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汽车冷却系统设计要求

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2020年4月19日
文档仅供参考
汽车冷却系统设计

—— 叶海见

汽车冷却系统设计 1
一、概述 2
二、要求 2
三、结构 2
四、设计要点 2
（一）散热器 2
（二）散热器悬置 2
（三）风扇 2
（四）副水箱 4
（五）连接水管 4
（六）发动机水套 4
五、设计程序 4
六、匹配 4
七、设计验证 4
八、设计优化 4

一、概述
二、汽车对冷却系统的要求
（一）汽车对冷却系统有如下几点要求
1、保证发动机在任何工况下工作在最佳温度范围；
2、保证启动后发动机能在短时间内达到最佳温度范围；
3、保证散热器散热效率高，可靠性好，寿命长；
4、体积小，重量轻，成本低；
5、水泵，风扇消耗功率小，噪声低；
6、拆装、维修方便。
（二）冷却系统问题对汽车的影响
1、冷却不足时，会导致内燃机过热，充气系数下降，燃烧不正常（爆燃、早燃等），机油变质和烧损，零部件摩擦和磨损加剧（如活塞、活塞环和缸套咬伤，缸盖发生热疲劳裂纹等），引起内燃机的动力性、经济性、可靠性全面恶化。
2、冷却过剩时（40～50℃），汽油机混合气形成不良，机油被燃油稀释；柴油机工作粗暴，散热损失增加，零部件磨损加剧（比正常工作温度工作时大好几倍），也会使内燃机工作变坏。
三、冷却系统布置选型
（一）冷却系统结构

1、分类：
液体冷却
蒸发冷却
简单蒸发冷却
以加注冷却液来补偿冷却介质蒸发损失的蒸发冷却。
带辅助水箱的蒸发冷却
用辅助水箱补充冷却介质的蒸发冷却。
带冷凝器的蒸发冷却
蒸发的冷却介质在冷凝器中凝结后，通。过冷却回路流回到发动机加水箱的蒸发冷却。
循环冷却
对流冷却
利用热虹吸作用使冷却液自然循环的冷却方式。
强制
冷却
开式强制冷却
冷却介质不进行再循环的强制。冷却方式。
单循环强制冷却
冷却介质在冷却水箱、冷却塔、管式冷却器、散热器等中进行冷却的强制冷却方式。
双循环强制冷却
利用副回路（外循环）中的冷却液在热交换器中对发动机冷却介质进行再冷却的强制冷却方式。
空气冷却
自然空气冷却
利用自然空气循环的冷却方式。
强制空气冷却
利用风扇迫使空气循环的冷却方式。
2、常见结构：
（1）基本结构。
组成：发动机水路、水泵、节温器、散热器、风扇以及连接管路。
原理：散热器上水室兼起膨胀水箱或者补偿水箱的作用。
注意事项：为保证冷却系统排气顺畅，加水充分，排水彻底，散热器的上水室加水口处为冷却系统的最高点，下水室出水口为冷却系的最低点。同时，为满足发动机排气、冷却液膨胀蒸发和冷却系统补水的需要，上水室要有足够的空间。其结构如（图1）。

（图1）
（2）带补偿水桶结构。（图2）
组成：发动机水路、水泵、节温器、散热器、风扇、补偿水桶以及连接管路。
原理：发动机温度升高后，冷却液受热膨胀，冷却系统内部压力升高，散热器压力盖出气阀开启排气。随着压力的持续升高，冷却系统内部气体排尽，冷却液开始外溢并流入补偿水桶内。当冷却液温降低后，系统内冷却液体积减小，压力下降，散热器压力盖进气阀开启，补偿水桶内的冷却液会被重新被吸回冷却系。
注意事项：为保证冷却系统内的气体能够全部排除，散热器的加水口及下水室应处在冷却系统（补偿水桶出外）的最高点及最低点。补偿水桶到散热器的连接管路要密封紧密。另外，补偿水桶还要有足够的容量和膨胀空间。
（3）带膨胀水箱结构。（图3）
组成：发动机水路、水泵、节温器、散热器、风扇、膨胀水箱以及连接管路。
原理：膨胀水箱布置在冷却系统的最高点，系统压力盖安装在膨胀水箱上，系统直接经过膨胀水箱排气和补水。
注意事项：因包括膨胀水箱在内的整个系统压力一样，因此各连接管路一定要密封紧密。膨胀水箱要有足够的抗压能力和空间。散热器的最高点能够低于发动机。

（图2） （图3）

四、设计要点
（一）散热器
1、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。这样能够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。
2、货车散热器一般采用纵流结构，因为货车的布置空间较宽裕。而且纵流式结构的散热器强度及悬置的可靠性好。轿车由于空间限制，也可采用横流结构。
（二）散热器悬置
悬置点应设计在一个部件总成上，改进散热器受力状况，尽量减少散热器的振动强度。主悬置点应与辅助悬置点保持一定的距离，以提高散热器的稳定性。主悬置点，辅助悬置点处散热器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度达到减振的目的。
（三）风扇
对风扇的要求：提供足够的风量；有一定的风扇压力值以便克服系统阻力；直径对散热器芯部覆盖面积足够大，是经过散热器的风速均匀；风扇要结构紧凑、质量轻、噪声小、适合大量生产、成本低。
1、机械风扇
1.1护风罩
1、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。
2、风扇与护风罩的径向间隙越小，风扇的效率越高。一般控制在5-25mm。
3、从成本角度考虑，在大批量生产的车型中，多采用塑料护风罩。
1.2 风扇
发动机曲轴带动风扇
发动机曲轴经过皮带轮带动冷却风扇旋转，发动机转速越快，风扇转动越快。只要发动机启动，它就要运转，不能视发动机温度变化而变化，采用这种方案，如果要调节散热器的冷却强度，要在散热器上装上活动百页窗以控制进入的风量。
风扇离合器控制风扇
为了确保冷却风扇的送风能力，设计时都按低速考虑，保证在低速时风扇有足够的送风量，这样考虑的结果，使高速时的风扇送风能力过大。因此，在车辆一般行驶情况下，应该把风扇的转速控制在适当范围内，这样才能降低噪声，提高发动机经济性。使用风扇离合器能够控制转速（以下简称AFC）。在AFC内部粘有粘性流体（硅油），靠其剪切力传递扭矩。在风扇前面装有双金属片，用来感知流过散热器的空气温度，因此，控制风扇离合器工作腔内的硅油量，使其只是在必要时，才传递扭矩使风扇旋转，当水温比较低时离合器与转轴分离，风扇不动，当水温比较高时由温度传感器接通电源，使离合器与转轴接合，风扇转动。由于风扇离合器容易实现远距离控制、使发动机工作温度得到了控制，在汽车行业得到了一定程度的推广。可是经过实验，风扇离合器的温度控制性能、可靠性、维修性相对较差，因此越来越多的汽车上开始采用电动风扇。
2、电动风扇
电动风扇是由电动机来驱动风扇，电动机的起停是受水温直接感应的温度开关来控制。汽车在低速怠速时冷却效果好，冷车启动时水温上升较快。电动机功率一般比较低，因此风扇的风量受到限制。
电控式冷却风扇是一种更先进的控制方式，该系统能使风扇产生最佳风量，并大幅度降低风扇的噪声。为了控制合理的送风量，使用专用计算机收集下列传感器信号，如水温传感器、空调器开关、发动机转速传感器等，计算机利用这些信息，计算出最佳风扇转速。该系统仅仅在需要时由电动马达带动风扇工作，供给所需的风量。这种系统的位置布置自由度大，故在发动机横置的车中的应用逐渐增加。用这种方式控制的风扇，在冷却液温度低时风扇停止转动，而在冷却液温度高时风扇增加转速。由于电动风扇容易实现上述控制，故其有提高发动机暖机性能、提高经济性、降低噪声的优点。电动风扇不使用发动机做动力源，因此其转速与发动机转速无关。电动风扇使用蓄电池电能，蓄电池只在需要风扇供风时才给风扇供电。这种风扇无动力损失，构造简单，总布置方便。电动风扇按其转速分为二种形式，一种为单速式，一种为双速式。
自控电动冷却风扇能够充分利用汽车行驶迎面风的冷却作用而大量减少发动机驱动冷却风扇的功率损失，缩短了预热时间，实现最佳温度控制，大量减少了发动机的传热损失，是当前降低汽车耗油最有效、最简捷的途径之一。因此在节能和排放法规日趋严格的发达国家的轿车上得到广泛的应用。
3、进风量估算
一、标准状态时温度20℃、大气压760mmHg 、湿度65%的潮湿空气为标准空气。
其中：H = Cp×W×△Tc
W = (Q/60) ×t×D=2Qt×10-2kg
H = P×t/4.2
因此：Q = 0.05P/△Tc(CMM，每分钟所排出空气体积,m3/min)
= 1.76P/△Tc(CFM,in3/min)
= 0.09P/△Tf(CMM,m3/min)
= 3.16P/△Tf(CFM,in3/min)
式中：H —— 风扇总排出热量，J
Cp —— 空气比热，标态下为0.24(Kcal/Kg℃)
W —— 空气质量，kg
△Tc—— 容器允许温升，℃
Q —— 空气流量，m3/min
t —— 工作时间，s
D —— 空气比重，标态下为1.2Kg/m3
P —— 系统消耗功率，W
△Tf—— 容器允许温升,℉
（四）副水箱
1、开放式
2、压力式
3、注意事项
1、
（五）连接水管
（六）发动机水套
五、设计程序
六、匹配

水的膨胀系数F与温度t（℃）的关系为：F＝0.9992＋0.0002t。按水的温度校正加水量，V校正＝V×F。如配制总量为100万ml的葡萄糖注射液，稀配桶水的温度为95℃，则F=1.0182，加水量应为101.82万ml，否则含量将偏高1.82%。
七、设计验证
八、设计优化