发动机冷却系统标准设计综合规范.doc

编号：

冷却系统设计规范

编制： 万 涛

校对：

审核：

同意：

厦门金龙联合汽车工业技术中心
年 月 日

一、 概述
要使发动机正常工作，必需使其得到适度冷却，冷却不足或冷却过分均会带来严重影响。
　　冷却不足，发动机过热，会破坏各运动机件原来正常配合间隙，造成摩擦阻力增加，磨损加剧，尤其是活塞环和气缸壁之间运动，严重时会发生烧蚀、卡滞，使发动机停转或发生“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表现象。也会使润滑油变稀，运动机件间油膜破坏，造成干摩擦或半干摩擦，加速磨损。同时会降低发动机充气量，使发动机功率下降。
　　发动机过分冷却时，因为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。同时，因为过冷，混合气形成液体，轻易进入曲轴箱使润滑油变稀，影响润滑作用。
由此可见，使发动机工作温度保持在最适宜范围内冷却系，是何其关键。通常地，发动机最适宜工作温度是其气缸盖处冷却水温度保持在80℃~90℃，此时发动机动力性、经济性最好。
二、 冷却系统设计总体要求
a)含有足够冷却能力，确保在全部工况下发动机出水温度低于所要求许用值（通常为55°）；
b) 冷却系统设计应确保散热器上水室温度不超出99 ℃。
c) 采取105 kPa压力盖，在不连续工况运行下，最高水温许可到110 ℃，但十二个月中水温达成和超出99 ℃时间不应超出50 h。
d) 冷却液膨胀容积应等于整个系统冷却液容量6 %。
e) 冷却系统必需用不低于19 L/min速度加注冷却液，直至达成应有冷却液平面，以确保全部工作条件下气缸体水套内冷却液能保持正常压力。
三、冷却系统组成
液体冷却系关键由以下部件组成：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。

四、关键部件设计选型
1、 散热器
散热器散热量（Q）和散热器散热系数（K）、散热器散热面积（A）及气液温差（⊿T）相关： Q=K·A·⊿T
其中：Q---散热器散热量（kcal/h）
K---散热器散热系数（kcal/m2•h•ºC）
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（ºC）
散热器散热系数是代表散热效率关键指标，关键影响原因以下：
① 冷却管内冷却液流速---据试验结果，冷却液流速由0.2m/s提升到0.8m/s，散热效率有较大提升，但超出0.8m/s后，效果不大；
② 经过散热器芯部空气流量---空气导热系数很小，所以散热器散热能力关键取决于空气流动，经过散热器芯部风量起了决定性作用；
③ 散热器材料和管带厚度---中国散热器材料现在基础上已标准化；
④ 制造质量---关键是冷却管和散热带之间贴合性和焊接质量；
1.1 散热器是冷却系统中关键部件，其关键作用是对发动机进行强制冷却，以确保发动机能一直处于最适宜温度状态下工作，以取得最高动力性、经济性和可靠性。
1.2 发动机最适宜冷却液温度为85 ℃~95 ℃，测量位置在散热器上水室。
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面积最小时为最高，所以，最好采取靠近正方形散热器芯子。
1.4 散热器总散热面积、芯子迎风面积、结构形状和结构尺寸要经过发动机冷却系统所需最大散热量来计算确定，并应经过试验评价来最终确定。但通常可按散热器芯子迎风面积来估算：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；城市公交车长久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车辆可偏上限值。
1.5 散热器进风口实际面积不得小于散热器芯子迎风面积80 %，以预防散热能力下降。后置客车散热器进风通道要和发动机舱密封隔离，散热器周围要安装密封橡胶，以预防发动机舱热风回流到进风通道，影响散热性能；进风通道面积应大于散热器芯子迎风面积。
1.6 在灰尘多脏环境下使用时，应选择直排或斜排冷却管，且管子间隔要大，以避免散热器芯子堵塞，影响散热效果。
1.7 散热器安装时，紧固必需牢靠，和车架连接必需采取减振垫，采取减振垫目标是为了隔离和吸收来自车架部份振动和冲击，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 因为散热器和车架之间安装有隔振橡胶，所以形成了绝缘状态，经过冷却液介质，在散热器和车架之间产生了电位差，在冷却液中产生了微弱电流，使冷却系统零部件发生电腐蚀。所以，一定要采取散热器负极接地等方法，消除电位差，预防电腐蚀。
2 冷却风扇
风扇选型关键考虑风扇风量、噪声和功率消耗。
风扇风量（G）和风扇直径（D）、风扇转速（n）之间存在以下百分比关系：
G=K1••••••••n•D3------其中K1为百分比系数
而风扇噪声声压级（SPL）和风扇直径（D）、风扇转速（n）之间存在以下百分比关系：
SPL= K2••••••••n3•D2------其中K2为百分比系数
依据上述百分比关系可得：SPL= K3••••••••Q••••••••n2/D------其中K3为百分比系数
2.1 冷却风扇首先要满足冷却系统对风量和压头需要；同时要消耗功率小、风扇效率高，且有较宽高效率区；风扇噪声小，重量轻，成本低等。现在普遍采取有金属风扇和塑料风扇两种，风扇叶片应含有足够强度，以防车辆涉水时，折断风叶；在严寒地域使用，推荐选择带硅油离合器风扇。
2.2 确定风扇直径和转速时，要注意风扇叶尖圆周速度小于91 m/s，后置客车小于100 m/s，不然对风扇噪声和强度全部不利。风扇直径尽可能和散热器芯子迎风尺寸基础相同，方便风扇扫过面积尽可能大地覆盖散热器芯子迎风面积，使气流全方面地经过散热器。
2.3 为考虑冷却系整体阻力，经过散热器芯部压差不应大于所选风扇特征曲线中最大工作压力70%；风扇风压、风速等设计应按发动机在标定工况下和在最大扭矩工况下冷却水所需最大散热量来计算确定，并经整车冷却系统试验评价来最终确定。
2.4 为充足利用车辆行驶时迎风速度，车用发动机风扇全部采取吸风式；风扇前端面至散热器芯子距离应大于50 mm，有利于气流均匀经过散热器芯部整个面积，尤其是散热器四角；冷却风扇后端面至发动机前端面距离应大于100 mm，至其它零部件距离应大于20 mm，以最大程度地降低风扇噪声及叶片振动，并改善发动机气流情况，满足发动机冷却需要。
2.5 假如风扇装在水泵皮带轮上，通常不许可加装风扇垫块，假如总部署设计必需加风扇垫块时，假如风扇装在曲轴前端，风扇和连接法兰之间必需装有橡胶减振器，用于吸收曲轴扭振，预防叶片扭振断裂，同时避免影响曲轴系平衡；后置客车风扇通常由曲轴皮带轮经过惰轮驱动，风扇驱动皮带和风扇皮带必需分别设置皮带张力调整机构。曲轴皮带轮和惰轮，惰轮和风扇皮带轮轮槽必需分别在一个平面上，皮带和皮带轮交差角应控制在0.5°以内，必需先调整好后以后再安装皮带，不然会损坏皮带、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，因为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

3.1 风扇护风罩是为了提升风扇冷却效率，使经过散热器芯部气流均匀分布，并降低发动机舱内热空气回流而设计，所以，设计风扇护风罩时应注意技术合理性。
3.2 对于前置发动机，风扇护风罩设计分整体式和分开式两种；对于后置式发动机，通常全部采取整体式。分开式护风罩两部分之间有相对运动，必需用帆布圈柔性密封连接。
3.3 护风罩和风扇叶尖径向间隙应尽可能小，以确保风扇冷却效率。当采取分开式护风罩时，风扇和护风罩无相对运行，其径向间隙应不超出风扇直径1.5 %，或5 mm ~10 mm；当采取整体式护风罩时，风扇和护风罩有相对运动，其径向间隙也不应超出风扇直径2.5 %，或15 mm ~20 mm。
3.4 应注意护风罩结构设计合理性，不应有阻挡风扇气流死角。
3.5 风扇伸入护风罩轴向位置，和进气效率有很大关系，对于吸风式风扇，风扇叶片投影宽度应伸入护风罩内2/3为宜。
3.6 在安装护风罩时必需注意，护风罩和散热器之间不得有缝隙，应采取橡胶或泡沫塑料垫加以密封，以确保冷却效率不降低。
3.7 驾驶员应常常检验风扇和护风罩之间径向间隙，以确保发动机风扇和散热器发生相对位移时，风扇和护风罩之间不产生碰触。
4 压力盖
4.1 为满足冷却系最高工作温度为99 ℃要求，冷却系必需采取压力盖，以确保密封式冷却系冷却液能保持一定压力，从而提升冷却液沸腾温度，可使发动机在高温条件下不产生沸腾，确保发动机工作安全；可使冷却液温度和环境大气温度之间液——气温差变大，从而提升散热器散热能力；能够减轻或消除冷却液循环中气泡和气阻现象，确保冷却液实际循环流量稳定，让足够冷却液把热量从发动机内带走；能够减缓或消除发动机水套内高温壁面上膜态换热，改善热传导质量，使受热表面得到良好冷却。
4.2 在无膨胀水箱冷却系中，压力盖装在散热器上水室加注口上；在有膨胀水箱冷却系中，压力盖装在膨胀水箱加注口上。压力盖开启压力通常有50kPa、70kPa、90kPa、105kPa四种，应依据使用地域海拔高度选定，以赔偿因为海拔高度上升引发大气太力下降。推荐压力盖开启压力为50 kPa ~90 kPa，在高原地域使用时为105 kPa。

5 膨胀水箱

5.1 当冷却系采取低位密封式散热器时，必需增设高位膨胀水箱，它关键功效是给冷却液提供一个膨胀空间，立即去除冷却液中积滞空气和发动机高温下产生水蒸汽，方便更有效地利用散热器散热功效，提升冷却效率。
5.2 膨胀水箱总容积应包含占冷却系统总容积6%膨胀容积、占冷却系统总容积10%贮备容积和必备残留容积。贮备容积是为了确保冷却系因为微量不能觉察泄漏和冷却液蒸发后仍能保持水套内正常水压，而能立即补充冷却液，延长补液周期；必备残留容积是为了安全起见，预防冷却液在循环中吸入空气而设置，要求冷却液最低液面至膨胀水箱底面距离大于35 mm，所以，必备残留容积应大于35 mm×膨胀水箱底平面面积。计算冷却系总容积时，应注意将带有水空中冷器和取暖器容积计算在内。
5.3 膨胀水箱应设置最高液面和最低液面标志，最高液面上方应有大于要求膨胀容积，该容积内不能够加注冷却液；最低液面和最高液面之间容积应大于要求贮备容积；膨胀水箱还应设置最低液面液位传感器，方便提醒驾驶员立即添加冷却液。
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6.5 mm ~8 mm，方便散热器和发动机水道连续除气。
5.5 部署膨胀水箱位置时，它底平面最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，应同时将散热器下部和发动机水套下部放水开关打开，直到有冷却液溢出时再关闭，方便消除残留空气，顺利地将冷却液加满。
6 散热器管路
6.1 连接发动机和散热器之间管路应尽可能短而直，降低弯曲；总部署需要拐弯时，管子曲率半径应尽可能大，以降低管道阻力，且管路弯角处或截面改变处必需圆滑过渡；对后置发动机，散热器侧置，管路较长部署，则管路应沿水流方向合适上翘，避免采取水平部署和拱形部署管路，以利于冷却系中空气和蒸汽排出，应尽可能避免前低后高管路部署，如确有必需，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，让发动机水套内气体立即排出。
6.2 全部管路要有一定柔性，以适应发动机和散热器之间相对运动，预防散热器管口振裂。水泵进水管应有一定刚性，以免发动机工作时被吸扁。
6.3 散热器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管径相同或稍大；成形胶管或胶管接头内径应和发动机进出水口外径相同或稍大；胶管壁厚应在5 mm以上，且加有一层纤维，含有耐热、耐油性，能在-40 ℃~120 ℃温度下长久正常使用，耐压能力应超出300 kPa；如管路较长时，应对冷却管路固定，固定间隔约500 mm；金属接管插入连接胶管长度应大于50 mm，并采取平板带式卡箍紧固，卡箍到胶管边缘距离为5 mm ~10 mm。
7 冷却液
7.1 发动机要求使用长久有效防冻防锈液，它是含有50 %水和50 %乙二醇溶液(容积比)，在标准大气条件下，沸点为108 ℃，冰点为-37 ℃。试验证实，这种防冻防锈液对多种金属和橡胶全部无腐蚀作用，更换周期为2年。
7.2 使用这种长久有效防冻防锈液，能够预防冷却器内腔结垢，降低水套穴蚀和锈蚀；提升炎热季节时沸点，在冬季时能够防冻；在密封良好冷却系中，无需常常添加冷却液，降低保养工作量。
8 水温报警器
8.1 发动机在正常工作条件下，最适宜冷却液工作温度为85 ℃~95 ℃，仪表板上必需安装冷却液温度表，并用颜色区分温度范围，推荐60℃~80℃为黄色区域；85 ℃~95 ℃为绿色区域；99 ℃~110 ℃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，即当冷却液温度达成99 ℃时，仪表板上应有红灯闪或蜂鸣器报警；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 发动机长久在99 ℃下工作，将造成润滑油加速变质，发动机和冷却系中弹性非金属零件加速硬化，所以，在99 ℃和超出99 ℃时工作时间应尽可能短，每十二个月累计不应超出50 h。
五、冷却系统计算方法
1.安装效率
设：η=Qw/Qt
其中：η----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
依据《柴油机设计手册》：
Qw=Ga×Cpa（tao-tai）------------------------（1）
Qw=Gw×Cpw（twi-two）------------------------（2）
Qw=K×A[（twi+two）-（tao+tai）]/2-----------（3）
其中：twi----散热器进水温度（ºC）
two----散热器出水温度（ºC）
tao----散热器出风温度（ºC）
tai----散热器进风温度（ºC）
K------散热器散热系数（kcal/m2·h·ºC）
A------散热器散热面积（m2）
Cpa----冷却空气比热（kcal/kg·ºC）
Cpw----冷却液比热（kcal/kg·ºC）
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/（1/KA+1/2 Gw×Cpw+1/2 Ga×Cpa）
式中twi-tai为冷却性能评价指标，即冷却常数（气液温差）。通常由试验取得。
设：⊿T=twi-tai
H=1/（1/KA+1/2 Gw×Cpw+1/2 Ga×Cpa） ----（4）
H---散热器散热率（kcal/h·ºC）
则：η=Qw/Qt=H×⊿T/ Qt
对于安装效率η来说，相同车身、相同发动机系统部署，安装效率基础不变。H可依据散热器性能试验结果计算出，Qt可由发动机厂家提供。所以可依据试验结果计算出每种基础车型安装效率。当进行改善设计或变型设计时，已知安装效率η就能够计算出气液温差⊿T，从而定量分析冷却系统冷却能力。
六、注意事项
a) 检验膨胀水箱容积和安装位置。
b) 将膨胀水箱两根除气管换上透明塑料胶管，观察其除气情况，当发动机怠速运转5min以后，应能消除气泡。
c) 评价水泵皮带轮附加风扇垫块长度；检验曲轴前端安装风扇有可靠减振装置。
d) 检验风扇径向间隙及风扇前端和水箱间隙、风扇伸入量符合要求。
e) 检验冷却系统管路部署合理性和紧固可靠性。
f) 设计安装完成后冷却性能是否能达成要求，还需经过试验来验证。
七、冷却系统冷却性能试验
冷却系统冷却性能可经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情况完成；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换，坡度8%左右，坡长10 km左右。试验时，要求环境温度大于25 ℃(如环境温度小于25 ℃，应拆除节温器来进行试验)，分别在两种工况下试验：
第一个工况：车辆满载，油门全开，使用Ⅱ挡行驶，发动机在标定转速下运行30 min ~60 min，使冷却液温度快速上升至大致稳定后，每隔2 min测量一次出水温度，假如连续五次之间温度差小于3℃，就认为冷却液温度不再上升，达成最高点，此时出水温度被定义为冷却液平衡温度。
第二种工况：车辆满载，油门全开，使用Ⅱ挡行驶，发动机在最大扭矩点转速下运行30~60min，其它同第一个工况。
同时测量上述标定工况和最大扭矩工况冷却液平衡温度T平衡，取这二者中最大值作为冷却性能评价指标。
评价指标为冷却常数K值，平衡温度和环境温度差值应小于K值，即T平衡－T环境≤K。
K值依据使用条件来设定：
标准冷却系统：K=61 ℃，按长久使用最高冷却液温度99℃计算，其最高使用环境温度为
38℃( m海拔以下)；
高温环境冷却系统：K=50 ℃，适适用于后置客车和在高温沙漠地域使用车辆，按长久使用最高冷却液温度99℃计算，其最高使用环境温度为49 ℃( m海拔以下)；
高海拔环境冷却系统：K=61 ℃，适适用于 m海拔以上高海拔地域使用车辆，平衡温度试验也应在对应高海拔地域进行。

八、常见故障及原因
（1）冷却能力不足
a、风扇、散热器选择或匹配不妥
b、散热器周围不密封造成热风回流
c、进风舱密封或隔热不好，造成进风温度高
（2）散热器系统水阻力大
a、散热器本身阻力大
b、进出水管管径小
（3）水泵进口负压
a、注水管过长，弯曲；接口距水泵远
b、上水室隔板不密封
（4）加注和除气性能不合格
a、通气管路：下垂、阻塞
（5）散热器上水室或副水箱结构不对
a、容量小，膨胀空间和贮备水量不足
b副水箱加水口和顶部水口均用压力盖
c缺乏通气孔

九、综述
设计安装完成后，经过试验验证，可知冷却性能是否满足设计要求，假如不满足应依据对应测试情况找出问题，再进行对应改善，直到满足设计要求为止。