理论空气流量Q AN = Q AN ×=10479.6 X62% =6497.4(ft 3/Min =3.07 m 3/s 图13 冷却系统效率最大扭矩点理论空气质量风速=

20、 Q A ×A即:校正后理论空气流量大于相应工况下冷却系统所需风量。3散热器散热能力校核散热器散热能力=单位散热量X散热芯迎风面积通过散热芯空气流速=校正后空气流量/散热芯迎风面积Ca最大功率点通过散热芯空气流速=10674.2(ft3/Min /5.3=2014英尺/分钟每平方英尺散热量由图12查出:空气流速在2014英尺/分钟对应的散热量为1270Btu/Min。散热器散热能力=1270X5.3=6731Btu/Min=118kW>112 kWb最大扭矩点每平方英尺散热量由图14查出:空气流速在1225.9英尺/分钟对应的散热量为945Btu/Min。散热器散热能力=945

21、X5.3=5008.5Btu/Min=87 kW >80.5 kW即散热器的散热能力大于相应工况下发动机对冷却液的散热量。以上计算结果表明:该系统匹配满足冷却系统的设计要求。 常温下空气流速单位:Ft/Min图14 散热器特性曲线试验项目冷却系的设计试验验证方法汽车发动机冷却系散热性能测试,测试方式通常是通过整车道路试验(GB/T12542-1999或在底盘测功机上完成的。在设计或改进设计后,利用试验对设计方法进行验证。目前,进行散热性能试验的方法很多,最常用的是牵引负荷拖车试验法,爬长坡试验法和底盘测功机试验法三种。北方奔驰公司与奔驰公司合作多年,进行了多次冷却系散热性能测试,使用的方

22、法均为牵引负荷拖车试验法,对于后两种试验方法,就目前我们公司的实际情况来看,510km的长坡且坡道占90%以上的道路没有,底盘测功机也没有。从以上可以看出牵引负荷拖车试验法是比较合理可行的,通过试验,可以对发动机冷却系统的设计及其方案进行评价。其它的设计验证试验通过用户实际使用来进行。散热能力试验,考核在什么环境下冷却水达到规定的柴油机最高出水温度。试验采用改制的节温器,除了需要柴油机速度控制装臵外,还要有加载及负荷测量设备。试验前柴油机加满冷却液,并保证润滑油量正常。试验规程如下:在加载前,将柴油机水温提高到93左右,可使用挡风板提高冷却水温,以便缩短加载运转时间。使柴油机处于全负荷或某一已

23、知负荷下运转,开始记录有关数据,每隔5分钟记录一次,直到出水温度t2和环境温度ta之差达到恒定。当柴油机出水温度超过99或达到加载装臵极限时,应卸去负荷并结束试验,作记录。环境适应能力按表1计算得到。柴油机在全负荷下运转至少5分钟或每隔5分钟连续记录的两组数据重复一致时,可以认为达到了温度稳定状态。有时由于试验条件不标准,需要对表中实测冷却温差进行修正,J值也应作调整。负荷修正:当柴油机负荷低于标定值时,将温差t2-ta乘以“标定功率/实际功率”之比值。环境温度修正:环境温度比32每低5.6,温差t2-ta应增加0.3。高速公路载货汽车修正:试验时若没有24Km/h的迎风,则温差t2-ta应减

24、小0.8;水散热器内装有空调冷凝器芯子,但考虑准备装时,温差t2-ta应增加3.9。海拔高度修正:试验地点的海拔高度比海平面每高305m,温差t2-ta应减小1.4。表1 冷却系统须满足以下技术参数及注意的问题:(定量分析的方面发动机出水温度95(发动机最大扭矩点发动机出水温度-环境温度55散热器管路阻力525mbar散热器极限环境使用温度根据试验值代入公式求得,公路用车:轻载>38、中载>41、重载> 46。中冷后温度55,环境温度25(发动机最大功率点中冷后温度-环境温度30(国外标准:欧25,欧20,欧15中冷器压降12KPa中冷器管路阻力150 mbar水泵进口压力0

25、bar冷却液由水、乙二醇和防腐剂组成,冷却液中的防冻液含量占30% 50%,提高了液体的沸点(108U型流和I型流,U型流压降大,管路阻力大,易产生温度应力风扇速比由1:1.28-1:1,风扇需加大15%-20%风扇中心尽量与散热器芯重合双金属硅油离合器可节油3%-4%膨胀水箱的位臵要高出发动机节温器400mm1/3总容积膨胀水箱注水量2/3总容积当转速为1500n/min,1:1.28风扇直径为600mm时,相应1:1风扇直径690mm,进风量为1:1.2,消耗功率为2.1:1,油耗为2.1:1。风扇前端面到散热器的距离A=(0.2-0.5×D(风扇风扇面积/散热器芯面积65%,1

26、50A75(综合考虑风扇效率与安装尺寸此时90%85%当风扇直径为700 mm时,风扇与导风罩间隙=12mm时,箱式导流罩系数=88%;=15mm时,=86.5%;=18mm时,=84%,相同,风扇越大,越高机油消耗量/燃油消耗量0.3%时,机油耗合格叶片风扇与风扇护圈的间隙为8-12mm环行风扇与导风罩的间隙为10-15 mm散热器散热管约为2 mm,宽度不宜超过35 mm;中冷器散热管6-8 mm 厚,内有阻流片。翅片的结构相同,有平直型、错开型、百叶窗型。散热器管路阻力中,芯子的管路阻力占到其中的90%以上,热侧增加扰流片很困难,水市中也不加装导流板。中冷器气室形状对中冷压降的影响一般为

27、30-40%。不合理时可以达到60%,气室中增加导流板,可以使气流均匀分布,同时也使得压降升高。气室形状在设计时,上部截面面积大于下部截面面积,可以提高下部空气流速,使气流均匀分布。管路中增加扰流片,可以提高芯子的换热系数,从而增加散热量,同时也使压降增大。(定性分析的方面冷却系统在设计时,通气管的走向应该是:从散热器、发动机补偿水箱膨胀水箱,并且是逐渐上升的趋势,尽量减少折弯,使得排气顺畅。补偿水箱到大循环的水管要保持逐渐下降的趋势,尽量减少折弯,加快冷却液加注速度。补偿水箱的通水管要接在冷却系统大循环压力较低的位臵,并且此位臵应该是流体形成稳定流场的区域,可以避免冷却液逆流回补偿水箱。由于中冷器在散热器的前方布臵,中冷器直接接触环境空气,而散热器的外界条件比较复杂,所以设计时,可以优先满足散热器的技术性能指标,然后进一不改进中冷器的性能。一般散热器和中冷器匹配时,中冷器的迎风面积要小于散热器的迎风面积,此时布臵中冷器时尽可能将不要将散热器的上端部分遮挡以利于散热;散热面积更是远远小于。柴油机运转时,由于与高温燃气接触