發(fā)動機冷卻系統(tǒng)總體參數(shù)設計

1、一、 冷卻系統(tǒng)說明二、 散熱器總成參數(shù)設計三、 膨脹箱總成參數(shù)設計四、 冷卻風扇總成參數(shù)設計五、水泵總成參數(shù)設計六、橡膠水管參數(shù)設計七、節(jié)溫器選擇八、冷卻液選擇一、 冷卻系統(tǒng)說明 內燃機運轉時 ，與高溫燃氣相接觸的零件受到強烈的加熱，如不加以適當?shù)睦鋮s，會使內燃機過熱，充氣系數(shù)下降，燃燒不正常（爆燃、早燃等），機油變質和燒損，零件的摩擦和磨損加劇，引起內燃機的動力性、經濟性、可靠性和耐久性全面惡化。但是，如果冷卻過強，汽油機混合氣形成不良，機油被燃燒稀釋，柴油機工作粗爆，散熱損失和摩擦損失增加，零件的磨損加劇，也會使內燃機工作變壞。因此，冷卻系統(tǒng)的主要任務是保證內燃機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。

2、1.1 發(fā)動機的工況及對冷卻系統(tǒng)的要求一個良好的冷卻系統(tǒng)，應滿足下列各項要求：1） 散熱能力能滿足內燃機在各種工況下運轉時的需要。當工況和環(huán)境條件變化時，仍能保證內燃機可靠地工作和維持最佳的冷卻水溫度；2） 應在短時間內，排除系統(tǒng)的壓力；3） 應考慮膨脹空間，一般其容積占總容積的4-6%；4） 具有較高的加水速率。初次加注量能達到系統(tǒng)容積的90%以上。5） 在發(fā)動機高速運轉，系統(tǒng)壓力蓋打開時，水泵進口應為正壓；6） 有一定的缺水工作能力，缺水量大于第一次未加滿冷卻液的容積；7） 設置水溫報警裝置；8） 密封好，不得漏氣、漏水；9） 冷卻系統(tǒng)消耗功率小。啟動后，能在短時間內達到正常工作溫度。10

3、） 使用可靠，壽命長，制造成本低。1.2 冷卻系統(tǒng)的總體布置冷卻系統(tǒng)總布置主要考慮兩方面：一是空氣流通系統(tǒng)；二是冷卻液循環(huán)系統(tǒng)。在設計中必須作到提高進風系數(shù)和冷卻液循環(huán)中的散熱能力。提高通風系數(shù)：總的進風口有效面積和散熱器正面積之比30%。對于空氣流通不順的結構，需要加導風裝置使風能有效的吹到散熱器的正面積上，提高散熱器的利用率。在整車空間布置允許的條件下，盡量增大散熱器的迎風面積，減薄芯子厚度。這樣可充分利用風扇的風量和車的迎面風，提高散熱器的散熱效率。一般貨車芯厚不超過四排水管，轎車芯厚不超過二排水管。在整車布置中散熱系統(tǒng)中，還要考慮散熱器和周邊的間隙，散熱器到保險杠外皮的最小距離100毫

4、米，如果發(fā)動機的三元催化在前端的話，還要考慮風扇到三元催化本體距離至少100毫米，到三元催化隔熱罩距離至少80毫米。一般三元催化的隔熱罩到本體大概有15毫米，隔熱罩厚度為0.51毫米，一般材料為st12。貨車散熱器一般采用縱流水結構，因為貨車的布置空間也較寬裕。而且縱流水結構的散熱器強度及懸置的可靠性較好，轎車多采用散熱器橫流水結構，因為轎車車身較低，空間尺寸緊張。橫流水結構散熱器能充分地利用轎車的有限空間最大限度地增加散熱器的迎風面積。散熱器分成水冷和風冷兩種冷卻形式，風冷主要用在行駛在沙漠地帶的車輛的冷卻，但是決大多數(shù)的車輛采用水冷冷卻形式。散熱器懸置布置：散熱器通常為四點懸置，也可以采用

5、三點懸置。其中主懸置點為2個，輔助懸置點為2個或1個。所有懸置點應布置在同一個部件總成上，改善散熱器受力情況，以盡量減少散熱器的振動強度。主懸置點與其連接的部件總成之間以膠墊或膠套等柔性非金屬材料過渡以達到減震的目的。主懸置點的膠墊壓縮量一般為其自由高度的1/5左右。少數(shù)轎車因其整車的減振膠墊或膠套而進行剛性連接。中，重型載貨汽車由于散熱器的質量大及使用環(huán)境較差，一般要在散熱器的外部增加一個剛性較大的保護框架，以防止振動等外界力直接作用在散熱器上。懸置點設置在框架上。輕型貨車和轎車一般不加保護框架，懸置點設置在散熱器的側板或水室上。為提高散熱器強度一些車散熱器上加有十字拉筋。護風罩的作用是確保

6、風扇產生的風量全部流經散熱器，提高風扇效率。護風罩對低速大功率風扇效率提高特別顯著。風扇與護風罩的徑向間隙較小，風扇的效率越高。但間隙過小，車在行駛中由于振動會造成風扇與護風罩之間的干涉。風扇與護風罩之間的徑向間隙一般控制在5mm25mm。當風扇與護風罩之間的干涉。風扇與護風罩安裝在同一零部件總成上（如同在底盤或同在車身上）其徑向與相對運動，風扇與護風罩之間的間隙可以下線，否則取上限。風扇與護風罩的軸向位置一般為：風扇徑向投影寬度的2/3在護風罩內，1/3在護風罩外，以增加導流減小背壓。在大批量生產的車型中多采用塑料護風罩。鐵護罩多用于批量小或直徑較大的車型中。在某些車型中，特別是轎車，護風罩

7、在常開有多個窗口并加以單向簾布。當車速較高，風扇停止運轉時簾布打開減小護風罩的風阻，當風扇啟功后，簾布關閉提高風扇效率。風扇直徑大小應和散熱器的形狀相協(xié)調，條件允許時可增大風扇的直徑，降低風扇轉速。以達到減小功率消耗和降低噪音的目的。在某些散熱器長，寬比例相差較大時，如轎車散熱器，有時采用兩個直徑較小的風扇所取代。特別是要求轉速較高的風扇中已全部采用塑料風扇。電動風扇是由電動機來驅動風扇，電動機的啟動與停止是受水溫直接感應的溫度開關來控制。電動風扇具有起動溫度與設定溫度一致，布置位置靈活，不受發(fā)動機轉速的影響，汽車在低速怠速時冷卻效果好等優(yōu)點，冷車啟動時水溫上升較快。但也多用于發(fā)動機橫置的轎車

8、。目前汽車上應用的節(jié)溫器均采用蠟式感應體節(jié)溫器。當冷卻水溫溫度升高時蠟膨脹，節(jié)溫器開啟，冷卻水流經散熱器進行大循環(huán)。當冷卻水的溫度降低時蠟體積縮小，節(jié)溫器關閉，冷卻水不經過散熱器，短路流經發(fā)動機剛體進行小循環(huán)。節(jié)溫器一般布置在發(fā)動機的出水口處。要求節(jié)溫器的泄漏量小，全開時流通面積大。增大節(jié)溫器的流通面積可以通過提高節(jié)溫器閥門的升程和增加閥門的直徑來實現(xiàn)。國外較先進的節(jié)溫器多通過提高閥門升程來增大流通面積，這樣可以減少因增大節(jié)溫器閥門直徑帶來的卡滯，密封不嚴等問題。但是增大節(jié)溫器的升程，對節(jié)溫器技術要求較高。有些發(fā)動機為增加節(jié)溫器的流通面積多采用兩只節(jié)溫器并聯(lián)結構。水泵的流量及揚程根據(jù)不同的發(fā)動

9、機而定。流量一般為發(fā)動機額定功率的1.52.7倍。，揚程一般為0.7kpa1.5kpa，揚程過高對冷卻系統(tǒng)的密封性會產生不利的影響。水泵的可靠性主要取決于水封和軸承，軸承普遍采用軸連軸承及永久式潤滑結構，水封采用陶瓷，碳化硅動環(huán)和石墨靜環(huán)整體式水封。軸承的游隙及水封的氣密性要嚴格控制。盡量靠近散熱器布置，使得水管長度最短；膨脹箱的高度要高于冷卻系統(tǒng)所有部件。1. 3冷卻系統(tǒng)主要部件匹配設計要點在整車總布置空間允許的條件下，盡量增大散熱器的迎風面積。在保證風量不變的條件下，可以適當增加風扇直徑，降低風扇轉速，減少噪聲和功率消耗。冷卻系統(tǒng)的最高水溫應以發(fā)動機的允許使用水溫為標準。節(jié)溫器的全開溫度應

10、為發(fā)動機正常工作水溫范圍的中限，開啟溫度應為發(fā)動機正常工作水溫范圍的下限。但因節(jié)溫器的自身特性，開啟溫度一般低于全開溫度10攝氏度左右。1.4冷卻系統(tǒng)輪廓圖（例子）1.散熱器張緊板 2.六角法蘭面螺栓 3.橡膠襯套 4.散熱器總成 5.彈性卡箍 6.發(fā)動機出水管 7.彈性卡箍8.水管膨脹箱至散熱器 9.水管卡片 10.六角法蘭面螺栓 11.管夾 12.六角法蘭面螺栓 13.膨脹箱總成 14.彈性卡箍 15.水管膨脹箱至水泵 16.水管發(fā)動機至膨脹箱 17.彈性卡箍 18.發(fā)動機進水管 19.彈性卡箍 20.彈性卡箍 21.暖風機進水管 22.彈性卡箍 23.暖風機出水管 24.橡膠軟墊 25.

11、六角法蘭面螺栓 26.風扇電機帶護風圈總成一冷卻系的主要設計參數(shù)1. 發(fā)動機主要參數(shù)：類型：水冷4沖程，直列4缸SOHC VTEC ，16氣門橫置氣缸直徑與行程：86.0mm97.0mm發(fā)動機排量：2254ml壓縮比：8.9：1 最大功率：110kw/5700rpm 最大扭矩：612N.m/4900rpm在設計或選用冷卻部件時應以散入冷卻系統(tǒng)的熱量Q為原始數(shù)據(jù)，來計算冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水量和冷卻空氣量：用經驗式A- 燃料熱能傳給冷卻系的分數(shù)，取同類機型的統(tǒng)計量，%，汽油機A=0.230.30，取A=0.25-燃料消耗率，kg/kw.h；汽油機0.2050.320 取0.25-發(fā)動機有效功率，取最大

12、功率110kw若水冷式機油散熱器，要增加散熱量，增大5%10%.在算出發(fā)動機所需的散走的熱量后，可計算冷卻水循環(huán)量 -冷卻水循環(huán)的容許溫升（-），取-水的密度，（1000kg/）-水比熱（4.187kJ/kg.）實際冷卻水循環(huán)量為冷卻空氣需要量：-散熱器前后流動空氣的溫度差，取20-空氣密度，一般取1.01kg/-空氣的定壓比熱，可取=1.047kJ/kg.二散熱器設計1.散熱器的計算所根據(jù)的原始參數(shù)是散熱器散發(fā)的熱量和散熱器的外形尺寸。散熱器散發(fā)的熱量就等于發(fā)動機傳給冷卻液的熱量。已知散熱器散發(fā)的熱量后，所需散熱面積F可由下式計算： K-散熱器的傳熱系數(shù) -散熱器貯備系數(shù)，水垢及油泥影響等，

13、一般=1.11.5，取1.1-冷卻水與空氣的平均溫差，取散熱器的不同部位，其冷卻水與空氣溫差不同，通常采用平均溫差，平均溫差可由下列式計算: 散熱器進水溫度，取 散熱器出水溫度，取空氣進入散熱器時的溫度，取 空氣離開散熱器時的溫度，取從冷卻水到散熱器壁的放熱系數(shù),當冷卻水流速為0.20.6m/s時，約為20003500，取3500。散熱管導熱系數(shù)，純鋁導熱系數(shù)為230W/m.k,換算為散熱管壁厚，0.0002m散熱管到空氣的散熱系數(shù)，當流過散熱管的空氣流速為1020m/s時，=60105，取105。散熱面積 2.散熱器細節(jié)計算在計算出散熱面積后，就是散熱器芯部的選擇。從結構上分主要有管片式和管

14、帶式兩種（如圖1）。這里選用管帶式散熱器。根據(jù)汽車行業(yè)標準QC/T29025-1991,選擇如下芯子：冷卻管選取高頻對焊型冷卻管型號，=2mm ,L=16m,如圖1選用型雙排冷卻管，如圖2圖1圖2圖3C=L+4=20mm d=+1=9mm T=(2-1)C+2d=38mm取b=10mm,t=4mm芯厚T、芯寬W和芯高H ,見圖4圖4H取420mm,W取530mm,T為38mm散熱器正面積（迎風面積）為每片散熱帶的有效散熱面積（雙面）所需管帶數(shù)為散熱帶總散熱面積所需冷卻管數(shù)為每根冷卻管表面積約為冷卻管總表面積約為總散熱面積，滿足散熱面積要求。三 膨脹箱總成設計1設計原則冷卻液在發(fā)動機冷卻回路流動

15、，隨溫度升高體積膨脹，為吸收這部分膨脹體積而設置了膨脹箱。具有膨脹箱的冷卻系統(tǒng)根據(jù)膨脹箱有無加壓分為兩種：系統(tǒng)A：在加壓系統(tǒng)內具有冷卻液的膨脹空間（膨脹箱），冷卻液循環(huán)到膨脹空間中，進行氣液分離。膨脹箱應耐熱、耐壓，位置高于散熱器并保持系統(tǒng)內壓力適宜。系統(tǒng)B：在加壓系統(tǒng)內具有冷卻液的膨脹空間（膨脹箱），僅在溢流至膨脹箱時進行氣液分離。膨脹箱耐熱性、容量、位置要求低些。膨脹箱由兩個注塑件組成，通過焊接（熱焊、超聲波焊接）組成一體。形式不一 四冷卻風扇的選擇根據(jù)發(fā)動機參數(shù)與參考同類型的汽車發(fā)動機，選擇軸流式電動風扇。它用裝在散熱器上的石蠟式溫控開關控制（控制水溫8797），自動控制風扇電機的運轉，

16、保持發(fā)動機溫度正常。這種自動控制的冷卻系統(tǒng)啟動暖機快，布置較自由。風扇的性能參數(shù)包括風量V、壓頭、功率。1. 冷卻空氣需要量，考慮到風量的漏損，風扇的風量要比計算所得的風量大，即， 考慮到漏損的系數(shù)，通常=1.051.15，取1.06。2. 風扇的壓頭，其中散熱器風阻（Pa） 除散熱器外的風道阻力 ，根據(jù)經驗數(shù)據(jù)=200500Pa 取400Pa。3. 風扇的功率，其中風扇效率，一般=0.30.6，取0.5。根據(jù)風扇性能參數(shù)與參考同類型風扇，本次設計，葉片材料選擇塑料聚丙烯（PP）,斷面形狀為翼形，前彎式葉片（如圖1），葉片安裝角（葉片與風扇旋轉平面成的角度）一般為，取為，葉片數(shù)量取為7片，葉片

17、數(shù)為奇數(shù)，可有效降低風扇噪聲。 風扇直徑取為420mm,葉片寬度為48mm,輪轂比（風扇直徑與風扇輪轂直徑的比值）取0.30，葉片間隔角不等，以減輕葉片旋轉時的振動和噪聲。風扇風量Q與風扇直徑D、風扇轉速n之間存在如下的關系。,K為比例系數(shù)。a.標準葉片 b.前彎葉片 c.后彎葉片圖1五、水泵的選擇和參數(shù)計算水泵的作用是讓冷卻發(fā)動機所需要的冷卻液產生循環(huán)，根據(jù)所給的發(fā)動機動力參數(shù)，以及參考同類型發(fā)動機，水泵采用離心式水泵，半開式葉輪，葉輪采用灰鑄鐵HT200,后彎式葉片，葉片數(shù)位7,水泵殼體采用灰鑄鐵H150,進出水管與殼體鑄成一體。具體計算過程如下：2. 發(fā)動機主要參數(shù)：類型：水冷4沖程，直

18、列4缸SOHC VTEC ，16氣門橫置氣缸直徑與行程：86.0mm97.0mm發(fā)動機排量：2254ml壓縮比：8.9：1 最大功率：110kw/5700rpm 最大扭矩：612N.m/4900rpm一葉輪計算1.軸孔直徑d按內燃機冷卻水泵水封系列推薦的數(shù)據(jù)，并參考同類型冷卻水泵的實際數(shù)據(jù)，選取d=0.020m2.輪轂直徑 dh=d+0.013=0.033m3.進水環(huán)面當量直徑 Dk Dk=k0 =0.052m k0取5.54進口直徑 D0=0.06m/s5.葉片進口邊直徑 D1=D0=0.06m6.軸向進水速度 VD=2.89m/s7.徑向進水速度 VDr=0.85VD=0.852.89=2

19、.46ms8.進口安裝角1 1=9.進口高度 b1=0.018m限于允許的軸向尺寸，取b1=0.013m 半開式葉輪進口容積效率=0.7 10.葉片數(shù)量z 為獲得一定的流量 取z=711.葉片厚度 s=0.005m12.進口排擠系數(shù) =13進口軸面速度 14.進口絕對速度V1 ,設進口無預旋，V1= V1r=3.98m/s15.進口圓周速度1=21.4m/s16.進口安裝角校核 （1）=(2) 沖角 由于進口安裝角取值較大，沖角相應加大17.揚程系數(shù) 小型高速泵取較小的值18.出口圓周速度 19葉輪外徑 20.出口軸面速度 21.出口安裝角 =22.葉片出口高度取0.9 取0.018m二渦室計

20、算1.渦室基圓直徑 2.隔舌安放角 3.隔舌寬度角 4.隔舌直徑 5.渦室寬度 取葉輪蓋板厚度 葉輪蓋板側隙6.渦室中的流速 7.第斷面面積F=根據(jù)泵的特點，渦室采用矩形斷面，各斷面面積分別為或F=F= F= F= F= F= F= F= F= F = F=F= F=F= 相應的可分別計算 R=0.032m R=0.028m R=0.025m R=0.022m R=0.018m R= 0.013m R=0.009m R=0.006m 三進水管計算1.進水管內水速 2.進水管直徑 根據(jù)配套需要，取四出水管計算1.出水管處水速 2.出水管直徑 同樣取六橡膠水管參數(shù)發(fā)動機冷卻回路中的水管具有吸收發(fā)動機振動和散熱器相對運動的作用。因此，耐熱性、耐臭氧性、耐壓性、對冷卻液的適應性及柔軟性是水管應具有的性能。在實際使用中，壁厚4mm以上的橡膠硬度為6070HS。從柔軟性方面考慮，中間加強型管子用60HS，純橡膠為70HS，采用中間加強型，其構造如圖1所示。編織加強型的水散熱器，螺旋管多用于被加熱的管子，針織加強型用于直徑差異較大的變徑管。從管子連接處的密封考慮，管子內徑比與其連接管的外徑小1mm，膠管兩端與其它管相連接時，應有30mm的插入量。1、散熱器