冷却系统系统设计指南

1、概述：

汽车发动机大多为内燃机，内燃机将燃料的化学能通过燃烧转化为机械能来驱动汽车行驶，工作时会产生大量热量，为确保发动机在一个合适的温度下有效的工作，需要对发动机本身，尤其是发动机缸体进行及时的冷却。冷却系统中的散热器就承担着给发动机进行散热的任务。

对于大多数柴油机而言，都采用了增压器以改善发动机的燃烧和功率。从增压器出来的空气温度是比较高的，不利于发动机的工作。为此需要对进入发动机前的空气进行冷却。冷却系统中的中冷器就起到了这样一个作用。

冷却系统设计的好坏直接影响发动机的性能和可靠性，从而影响整车的性能和可靠性。

2、冷却系统的作用

冷却系统的功能是保证发动机保持在合适的温度环境中工作，提高发动机的性能和寿命。

3、冷却系统的组成

冷却系统主要部件为散热器、中冷器、膨胀水箱和连接管路等，其设计质量直接影响着发动机的性能和可靠性。

4、冷却系统设计 一、设计准则

1、 发动机冷却系统各部件匹配合理，以保证冷却系统的良好散热性能。 2、冷却系统安装方便、可靠。 二、冷却系统各种参数的确定 1. 散热器和风扇之间距离的选择

根据各车型的布置经验和发动机厂推荐的安装规范，风扇前端与散热器芯子距离选50～100mm较为合适，在这个范围之内尽量取大一些。

2.散热器的计算

（1）首先要知道发动机的一些性能参数，如：额定功率Ne(kW)、额定功率时转速n(r/min)、最大扭矩Me(N.m)、最大扭矩时转速n1(r/min)等等。

（2）设计工况点的选择

冷却系的设计要以额定功率点为设计点，以最大扭矩点作校核。 （3）发动机水套散热量Qw

因无发动机水套散热量Qw的试验数据，现按经验公式计算Qw Qw=（0.5～0.7）×Ne（kW）

（4）散热器的最大散热能力Qmax

由于散热器使用一段时间后，散热能力一般下降10%左右；另外压力盖的泄漏以及气流分布不均等原因，也会造成散热器性能的下降，因此散热器的最大散热能力Qmax要比设计工况的水套散热量要高，最大散热量系数定为K，一般K取1.15。

最大散热量Qmax= Qw×K（kW） （5）散热器的正面面积Sr 在散热器的结构参数中，对散热器性能影响最大的是芯子的正面面积，然而它受安装尺寸限制，不可能无限制增大，因此设计时要用尽可能增大正面面积的办法来提高散热器的散热能力。

散热器正面面积Sr=Qmax/（a×△ta×Cp×Va）（m2) 式中：a 空气密度(kg/m3)

△ta 空气进出温差(℃)，即通过散热器正面的前后空气温差，一般取值20。

Cp 空气空压比热(kJ/kg.℃)

Va 散热器正面空气流速Va(m/s)，可根据车速来计算。 （6）散热器的散热面积S

散热面积是根据额定功率与比散热面积k（m2/kW）的乘积，一般载货车k取值0.204～0.408

散热器的散热面积S第二方法：S=Qmax/K△t（m2）

其中，K 散热系数，一般取0.069 ～0.117 kJ/（m2.s.℃）

△t 散热器中冷却水和冷却空气的平均温差（℃），可以用散热器的进出口水的温度的平均值作为冷却水的平均温度。

△t =tw-ta=(twi+two)/2-(tai+△ta /2)

其中，twi和two分别为散热器的进出水温，tai为散热器的进气空气温度，一般取40℃。

（7）散热器的芯子厚度Tmax

散热器芯厚受总布置的限制，而且随着厚度的加大，散热效果明显下降，所以散热器厚度有着逐渐减少的总趋势。一般来说，总是不希望用增加芯厚的方法来提高散热能力。

Tmax=S/（Sr×Ψ）×1000（mm）

其中，Ψ 散热器容积紧凑性系数，即散热面积与散热器芯子体积的比值，一般为800～1000。

（8）确定最少水管数Imin

由于散热器散热性能还与冷却液在水管中的流速有关，故需确定最少水管数。

Imin=Qmax/（fw×△tw×w×Cw×Vw）（根） 式中：fw 水管横面积(m2)

△tw 散热器进出水口冷却液允许温差（℃），一般取值10。 w 水的密度(kg/m3)

Cw 水的比热(kJ/kg.℃)，一般取值4.19。

Vw 水管中的流速(m/s)，一般为0.55～0.85m/s。

以上所有设计都是一些经验估算，所得一般也是一个取值范围。因此在设计当中可根据生产厂家的实际数据进行一些设计调整。对于中冷器的设计也可以参考散热器的设计流程进行。最后设计出来的冷却系统应该经过热平衡道路试验（试验方法参照GB/T 12542-2009）或者是按IVECO标准16-1920-2005进行的ATD试验来对验证冷却系统的散热能力。

三、冷却系统连接管路设计

冷却系统连接管路除了要考虑冷却液或空气等介质因素外，还要考虑冷却液和增压器出来的空气的压力和温度等因素。另外管路的走向还要充分考虑到周围空间要求，以及胶管的成型工艺性。基于成本因素，目前冷却系统中散热器的连接水管和中冷器出气管大都采用EPDM的天然乙丙胶为原材料来生产，而中冷器进气管由于高温高压等工作环境，则一般需要采用硅胶等高性能橡胶材料。

5、经验总结

下面是从网络上获取到的一些对冷却系统设计有用的设计和使用经验，罗列出来供大家学习：

一、冷却系统

a) 冷却系统的设计应保证散热器上水室的温度不超过99 ℃。

b) 采用105 kPa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50 h。

c) 冷却液的膨胀容积应等于整个系统冷却液容量的6 %。 d) 冷却系统必须用不低于19 L/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。 二、散热器

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。

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。 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。

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。

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。

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。

7、散热器安装时，紧固必须牢*，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。

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。 三、冷却风扇

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、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91 m/s，后置客车不大于100 m/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。

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。

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50 mm，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100 mm，至其它零部件的距离应大于20 mm，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。

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，必须经过玉柴车用机开发办的书面认可；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。

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。

四、风扇护风罩 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。

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、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5 mm ~10 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的2.5 %，或者15 mm ~20 mm。 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。

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。

5、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。

6、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。 五、压力盖

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。

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。推荐压力盖的开启压力为50 kPa ~90 kPa，在高原地区使用时为105 kPa。 六、膨胀水箱

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。

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35 mm，所以，必备的残留容积应不小于35 mm×膨胀水箱底平面面积。计算冷却系总容积时，应注意将带有的水空中冷器和取暖器的容积计算在内。

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。

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，以便散热器和发动机水道连续除气。

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。

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。 七、取暖器

1、大容量高置取暖器，应在其顶部设置放气开关，以便在加注冷却液时，对取暖器进行放气，以防止困气现象产生。

2、如果取暖器装置位置高于冷却液加注口时，应在取暖器上增设特殊的加注设备，以防止空气和蒸汽滞留在冷却系统内，不能排出。

3、在发动机的暖风开关上，应设置节流孔，以合理地控制流入取暖器的压力和流量，防止冷却液压力超过取暖器的限制值；防止冷却液旁通过多，影响冷却系统正常工作。推荐的节流孔直径：当发动机转速不高于2500 r/min时为6 mm；高于2500 r/min时为5 mm。 八、水泵

水泵进口希望能保持正压，设计时应尽可能提高散热器上水室的位置。发动机出水口与进水口之间的最大外部压力降不得超过35 kPa，否则将影响发动机的水泵进口压力和冷却液循环速度。 九、散热器管路

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