发动机冷却系统设计规范

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冷却系统设计规范

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厦门金龙联合汽车工业有限企业技术中心

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一、概述

要使发动机正常工作，必须使其得到适度口勺冷却，冷却局限性或冷却过度均会带来严

重的影响。

冷却局限性，发动机过热，会破坏各运动机件本来正常的配合间隙，导致摩擦阻力增

长，磨损加剧，尤其是活塞环和气缸壁之间的运动，严重时会发生烧蚀、卡滞，使发动机

停转或者发生“拉缸”现象，刮伤活塞或气缸，更严重时还会发生连杆打烂气缸体现象。

也会使润滑油变稀，运动机件间的油膜破坏，导致干摩擦或半干摩擦，加速磨损。同步会

减少发动机充气量，使发动机功率下降。

发动机过度冷却时，由于冷却水带走太多热量，使发动机功率下降、动力性能变差。

发动机过冷，气缸磨损加剧。同步，由于过冷，混合气形成的液体，轻易进入曲轴箱使润

滑油变稀，影响润滑作用C

由此可见，使发动机工作温度保持在最合适范围内的冷却系，是何其重要C一般地，

发动机最合适的工作温度是其气缸盖处冷却水温度保持在80℃"90℃,此时发动机口勺动力

性、经济性最佳。

二、冷却系统设计的总体规定

a）具有足够的冷却能力，保证在所有工况下发动机出水温度低于所规定时许用值（一

般为55°）；

b）冷却系统的设计应保证散热器上水室的温度不超过99℃0

c）采用105kPa压力盖，在不持续工况运行下，最高水温容许到110C,但一年中

水温到达和超过99勺时间不应超过50k

d）冷却液H勺膨胀容积应等于整个系统冷却液容量的6%。

e）冷却系统必须用不低于19L/minH勺速度加注冷却液，直至到达应有的冷却液平面,

以保证所有工作条件下气缸体水套内冷却液能保持正常H勺压力。

三、冷却系统的构成

液体冷却系重要由如下部件构成：散热器、风扇、风扇护风罩、皮带轮、风扇离合器、

水泵、节温器、副水箱、发动机进水管、发动机出水管、散热器除气管、发动机除气管等。

1、散热器

散热器日勺散热量（Q）和散热器散热系数（K）、散热器散热面积（A）及气液温差

（ZJT）有关：Q=K・A・/T

其中：Q—散热器H勺散热量（kcal/h）

K--散热器散热系数（kcal/m2-h-℃）

A---散热器散热面积（m2）

/T-—气液温差：散热器进水温度和散热器进风温度之差(℃)

散热器日勺散热系数是代表散热效率的重要指标，重要影响原因如下：

①冷却管内冷却液的流速-一据试验成果，冷却液流速由0.2m/s提高到0.8m/s,散热效

率有较大提高，但超过0.8m/s后，效果不大；

②通过散热器芯部的空气流量--空气的导热系数很小，因此散热器的散热能力重要取决

于空气的流动，通过散热器芯部的风量起了决定性作用；

③散热器的材料和管带的J厚度--国内散热器的材料目前基本上已原则化；

④制造质量--重要是冷却管和散热带之间的J贴合性和焊接质量；

1.1散热器是冷却系统中日勺重要部件，其重要作用是对发动机进行强制冷却，以保证发

动机能一直处在最合适H勺温度状态下工作，以获得最高的动力性、经济性和可靠性。

1.2发动机最合适的冷却液温度为85℃~95℃,测量位置在散热器的上水室。

1.3散热器和风扇组合匹配效率是当散热器芯子未被气流扫过的面积最小时为最高，因

此，最佳采用靠近正方形内散热器芯子。

1.4散热器口勺总散热面积、芯子的迎风面积、构造形状和构造尺寸要通过发动机冷却系

统所需最大散热量来计算确定，并应通过试验评价来最终确定。但一般可按散热器芯子口勺

迎风面积来估算：0.31~0.38m2/100kW,载货车和前置客车通风良好时，可取下限值；后置

客车通风欠佳时可取上限值；都市公交车长期低速运转可偏下限值；自卸车、牵引车、山

区长途客运车等常常大负荷运行日勺车辆可偏上限值。

1.5散热器进风口的实际面积不得不不小于散热器芯子迎风面积的80%,以防止散热能

力下降。后置客车散热器日勺进风通道要与发动机舱密封隔离，散热器周围要安装密封橡胶,

以防止发动机舱日勺热风回流到进风通道，影响散热性能；进风通道日勺面积应小小小小于散

热器芯子的迎风面积。

1.6在灰尘多日勺脏环境下使用时，应选用直排或斜排冷却管，且管子间隔要大，以防止

散热器芯子堵塞，影响散热效果。

1.7散热器安装时，紧固必须牢固，与车架n勺连接必须采用减振垫，采用减振垫的目的

是为了隔离和吸取来自车架口勺部份振动和冲击，使散热器在车辆运行中，不致发生振裂、

扭曲等非正常损坏，延长散热器寿命。

1.8由于散热器与车架之间安装有隔振橡胶，因而形成了绝缘状态，通过冷却液介质，

在散热器与车架之间产生了电位差，在冷却液中产生了微弱电流，使冷却系统的零部件发

生电腐蚀。因此，一定要采用散热器负极接地等措施，消除电位差，防止电腐蚀。

2冷却风扇

风扇选型重要考虑风扇日勺风量、噪声和功率消耗。

风扇风量（G）与风扇直径（D）、风扇转速（n）之间存在如下比例关系：

G=K1.......n-D3-------其中K1为比例系数

而风扇噪声日勺声压级（SPL）和风扇直径（D）、风扇转速（n）之间存在如下比例关系：

SPI尸K2.......n3*D2------其中K2为比例系数

根据上述比例关系可得：SPL=K3.......Q.........n2/D-------其中K3为比例系数

2.1冷却风扇首先要满足冷却系统对风量和压头的需要；同步要消耗功率小、风扇效率

高，且有较宽的高效率区；风扇噪声小，重量轻，成本低等。目前普遍采用日勺有金属风扇

和塑料风扇两种，风扇叶片应具有足够的强度，以防车辆涉水时，折断风叶；在寒冷地区

使用，推荐选用带硅油离合器的风扇。

2.2确定风扇直径与转速时，要注意风扇叶尖的圆周速度小小小于91m/s,后置客车小小

小于100m/s,否则对风扇噪声和强度都不利。风扇宜径尽量与散热器芯子迎风尺寸基本相

似，以便风扇扫过的面积尽量大地覆盖散热器芯子的迎风面积，使气流全面地通过散热器。

2.3为考虑冷却系整体阻力，通过散热器芯部日勺压差不应不小于所选风扇特性曲线中最

大工作压力口勺70%；风扇口勺风压、风速等设计应按发动机在标定工况下和在最大扭矩工况

卜,冷却水所需最大散热量来计算确定，并经整车冷却系统的试验评价来最终确定。

2.4为充足运用车辆行驶时的迎风速度，车用发动机风扇都采用吸风式；风扇前端面至

散热器芯子日勺距离应不小于5()mm,有助于气流均匀通过散热器芯部整个而积，尤其是散

热器的四角；冷却风扇后端面至发动机前端面的距离应不小于10()mm,至其他零部件日勺

距离应不小于20mm,以最大程度地减少风扇噪声及叶片振动，并改善发动机的气流状况,

满足发动机的冷却需要。

2.5假如风扇装在水泵皮带轮上，一般不容许加装风扇垫块，假如总布置设计必须加风

扇垫块时，假如风扇装在曲轴前端，风扇与连接法兰之间必须装有橡胶减振器，用于吸取

曲轴的扭振，防止叶片扭振断裂，同步防止影响曲轴系平衡；后置客车风扇一般由曲轴皮

带轮通过惰轮驱动，风扇驱动皮带和风扇皮带必须分别设置皮带张力调整机构。曲轴皮带

轮和惰轮，惰轮和风扇皮带轮的轮槽必须分别在一种平面上，皮带和皮带轮的交差角应控

制在0.5°以内，必须先调整好后之后再安装皮带，否则会损坏皮带、皮带轮或轴承，甚

至会发生皮带翻转或脱落,

2.6安装风扇时，不可使用弹簧垫圈，由于弹簧垫圈能使风扇托架产生预紧力，影响强

度。

3风扇护风罩

W

式

箱

式

文

式

式

箱

式

杜艮

环

环

式

式

吹

风

风

3.1风扇护风罩是为了提图风扇日勺冷却效率，使通过散热器芯部日勺气流均匀分布，并减

少发动机舱内热空气回流而设计日勺，因此，设计风扇护风罩时应注意技术日勺合理性。

3.2对于前置发动机，风扇护风罩日勺设计分整体式和分开式两种；对于后置式发动机，

一般都采用整体式。分开式护风罩两部分之间有相对运动，必须用帆布圈柔性密封连接。

3.3护风罩与风扇叶尖H勺径向间隙应尽量小，以保证风扇冷却效率。当采用分开式护风

罩时，风扇与护风罩无相对运行，其径向间隙应不超过风扇直径的I1.5%,或者5mm70

mm；当采用整体式护风罩时，风扇与护风罩有相对运动，其径向间隙也不应超过风扇直

径/、J2.5%,或者15mm~20mm。

3.4应注意护风罩构造设计的合理性，不应有阻挡风扇气流的死角。

3.5风扇伸入护风罩的轴向位置，与进气效率有很大关系，对于吸风式风扇，风扇叶片

的投影宽度应伸入护风罩内2/3为宜。

3.6在安装护风罩时必须注意，护风罩与散热器之间不得有缝隙，应采用橡胶或泡沫塑

料垫加以密封，以保证冷却效率不减少。

3.7驾驶员应常常检查风扇与护风罩之间的径向间隙，以保证发动机风扇与散热器发生

相对位移时，风扇与护风罩之间小产生碰触。

4压力盖

4.1为满足冷却系最高工作温度为99℃的规定，冷却系必须采用压力盖，以保证密封式

冷却系H勺冷却液能保持一定日勺压力，从而提高冷却液日勺沸腾温度，可使发动机在高温条件

下不产生沸腾，保证发动机工作安全；可使冷却液温度与环境大气温度之间液一一气温差

变大，从而提高散热器时散热能力；可以减轻或消除冷却液循环中的气泡和气阻现象，保

证冷却液实际循环流量的稳定，让足够的冷却液把热量从发动机内带走；可以减缓或消除

发动机水套内高温壁面上的膜态换热，改善热传导质量，使受热表而得到良好内冷却。

4.2在无膨胀水箱的冷却系中，压力盖装在散热器上水室附加注口上；在有膨胀水箱的

冷却系中，压力盖装在膨胀水箱日勺加注口上。压力盖启动压力一般有5()kPa、7()kPa、90kPa、

105kPa四种，应根据使用地区海拔高度选定，以赔偿由于海拔高度上升引起H勺大气太力下

降。推荐压力盖日勺启动压力为50kPa〜90kPa,在高原地区使用时为105kPa。

5膨胀水箱

5.1当冷却系采用低位密封式散热器时，必须增设高位膨胀水箱，它的重要功能是给冷

却液提供一种膨胀空间，及时清除冷却液中积滞口勺空气以及发动机高温下产生的水蒸汽，

以便更有效地运用散热器的散热功能，提高冷却效率。

5.2膨胀水箱的总容积应包括占冷却系统总容积6%日勺膨胀容积、占冷却系统总容积10%

的储备容积以及必备的残留容积。储备容积是为了保证冷却系由于微量不能察觉的泄漏和

冷却液蒸发后仍能保持水套内正常的水压，而能及时补充冷却液，延长补液周期；必备的

残留容积是为了安全起见，防止冷却液在循环中吸入空气而设置的，规定冷却液的最低液

面至膨胀水箱的底面距离不不不小于35mm,因此，必备的残留容积应不不不小于35mm

X膨胀水箱底平面面积。计算冷却系总容积时，应注意将带有日勺水空中冷器和取暖器的容

积计算在内。

5.3膨胀水箱应设置最高液面和最低液面标志，最高液面的上方应有不不不小于规定的

膨胀容积，该容积内不可以加注冷却液；最低液面与最高液面之间H勺容积应不不不小于规

定的储备容积；膨胀水箱还应设置最低液面的液位传感器，以便提醒驾驶员及时添加冷却

液。

5.4膨胀水箱上部应设置两个除气管接口，推荐除气管内径为6.5mm〜8mm,以便散热

器和发动机水道持续除气c

5.5布置膨胀水箱位置时，它的底平面至少应高出发动机水道顶部或散热器上水室顶部。

5.6第一次加注冷却液时，应同步将散热器下部和发动机水套下部的放水开关打开，直

到有冷却液溢出时再关闭，以便消除残留空气，顺利地将冷却液加满。

6散热器管路

6.1连接发动机与散热器之间的管路应尽量短而直，减少弯曲；总布置需要拐弯时，管

子的曲率半径应尽量大，以减少管道阻力，且管路的弯角处或截面变化处必须圆滑过渡；

对后置发动机，散热器侧置，管路较长的布置，则管路应沿水流方向合适上翘，防止采用

水平布置和拱形布置的管路，以利于冷却系中空气和蒸汽日勺排出，应尽量防止前低后高日勺

管路布置，如确有必要，则应在发动机水道最高点设置放气阀，加注冷却液时应打开该放

气阀，让发动机水套内的气体及时排出。

6.2所有管路要有一定的柔性，以适应发动机和散热器之间的相对运动，防止散热器的

管口振裂。水泵进水管应有一定日勺刚性，以免发动机工作时被吸扁。

6.3散热落日勺管路可用成形胶管或金属接管加胶管接头；金属接管要进行防锈处理，外

径和发动机进出水口部位的管径相似或稍大；成形胶管或胶管接头日勺内径应和发动机进出

水口日勺外径相似或稍大；胶管壁厚应在5mm以上，且加有一层纤维，具有耐热、耐油性,

能在-40℃~120℃温度下长期正常使用，耐压能力应超过300kPa；如管路较长时，应对

冷却管路固定，固定间隔约500mm；金属接管插入连接胶管H勺长度应不小于50mm,并

采用平板带式卡箍紧固，卡箍到胶管边缘的距离为5mm-10mm。

7冷却液

7.1发动机规定使用长期有效防冻防锈液，它是具有50%的水和50%的乙二醇的溶液（容

积比），在原则大气条件下，沸点为108℃,冰点为-37℃o试验证明，这种防冻防锈液对

多种金属和橡胶都无腐蚀作用，更换周期为2年。

7.2使用这种长期有效防冻防锈液，可以防止冷却器内腔结垢，减少水套穴蚀和锈蚀；

提高炎热季节时日勺沸点，在冬季时可以防冻；在密封良好日勺冷却系中，无需常常添加冷却

液，减少保养工作量。

8水温报警器

8.1发动机在正常工作条件下，最合适的冷却液工作温度为85℃~95C,仪表板上必须

安装冷却液温度表，并用颜色区别温度范围，推荐60℃〜80C为黄色区域；85℃~95℃为

绿色区域；996~110°C为红色区域。推荐设置高温报警装置和超高温自动保护装置，即

当冷却液温度到达99°C时，仪表板上应有红灯闪或者蜂鸣器报警；当冷却液温度上升到

110℃时，发动机应自动回到怠速状态。

8.2发动机长期在99°C下工作，将导致润滑油加速变质，发动机和冷却系中弹性非金属

零件加速硬化，因此，在99℃和超过99°C时的工作时间应尽量短，每年合计不应超过

50ho

五、冷却系记录算措施

1.安装效率

设：n=Qw/Ql

其中：n——安装效率

Qw----散热器散热量kcal/h

Qt-----水套散热量kcal/h

2.散热器散热量计算

根据《柴油机设计手册》：

Qw=GaXCpa(tao-tai)-------------------------------------(1)

Qw=GwXCpw(twi-two)-------------------------------------(2)

Qw=KXA[(twi+two)-(tao+tai)]/2-----------------(3)

其中：twi一一散热器进水温度(℃»

two一一散热器出水温度(℃)

tao一一散热器出风温度(℃)

tai一一散热器进风温度(℃)

K-----散热器散热系数(kcal/m2-h•℃)

A-----散热器散热面积(m2)

Cpa——冷却空气比热(kcal/kg-℃)

Cpv----冷却液比热(kcal/kg•℃)

Ga----冷却空气流量(kg/h)

Gw----冷却液流量(kg/h)

由(1)和(2)式分别导出two和tao代入(3)式得：

Qw=twi-tai/(l/KA+1/2GwXCpw+1/2GaXCpa)

式中twi-tai为冷却性能评价指标，即冷却常数(气液温差)。一般由试验获

得。

设：Z1T=twi-tai

H=l/(l/KA+1/2GwXCpw+1/2GaXCpa)——(4)

H-一散热器散热率(kcal/h*℃)

贝lj：q=Qw/Ql=HXZ1T/Qt

对于安装效率n来说，相似的车身、相似的发动机系统布置，安装效率基本不变。H

可根据散热器性能试验成果计算出，Qt可由发动机厂家提供。因此可根据试验成果计算出

每种基本车型的安装效率°当进行改善设计或变型设计时，已知安装效率n就可以计算出

气液温差/T,从而定量分析冷却系统日勺冷却能力。

六、注意事项

a)检瓷膨胀水箱日勺容积和安装位置。

b）将膨胀水箱日勺两根除气管换上透明的塑料股管，观测其除气状况，当发动机怠速

运转5min之后，应能消除气泡。

c）评价水泵皮带轮附加H勺风扇垫块长度；检查曲轴前端安装日勺风扇有可靠的减振装

置。

d）检查风扇径向间隙及风扇前端与水箱的间隙、风扇伸入量符合规定。

e）检查冷却系统管路向布置合理性和紧固口勺可靠性。

f）设计安装完毕后冷却性能与否能到达规定，还需通过试验来验证。

七、冷却系统的冷却性能试验

冷却系统日勺冷却性能可通过冷却系平衡温度试验来评价。试验可在转鼓试验台上模拟

道路状况完毕；也可在平坦水泥路面上用负荷拖车法实现；还可在坡道上行驶近似替代，

坡度8%左右，坡长10km左右。试验时，规定环境温度不小于25C（如