发动机冷却系统散热器

1、陕西理工学院毕业设计发动机冷却系统1.2 冷却系统的总体布置冷却系统总布置主要考虑两方面：一是空气流通系统；二是冷却液循环系统。在设计中必须作到提高进风系数和冷却液循环中的散热能力。提高通风系数：总的进风口有效面积和散热器正面积之比30%。对于空气流通不顺的结构，需要加导风装置使风能有效的吹到散热器的正面积上，提高散热器的利用率。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。一般货车芯厚不超过四排水管，轿车芯厚不超过二排水管。在整车布置中散热系统中，还要考虑散热器和周边的间隙，散热器到保险杠外皮的最小距离100毫

2、米，如果发动机的三元催化在前端的话，还要考虑风扇到三元催化本体距离至少100毫米，到三元催化隔热罩距离至少80毫米。一般三元催化的隔热罩到本体大概有15毫米，隔热罩厚度为0.51毫米，一般材料为st12。1.2.1散热器布置货车散热器一般采用纵流水结构，因为货车的布置空间也较宽裕。而且纵流水结构的散热器强度及悬置的可靠性较好，轿车多采用散热器横流水结构，因为轿车车身较低，空间尺寸紧张。横流水结构散热器能充分地利用轿车的有限空间最大限度地增加散热器的迎风面积。散热器分成水冷和风冷两种冷却形式，风冷主要用在行驶在沙漠地带的车辆的冷却，但是决大多数的车辆采用水冷冷却形式。散热器悬置布置：散热器通常为

3、四点悬置，也可以采用三点悬置。其中主悬置点为2个，辅助悬置点为2个或1个。所有悬置点应布置在同一个部件总成上，改善散热器受力情况，以尽量减少散热器的振动强度。主悬置点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渡以达到减震的目的。主悬置点的胶垫压缩量一般为其自由高度的1/5左右。少数轿车因其整车的减振胶垫或胶套而进行刚性连接。中，重型载货汽车由于散热器的质量大及使用环境较差，一般要在散热器的外部增加一个刚性较大的保护框架，以防止振动等外界力直接作用在散热器上。悬置点设置在框架上。轻型货车和轿车一般不加保护框架，悬置点设置在散热器的侧板或水室上。为提高散热器强度一些车散热器上加有十字拉筋

4、。1.2.2护风罩布置护风罩的作用是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。风扇与护风罩的径向间隙较小，风扇的效率越高。但间隙过小，车在行驶中由于振动会造成风扇与护风罩之间的干涉。风扇与护风罩之间的径向间隙一般控制在5mm25mm。当风扇与护风罩之间的干涉。风扇与护风罩安装在同一零部件总成上（如同在底盘或同在车身上）其径向与相对运动，风扇与护风罩之间的间隙可以下线，否则取上限。风扇与护风罩的轴向位置一般为：风扇径向投影宽度的2/3在护风罩内，1/3在护风罩外，以增加导流减小背压。在大批量生产的车型中多采用塑料护风罩。铁护罩多用于批量小或直径较大的

5、车型中。在某些车型中，特别是轿车，护风罩在常开有多个窗口并加以单向帘布。当车速较高，风扇停止运转时帘布打开减小护风罩的风阻，当风扇启功后，帘布关闭提高风扇效率。1.2.3风扇布置风扇直径大小应和散热器的形状相协调，条件允许时可增大风扇的直径，降低风扇转速。以达到减小功率消耗和降低噪音的目的。在某些散热器长，宽比例相差较大时，如轿车散热器，有时采用两个直径较小的风扇所取代。特别是要求转速较高的风扇中已全部采用塑料风扇。电动风扇是由电动机来驱动风扇，电动机的启动与停止是受水温直接感应的温度开关来控制。电动风扇具有起动温度与设定温度一致，布置位置灵活，不受发动机转速的影响，汽车在低速怠速时冷却效果好

6、等优点，冷车启动时水温上升较快。但也多用于发动机横置的轿车。1.2.4节温器布置目前汽车上应用的节温器均采用蜡式感应体节温器。当冷却水温温度升高时蜡膨胀，节温器开启，冷却水流经散热器进行大循环。当冷却水的温度降低时蜡体积缩小，节温器关闭，冷却水不经过散热器，短路流经发动机刚体进行小循环。节温器一般布置在发动机的出水口处。要求节温器的泄漏量小，全开时流通面积大。增大节温器的流通面积可以通过提高节温器阀门的升程和增加阀门的直径来实现。国外较先进的节温器多通过提高阀门升程来增大流通面积，这样可以减少因增大节温器阀门直径带来的卡滞，密封不严等问题。但是增大节温器的升程，对节温器技术要求较高。有些发动机

7、为增加节温器的流通面积多采用两只节温器并联结构。1.2.5水泵布置水泵的流量及扬程根据不同的发动机而定。流量一般为发动机额定功率的1.52.7倍。，扬程一般为0.7kpa1.5kpa，扬程过高对冷却系统的密封性会产生不利的影响。水泵的可靠性主要取决于水封和轴承，轴承普遍采用轴连轴承及永久式润滑结构，水封采用陶瓷，碳化硅动环和石墨静环整体式水封。轴承的游隙及水封的气密性要严格控制。1.2.6膨胀箱布置尽量靠近散热器布置，使得水管长度最短；膨胀箱的高度要高于冷却系统所有部件。 图1汽车发动机水冷系统总体布置图2.散热器的设计散热器的设计以符合发动机在正常工作范围的散热量需要设计，同时，应满足车辆安

8、装需求的最小空间和维护方便等内容综合考虑。2.1散热器的设计要求1）散热能力能满足发动机在各种工况下的需要；2）冷却系统消耗功率小，且热机快；3）体积小，重量轻，便于拆装维修；4）使用可靠，寿命长，制造成本低。 图2 散热器结构示意图2.2.1散热器的结构形式强制循环式水冷用散热器可分为直流型和横流型。直流式散热器在汽车发动机上使用极为广泛。国产解放CA6102型、东风EQ61001型发动机以及桑塔纳18 L、奥迪100 18 L、富康136 L、标致2 L、夏利1 L、13 L等轿车发动机都采用了这种直流式散热器。其结构形式如图3。图3直流式散热器1散热器 2上水室 3下水室 4散热器芯子但

9、是，由于它的散热芯子垂直布置，芯子上下分别布置了上水室和下水室，因而高度尺寸比较大，在发动机罩盖较低的轿车上布置比较困难。所以有些轿车上采用散热器芯子水平布置，用左右两侧的水室代替传统的上下水室结构，冷却液左右流动的所谓的横流式散热器。这种散热器宽度尺寸较大，芯子正面有效面积增加10，从而加大风扇尺寸，得到更多迎风面积，使气流更为流畅，其结构见图4。 图4 横流式散热器1.散热器盖 2.气液分离器 3.进水管 4.自动变速器液压油冷却器 5.放水塞 6.放水口 7.出水管德国大众Golf型轿车以及BMW公司的一些轿车，以及国产依维柯、沈阳海狮等轻型车上就采用了这种结构的散热器。2.2.2散热器

10、芯子的结构形式 散热器芯子是散热器的核心部分，起主要的散热作用。散热器芯子由散热管、散热片(或散热带)、上下主片等组成。由于它具有足够的散热面积，因此能保证将必须的热量从发动机散发到周围的大气中去。而且散热器芯子是用极薄的导热性能好的金属及其合金制造的，能使散热器芯子以最小的质量和尺寸达到最高的散热效果。散热器芯子的结构有多种，如管片式、管带式、细胞式、管芯式等等。如图5所示，常见的多为管片式和管带式。图5芯子的种类a.管片式 b管带式 c细胞式 d管芯式2.3理论依据及计算2.3.1散入冷却系统的热量Qw受许多复杂因素的影响，很难精确计算，可以用下列经验公式估算：Qw=A ge Pe hu

11、/ 3600，kj/s A-燃料热能传给冷却系的分数，取同类机型的统计量，%，汽油机A=0.230.30，取A=0.25-燃料消耗率，kg/kw.h；汽油机0.2050.320 取0.25-发动机有效功率， hu-燃料低热值，一般取43100kj/kg若水冷式机油散热器，要增加散热量，增大5%10%.2.3.2冷却水的循环量 Vw= Qw/TwwCw，m3/s -冷却水循环的容许温升（-），取-水的密度，（1000kg/）-水比热（4.187kJ/kg.）考虑到冷却液在各管道中的沿程阻力实际冷却水循环量为Vp=1.2Vw2.3.3冷却空气的需要量VaVa一般根据散热器的散热量来确定，散热器的散

12、热量可近似等于散入冷却系统的热量Qw。2.3.4散热器所需的散热面积F已知散热器散发的热量后，所需散热面积F可由下式计算： K-散热器的传热系数 -散热器贮备系数，水垢及油泥影响等，一般=1.11.5，取1.1-冷却水与空气的平均温差，取散热器的不同部位，其冷却水与空气温差不同，通常采用平均温差，平均温差可由下列式计算: 散热器进水温度，取 散热器出水温度，取空气进入散热器时的温度，取 空气离开散热器时的温度，取从冷却水到散热器壁的放热系数,当冷却水流速为0.20.6m/s时，约为20003500，取3500。散热管导热系数，纯铝导热系数为230W/m.k,换算为散热管壁厚，0.0002m散热

13、管到空气的散热系数，当流过散热管的空气流速为1020m/s时，=60105，取105。2.3.5 散热器的高度h和宽度b根据总体布置确定散热器的高度和宽度。一般先确定高度h，再确定宽度b。b=FR/h，m2.3.6散热器芯部的选择与计算（1）在计算出散热面积后，就是散热器芯部的选择。从结构上分主要有管片式和管带式两种（如图6）。这里选用管带式散热器。 管片式 管带式图62管带式散热器芯子按照冷却管在芯厚T方向从一到五的排数可分为D1,D2,D3,D4,D5五种形式。见附图（1）中示出D1,D2,D3型的排列方式。（3）芯子中冷却管分为咬口管和高频对焊管两种型式（见附图2）；其尺寸见附表（1）。

14、 （4）芯子中散热带的型式见附图（1），其尺寸见附表（2）。（5）芯子的尺寸芯子内部个尺寸关系见附表（3）。（6）芯厚T、芯宽W和芯高H见附图（1）和附图（3），尺寸见附表（4）和附表（5）。2.4 实例计算 以本田 雅阁 2.3自动VTI-L 车型为例：发动机主要参数：类型：水冷4冲程，直列4缸SOHC VTEC ，16气门横置气缸直径与行程：86.0mm×97.0mm发动机排量：2254ml压缩比：8.9：1 最大功率：110kw/5700rpm 最大扭矩：206N.m/4900rpm2.4.1基本结构及参数设计（1）考虑到散热器的悬置稳定性以及本田雅阁车型的引擎布置的空间结构选

15、用散热器的结构型式选用直流式。（2）散热器芯部的结构型式选用管带式，对于管带式散热芯子，它是由波纹状的散热带和散热管相间排列构成的而且在散热带上一般开有许多类似百叶窗的孔，以破坏空气流在散热带表面上的附着层，提高散热力。这种散热器的芯子与管片式相比，散热能力较高，制造工艺简单、质量轻、成本低，但结构强度不如管片式好，因此多用于小客车及轿车。故，本发动机散热器芯子的结构型式选用管带式。（3）散入冷却系统的热量燃料低热值，一般取43100kj/kg(4)冷却水的循环量VW(5)冷却空气的需要量Va（6）散热器所需的散热面积F（7）根据汽车行业标准QC/T29025-1991,参考表1选择如下芯子：

16、冷却管选取高频对焊型冷却管型号，=2mm ,L=16m,参考图7选用型双排冷却管，如图10 图10参考芯子内部尺寸关系表3得：C=L+4=20mm d=+1=9mm T=(2-1)C+2d=38mm参考散热器芯子中散热带的尺寸表3 取b=10mm,t=4mm（8）根据汽车行业标准QC/T29025-1991表 芯厚T、芯宽W和芯高HH取420mm,W取530mm,T为38mm（9）散热器正面积（迎风面积）为（10）每片散热带的有效散热面积（双面）S0=（11）所需管带数为,考虑到散热器芯部与主框架之间应布有管带以便相互对称，故所需的管带数为44+1=45片（12）散热带总散热面积（13）所需冷

17、却管数为（14）每根冷却管表面积约为：冷却管总表面积约为总散热面积，满足散热面积要求。2.4.2上贮水箱设计上贮水箱又称进水室，在所设计的纵流式散热器中，散热器芯竖立布置，上接进水室，下连出水室，冷却液由进水室自上而下流过散热器芯部进入出水室。上贮水箱上有加冷却液的进液口，也设有流经过发动机缸体水套被加热了的热冷却液的回流口。同时上贮水箱又要储存一定量的冷却液来保证冷却液能够布满整个散热器芯部。此外上贮水箱上还应设置有散热器悬挂所用的禁锢螺栓。因此上贮水箱的设计也关系到整个散热器性能的好坏。考虑到散热器的整体尺寸与安装关系，再结合散热器芯部的尺寸参数设计散热器进水室的结构寸如图（）散热器上贮水

18、箱结构使用示意图所示。 图（）散热器上贮水箱结构示意图 图中1、钓饵 2、箱体 3、加液口 4、进液口图中，散热器进水室水平长度为550mm是根据散热器芯部44排高频对焊管加45排管带的尺寸和再加上散热器左右框架及安装冷却风扇护风罩的之家的尺寸而定的。散热器进水室的水平宽度为44mm。这是根据散热器管带的宽度在考虑到与散热器框架与整体布局而定的。散热器进水室竖直高度为44mm。这是考虑到散热器进水室上焊装有与发动机缸体水套连接的进水管口，与散热器整体的悬挂空间及美观性为出发点的。此外，加冷却液口处于进水室上部靠右边处这是考虑到人们加冷却液时的位置，加冷却液口在保证处于整个散热器最上方的同时尽量

19、的靠边。这样人们加冷却液与检测冷却液的多少，方便又舒适。散热器加冷却液口得上部内的径为33mm，上部内径为20mm，这是考虑到散热器盖得下密封面，及下密封面被内部压力顶起时泄压的顺畅性。加冷却液口上下密封面之间距离为20mm，这综合考虑到散热器的结构与尺寸参数，考虑到溢流管的布置位置，考虑到加冷却液口总高而定的。溢流管的溢压口在距加冷却液口下密封面10mm的地方，它用以保证冷却系统内的压力，以及散热器盖下密封衬垫被内部压力彻底打开时泄压与溢流的顺畅。散热器进水室上进液口位于正视靠左靠上的位置，因为从发动机缸体内出来的高温冷却液要由此口进入到散热器降温。因此此进液口的位置应该尽量靠上，以及保证高

20、温的冷却液能够顺畅无阻的进入并充满整个散热器，并且抑制进水室内的水倒流，进入发动机缸体水套。尽量地靠左边是为了避开右侧的加冷却液口，并且保证进水管的布置以及散热器与后面发动机的空间位置关系。根据附表（）得，散热器进出水管的规格尺寸。初步选用直径34mm的进水管，再根据要求进水管安装部分的外径必须大于进水管内径1mm。故散热器进水口的外径35mm，内径为33mm。进水口外径上分布有3圈斜齿环，它是为了保证进水口与进水管的装配牢固性而设计的。2.4.2下贮水箱的设计下贮水箱又称出水室，冷却液由进水室自上而下流经散热器芯部进入出水室。下贮水箱上接有冷却液流经冷却水泵进入发动机缸体水套的管道，还有更换

21、冷却液是的排水阀。考虑到散热器的整体尺寸与安装关系，再结合散热器芯部的尺寸参数设计散热器出水室的结构尺寸如图（）所示。 图（）散热器下贮水箱结构示意图 1、箱体 2、冷却管对接口 3、出水口 4、放液口 5、底座螺钉图中，散热器出水室水平长度为556mm是根据散热器芯部44排高频对焊管加45排管带的尺寸和再加上散热器左右框架及安装冷却风扇护风罩的之家的尺寸而定的。散热器出水室的水平宽度为44mm。这是根据散热器管带的宽度在考虑到与散热器框架与整体布局而定的。散热器进水室竖直高度为44mm。这是考虑到散热器进水室上焊装有与发动机水泵连接的出水水管口，与散热器整体的悬挂空间及美观性为出发点的。散热

22、器出水室出水管口内腔与出水室下底面相切，这是考虑到散热器出水顺畅，同时来自整个散热器内的水压也减轻了冷却系统水泵的工作阻力。出水管口还尽量靠右，这是考虑到整个冷却系统的布置，发动机进水管的布置以及散热器与发动机的空间位置。根据附表（）得，散热器进出水管的规格尺寸。初步选用直径34mm的进水管，再根据要求出水管安装部分的外径必须大于纯水管内径1mm。故散热器出水口的外径35mm，内径为33mm。出水口外径上分布有3圈斜齿环，它是为了保证出水口与进水管的装配牢固性而设计的。位于左下边的带内管螺纹的为散热器的放水阀。放水阀是在更换冷却流时打开让散热器内的冷却液流出的阀门。因此它的内径也与散热器出水室

23、的下底面相切，用以保证放水时散热器内的冷却液能彻底的排净以及放水时的出水压力。它外径为8mm，内径为5mm,是考虑到出水阀的规格尺寸而定的。在进水室下部两锥斜面上相距中心233mm处于对称的分布有两个底座螺钉。底座下表面相切有在螺钉上穿着的柔性垫片，用以吸阵，保证整个散热器悬挂的稳定性。2.4.3散热器盖设计现代汽车发动机强制循环水冷系统都用散热器盖严密的盖在散热器冷却液口上，使水冷系统成为封闭系统，通常称这种水冷系统为闭式水冷系统。密闭式水冷系统可使系统内的压力提高98196kpa，冷却液的沸点也相应的提高到120左右，从而扩大散热器与周围空气的温差，提高了散热器的换热效率。在散热器换热能力

24、增强的前提下就可以相应的减小散热器的尺寸，以达到材料和质量的进一步优化。此外，闭式水冷系统可以减少冷却液外溢及蒸发损失。散热器盖得作用是密闭水冷系统并调节系统的工作压力。当散热器盖盖在散热器加冷却液口上并锁紧时，散热器盖的上密封衬垫在压力阀弹簧的作用下与加冷却液口上的上密封面贴紧，散热器盖的下密封衬垫在压力弹簧的作用下与冷却液口的下密封面贴紧，这时水冷系统被密封。散热器盖的结构及工作原理如图 （） 所示。 图（）散热器盖结构及工作原理图当发动机工作时，冷却液的温度逐渐升高，冷却液的体积膨胀，使水冷系统内的压力增高。当压力超过预定值时，压力阀开启，一部分冷却液经溢流管流入补偿水箱，以防止冷却液胀

25、裂散热器。当发动机停机后，冷却液的温度下降，水冷系统内的压力也随之降低。当压力低于大气压力出现真空时，真空阀开启，补偿水箱内的冷却液流回散热器，可以避免散热器被大气压力压坏。补偿水箱内的液面有时升高，有时降低，而散热器缺总是被冷却液充满。在压力阀和真空阀的作用下补偿水箱还可以消除水冷系统中的所有气泡。不论水冷系统中有空气泡还是水蒸汽泡，都会降低传热效率，当水冷系统中有空气泡时还会增加金属被腐蚀的危险。因此散热器盖的设计也至关重要。（1）散热器盖基本参数的设计由于散热器盖是严密的盖在散热器加液口上的，因此散热器盖盖体与加液口的外径保证尺寸上的配合。散热器盖上的密封衬垫在压力阀弹簧的作用下与加冷却

26、液口上的上密封面贴紧，因此上密封衬垫的尺寸与加液口上密封面的尺寸也存在对应关系。散热器盖的下密封衬垫在压力弹簧的作用下与冷却液口的下密封面贴紧，因此下密封衬垫的尺寸与加液口下密封面的尺寸也存在对应关系。 图（）散热器盖结构图 1、散热器盖 2、上密封衬垫 3、压力弹簧 4、下密封衬垫 5、真空阀 6、压力阀 散热器盖要能完全的套在加冷却液口上，故她的内径应略大于加冷却液口得外径。上密封衬垫是盖在加冷却液口的上密封面上的，为了保证上下密封面的密封效果，在根据加冷却液口上密封面的尺寸参数，取散热器盖上密封衬垫的内外径分别为：32mm、36mm。上下密封衬垫间的距离是根据加液口上下密封面间的距离与散

27、热器盖盖上后的预压力而取20mm。下密封衬垫与加液口下密封面之间的密封程度要求比较高，因为冷却系统内的压力是考散热器盖下密封面所受弹簧的推理决定的。考虑到冷却系统冷却系统内压力过高泄压时，下密封面要向上滑行以打开加液口，因此下密封衬垫应尽量厚且直径略小于加液口小径。（2）压力阀弹簧的参数设计预设闭式水冷系统在系统内压力提高160kpa时，压力阀开启，一部分冷却液经溢流管流入补偿水箱。已知：散热盖器盖下密封面受冷却系统内压力的面积 根据情况当冷却系统内压力超过160Kpa时，系统内压力推动散热器盖内的下密封衬垫直到溢流阀被打开开始泄压。故可知弹簧的最大工作载荷 取Fmax=52N根据加冷却液口上

28、下密封面之间的距离与附表（）普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列（/1358-1993）选取弹簧的自由长度=24mm.在安装载荷FMIN作用下弹簧被压缩H1=20mm，其压缩变形量。在最大载荷FMAX的作用下弹簧长度减到H2=10mm，其压缩变形量。故弹簧的工作行程。根据工作情况及具体条件选定材料为碳素钢，在附表（ ）弹簧材料及其许用应力可以得出：所选类碳素钢弹簧钢丝的许用应力，再由附表（ ）弹簧钢丝的拉伸强度极限(GB/T4357-1989)可得钢丝直径d=1.2mm的碳素钢的拉伸强度极限在1620-1960之间，取1900mpa。根据安装空间及附表（ ）普通圆柱螺旋弹簧尺寸系列（GB/T1358-19

29、93）选取弹簧的中经D=12mm。再由附表（ ）常用旋绕比C值及附表（）选取弹簧丝直径1.2mm,C取10。故弹簧的曲度。试算弹簧丝直径d 故所选d符合设计要求。根据变形条件求出弹簧的工作圈数对于压缩弹簧所设计的弹簧的各种参数如表（）名称公式值（mm）中径DD=Cd12内径D1D=D-d10.8外径D2D=D+d13.2旋绕比C10压缩弹簧长细比bb=2自由长度H024工作长度h10有效圈数n3.42节距p5.2螺旋角244散热器放液阀设计放水阀是更换散热器冷却液以及维修排放冷却液不可缺少的一个部件，它要求能耐150多度的高温，耐腐蚀，耐高压，有很好的密闭型。根据散热器放水阀口的位置及阀口开关

30、的操作方式以及球阀：结构简单，开关迅速，操作方便，体积小，重量轻，零部件少，流体阻力最小，密封性好的特点，通常，在双位调节、密封性能严格、磨损、缩口通道、启闭动作迅速、高压截止（压差大）、低噪音、有气化现象、操作力矩小、流体阻力小的管路中，推荐使用球阀，因此散热器的放水阀采用速开速闭的球阀结构。具体结构与尺寸见图（）。 图（）放水阀结构示意图1、阀体 2、调整垫 3、阀盖 4、阀芯 5、密封圈 6、填料垫 7、填料 8、压紧套 9、扳手 10、阀杆3散热器材料在选择散热器的材料时，主要考虑以下几点：传热性能好、抗腐蚀能力强、具有足够的强度、有良好的钎焊性能、易于加工成型及好的经济性。根据以上要求，散热器行业一直以铜及铜合金作为制造散热器的主要材料。铜散热器的散热管的材料一般采用H9