发动机冷却系统设计规范.docx

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发动机冷却系统设计规范

编号：

冷却系统设计规范

编制：

万涛

校对：

审核：

批准：

厦门金龙联合汽车工业有限公司技术中心

年月日

一、概述

要使发动机正常工作，必须使其得到适度的冷却，冷却不足或冷却过度均会带来严重的影响。

　　冷却不足，发动机过热，会破坏各运动机件原来正常的配合间隙，导致摩擦阻力增加，磨损加剧，特别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，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。

同时，由于过冷，混合气形成的液体，容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的冷却系，是何其重要。

一般地，发动机最适宜的工作温度是其气缸盖处冷却水温度保持在80℃~90℃，此时发动机的动力性、经济性最好。

二、冷却系统设计的总体要求

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要求的许用值（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℃。

c）采用105kPa压力盖，在不连续工况运行下，最高水温允许到110℃，但一年中水温达到和超过99℃的时间不应超过50h。

d）冷却液的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/min的速度加注冷却液，直至达到应有的冷却液平面，以保证所有工作条件下气缸体水套内冷却液能保持正常的压力。

三、冷却系统的构成

液体冷却系主要由以下部件组成：

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、主要部件的设计选型

1、散热器

散热器的散热量（Q）和散热器散热系数（K）、散热器散热面积（A）及气液温差（⊿T）有关：

Q=K·A·⊿T

其中：

Q---散热器的散热量（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）

散热器的散热系数是代表散热效率的重要指标，主要影响因素如下：

1冷却管内冷却液的流速---据试验结果，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主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厚度---国内散热器的材料目前基本上已标准化；

4制造质量---主要是冷却管和散热带之间的贴合性和焊接质量；

1.1散热器是冷却系统中的重要部件，其主要作用是对发动机进行强制冷却，以保证发动机能始终处于最适宜的温度状态下工作，以获得最高的动力性、经济性和可靠性。

1.2发动机最适宜的冷却液温度为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，最好采用接近正方形的散热器芯子。

1.4散热器的总散热面积、芯子的迎风面积、结构形状和结构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的迎风面积来估算：

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；城市公交车长期低速运转可偏下限值；自卸车、牵引车、山区长途客运车等经常大负荷运行的车辆可偏上限值。

1.5散热器进风口的实际面积不得小于散热器芯子迎风面积的80%，以防止散热能力下降。

后置客车散热器的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，以防止发动机舱的热风回流到进风通道，影响散热性能；进风通道的面积应不小于散热器芯子的迎风面积。

1.6在灰尘多的脏环境下使用时，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，紧固必须牢靠，与车架的连接必须采用减振垫，采用减振垫的目的是为了隔离和吸收来自车架的部份振动和冲击，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，一定要采取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

风扇选型主要考虑风扇的风量、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

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

SPL=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；同时要消耗功率小、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。

目前普遍采用的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不大于91m/s，后置客车不大于100m/s，否则对风扇噪声和强度都不利。

风扇直径尽可能与散热器芯子迎风尺寸基本相同，以便风扇扫过的面积尽可能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，通过散热器芯部的压差不应大于所选风扇特性曲线中最大工作压力的70%；风扇的风压、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，并经整车冷却系统的试验评价来最终确定。

2.4为充分利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的距离应大于50mm，有利于气流均匀通过散热器芯部整个面积，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大于100mm，至其它零部件的距离应大于20mm，以最大限度地降低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如果风扇装在水泵皮带轮上，一般不允许加装风扇垫块，如果总布置设计必须加风扇垫块时，如果风扇装在曲轴前端，风扇与连接法兰之间必须装有橡胶减振器，用于吸收曲轴的扭振，防止叶片扭振断裂，同时避免影响曲轴系平衡；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个平面上，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，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高风扇的冷却效率，使通过散热器芯部的气流均匀分布，并减少发动机舱内热空气回流而设计的，因此，设计风扇护风罩时应注意技术的合理性。

3.2对于前置发动机，风扇护风罩的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护风罩与风扇叶尖的径向间隙应尽可能小，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1.5%，或者5mm~10mm；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的2.5%，或者15mm~20mm。

3.4应注意护风罩结构设计的合理性，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，以保证冷却效率不降低。

3.7驾驶员应经常检查风扇与护风罩之间的径向间隙，以确保发动机风扇与散热器发生相对位移时，风扇与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℃的要求，冷却系必须采用压力盖，以保证密封式冷却系的冷却液能保持一定的压力，从而提高冷却液的沸腾温度，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——气温差变大，从而提高散热器的散热能力；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，使受热表面得到良好的冷却。

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

压力盖开启压力一般有50kPa、70kPa、90kPa、105kPa四种，应根据使用地区海拔高度选定，以补偿由于海拔高度上升引起的大气太力下降。

推荐压力盖的开启压力为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，它的主要功能是给冷却液提供一个膨胀空间，及时去除冷却液中积滞的空气以及发动机高温下产生的水蒸汽，以便更有效地利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含占冷却系统总容积6%的膨胀容积、占冷却系统总容积10%的储备容积以及必备的残留容积。

储备容积是为了确保冷却系由于微量不能觉察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，要求冷却液的最低液面至膨胀水箱的底面距离不小于35mm，所以，必备的残留容积应不小于35mm×膨胀水箱底平面面积。

计算冷却系总容积时，应注意将带有的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的容积应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连续除气。

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，应同时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可能大，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适当上翘，避免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的排出，应尽量避免前低后高的管路布置，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的刚性，以免发动机工作时被吸扁。

6.3散热器的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同或稍大；成形胶管或胶管接头的内径应和发动机进出水口的外径相同或稍大；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的长度应大于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发动机要求使用长效防冻防锈液，它是含有50%的水和50%的乙二醇的溶液（容积比），在标准大气条件下，沸点为108℃，冰点为-37℃。

实验证明，这种防冻防锈液对各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；提高炎热季节时的沸点，在冬季时可以防冻；在密封良好的冷却系中，无需经常添加冷却液，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℃~95℃，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℃~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，即当冷却液温度达到99℃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℃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℃时的工作时间应尽可能短，每年累计不应超过50h。

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

根据《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+1/2Gw×Cpw+1/2Ga×Cpa）

式中twi-tai为冷却性能评价指标，即冷却常数（气液温差）。

通常由试验获得。

设：

⊿T=twi-tai

H=1/（1/KA+1/2Gw×Cpw+1/2Ga×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结果计算出，Qt可由发动机厂家提供。

因此可根据试验结果计算出每种基本车型的安装效率。

当进行改进设计或变型设计时，已知安装效率η就可以计算出气液温差⊿T，从而定量分析冷却系统的冷却能力。

六、注意事项

a）检查膨胀水箱的容积和安装位置。

b）将膨胀水箱的两根除气管换上透明的塑料胶管，观察其除气情况，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的风扇垫块长度；检查曲轴前端安装的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、风扇伸入量符合要求。

e）检查冷却系统管路的布置合理性和紧固的可靠性。

f）设计安装完成后冷却性能是否能达到要求，还需通过试验来验证。

七、冷却系统的冷却性能试验

冷却系统的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代替，坡度8%左右，坡长10km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：

第一种工况：

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30min~60min，使冷却液温度迅速上升至大致稳定后，每隔2min测量一次出水温度，如果连续五次之间的温度差不大于3℃，就认为冷却液温度不再上升，达到最高点，此时的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，其余同第一种工况。

同时测量上述标定工况和最大扭矩工况的冷却液平衡温度T平衡，取这两者中最大值作为冷却性能的评价指标。

评价指标为冷却常数K值，平衡温度与环境温度的差值应不大于K值，即T平衡－T环境≤K。

K值根据使用条件来设定：

标准的冷却系统：

K=61℃，按长期使用的最高冷却液温度99℃计算，其最高使用环境温度为

38℃（2000m海拔以下）；

高温环境的冷却系统：

K=50℃，适用于后置客车和在高温沙漠地区使用的车辆，按长期使用的最高冷却液温度99℃计算，其最高使用环境温度为49℃（2000m海拔以下）；

高海拔环境的冷却系统：

K=61℃，适用于2000m海拔以上的高海拔地区使用的车辆，平衡温度试验也应在相应的高海拔地区进行。

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当

b、散热器周围不密封导致热风回流

c、进风舱密封或隔热不好，导致进风温度高

（2）散热器系统水阻力大

a、散热器自身阻力大

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，膨胀空间和储备水量不足

b副水箱加水口与顶部水口均用压力盖

c缺少通气孔

九、综述

设计安装完成后，通过试验的验证，可知冷却性能是否满足设计要求，如果不满足应根据相应测试情况找出问题，再进行相应改进，直到满足设计要求为止。