發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)總體參數(shù)設(shè)計

1、一、 冷卻系統(tǒng)說明二、 散熱器總成參數(shù)設(shè)計三、 膨脹箱總成參數(shù)設(shè)計四、 冷卻風(fēng)扇總成參數(shù)設(shè)計五、水泵總成參數(shù)設(shè)計六、橡膠水管參數(shù)設(shè)計七、節(jié)溫器選擇八、冷卻液選擇一、 冷卻系統(tǒng)說明 內(nèi)燃機(jī)運轉(zhuǎn)時 ，與高溫燃?xì)庀嘟佑|的零件受到強(qiáng)烈的加熱，如不加以適當(dāng)?shù)睦鋮s，會使內(nèi)燃機(jī)過熱，充氣系數(shù)下降，燃燒不正常（爆燃、早燃等），機(jī)油變質(zhì)和燒損，零件的摩擦和磨損加劇，引起內(nèi)燃機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性全面惡化。但是，如果冷卻過強(qiáng)，汽油機(jī)混合氣形成不良，機(jī)油被燃燒稀釋，柴油機(jī)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(nèi)燃機(jī)工作變壞。因此，冷卻系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證內(nèi)燃機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。

2、1.1 發(fā)動機(jī)的工況及對冷卻系統(tǒng)的要求一個良好的冷卻系統(tǒng)，應(yīng)滿足下列各項要求：1） 散熱能力能滿足內(nèi)燃機(jī)在各種工況下運轉(zhuǎn)時的需要。當(dāng)工況和環(huán)境條件變化時，仍能保證內(nèi)燃機(jī)可靠地工作和維持最佳的冷卻水溫度；2） 應(yīng)在短時間內(nèi)，排除系統(tǒng)的壓力；3） 應(yīng)考慮膨脹空間，一般其容積占總?cè)莘e的4-6%；4） 具有較高的加水速率。初次加注量能達(dá)到系統(tǒng)容積的90%以上。5） 在發(fā)動機(jī)高速運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)壓力蓋打開時，水泵進(jìn)口應(yīng)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(shè)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(nèi)達(dá)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(shè)計中必須作到提高進(jìn)風(fēng)系數(shù)和冷卻液循環(huán)中的散熱能力。提高通風(fēng)系數(shù)：總的進(jìn)風(fēng)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(jié)構(gòu)，需要加導(dǎo)風(fēng)裝置使風(fēng)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(fēng)面積，減薄芯子厚度。這樣可充分利用風(fēng)扇的風(fēng)量和車的迎面風(fēng)，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(jī)的三元催化在前端的話，還要考慮風(fēng)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。1.2.1散熱器布置貨車散熱器一般采用縱流水結(jié)構(gòu)，因為貨車的布置空間也較寬裕。而且縱流水結(jié)構(gòu)的散熱器強(qiáng)度及懸置的可靠性較好，轎車多采用散熱器橫流水結(jié)構(gòu)，因為轎車車身較低，空間尺寸緊張。橫流水結(jié)構(gòu)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(fēng)面積。散熱器分成水冷和風(fēng)冷兩種冷卻形式，風(fēng)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

5、四點懸置，也可以采用三點懸置。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(yīng)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(qiáng)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(dá)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(jìn)行剛性連接。中，重型載貨汽車由于散熱器的質(zhì)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(hù)框架，以防止振動等外界力直接作用在散熱器上。懸置點設(shè)置在框架上。輕型貨車和轎車一般不加保護(hù)框架，懸置點設(shè)置在散熱器的側(cè)板或水室上。為提高散熱器強(qiáng)度一些車散熱器上加有十字拉筋

6、。1.2.2護(hù)風(fēng)罩布置護(hù)風(fēng)罩的作用是確保風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)量全部流經(jīng)散熱器，提高風(fēng)扇效率。護(hù)風(fēng)罩對低速大功率風(fēng)扇效率提高特別顯著。風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩的徑向間隙較小，風(fēng)扇的效率越高。但間隙過小，車在行駛中由于振動會造成風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩之間的干涉。風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩之間的徑向間隙一般控制在5mm25mm。當(dāng)風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩之間的干涉。風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)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(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩之間的間隙可以下線，否則取上限。風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩的軸向位置一般為：風(fēng)扇徑向投影寬度的2/3在護(hù)風(fēng)罩內(nèi)，1/3在護(hù)風(fēng)罩外，以增加導(dǎo)流減小背壓。在大批量生產(chǎn)的車型中多采用塑料護(hù)風(fēng)罩。鐵護(hù)罩多用于批量小或直徑較大的

7、車型中。在某些車型中，特別是轎車，護(hù)風(fēng)罩在常開有多個窗口并加以單向簾布。當(dāng)車速較高，風(fēng)扇停止運轉(zhuǎn)時簾布打開減小護(hù)風(fēng)罩的風(fēng)阻，當(dāng)風(fēng)扇啟功后，簾布關(guān)閉提高風(fēng)扇效率。1.2.3風(fēng)扇布置風(fēng)扇直徑大小應(yīng)和散熱器的形狀相協(xié)調(diào)，條件允許時可增大風(fēng)扇的直徑，降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。以達(dá)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(fēng)扇所取代。特別是要求轉(zhuǎn)速較高的風(fēng)扇中已全部采用塑料風(fēng)扇。電動風(fēng)扇是由電動機(jī)來驅(qū)動風(fēng)扇，電動機(jī)的啟動與停止是受水溫直接感應(yīng)的溫度開關(guān)來控制。電動風(fēng)扇具有起動溫度與設(shè)定溫度一致，布置位置靈活，不受發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，汽車在低速怠速時冷卻效果好

8、等優(yōu)點，冷車啟動時水溫上升較快。但也多用于發(fā)動機(jī)橫置的轎車。1.2.4節(jié)溫器布置目前汽車上應(yīng)用的節(jié)溫器均采用蠟式感應(yīng)體節(jié)溫器。當(dāng)冷卻水溫溫度升高時蠟膨脹，節(jié)溫器開啟，冷卻水流經(jīng)散熱器進(jìn)行大循環(huán)。當(dāng)冷卻水的溫度降低時蠟體積縮小，節(jié)溫器關(guān)閉，冷卻水不經(jīng)過散熱器，短路流經(jīng)發(fā)動機(jī)剛體進(jìn)行小循環(huán)。節(jié)溫器一般布置在發(fā)動機(jī)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(jìn)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(yán)等問題。但是增大節(jié)溫器的升程，對節(jié)溫器技術(shù)要求較高。有些發(fā)動機(jī)

9、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(jié)構(gòu)。1.2.5水泵布置水泵的流量及揚程根據(jù)不同的發(fā)動機(jī)而定。流量一般為發(fā)動機(jī)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(chǎn)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(jié)構(gòu)，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(yán)格控制。1.2.6膨脹箱布置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(shè)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(fēng)面積。在保證風(fēng)量不變的條件下，可以適當(dāng)

10、增加風(fēng)扇直徑，降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，減少噪聲和功率消耗。冷卻系統(tǒng)的最高水溫應(yīng)以發(fā)動機(jī)的允許使用水溫為標(biāo)準(zhǔn)。節(jié)溫器的全開溫度應(yīng)為發(fā)動機(jī)正常工作水溫范圍的中限，開啟溫度應(yīng)為發(fā)動機(jī)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(jī)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(jī)至膨脹箱 17.彈性卡箍 18.發(fā)動機(jī)進(jìn)

11、水管 19.彈性卡箍 20.彈性卡箍 21.暖風(fēng)機(jī)進(jìn)水管 22.彈性卡箍 23.暖風(fēng)機(jī)出水管 24.橡膠軟墊 25.六角法蘭面螺栓 26.風(fēng)扇電機(jī)帶護(hù)風(fēng)圈總成一冷卻系的主要設(shè)計參數(shù)1. 發(fā)動機(jī)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：86.0mm×97.0mm發(fā)動機(jī)排量：2254ml壓縮比：8.9：1 最大功率：110kw/5700rpm 最大扭矩：612n.m/4900rpm在設(shè)計或選用冷卻部件時應(yīng)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(jīng)驗式a- 燃料熱能傳給冷卻系的分?jǐn)?shù)，取同類機(jī)型的統(tǒng)計量，%，汽油機(jī)

12、a=0.230.30，取a=0.25-燃料消耗率，kg/kw.h；汽油機(jī)0.2050.320 取0.25-發(fā)動機(jī)有效功率，取最大功率110kw若水冷式機(jī)油散熱器，要增加散熱量，增大5%10%.在算出發(fā)動機(jī)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(shè)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(jī)傳

13、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，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(jìn)水溫度，取 散熱器出水溫度，取空氣進(jìn)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(dāng)冷卻水流速為0.20.6m/s時，約為20003500，取3500。散熱管導(dǎo)熱系數(shù)，純鋁導(dǎo)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(dāng)流過散熱管的空氣流速為1020m

14、/s時，=60105，取105。散熱面積 2.散熱器細(xì)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(jié)構(gòu)上分主要有管片式和管帶式兩種（如圖1）。這里選用管帶式散熱器。根據(jù)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn) ,見圖4圖4h取420mm,w取530mm,t為38mm散熱器正面積（迎風(fēng)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

15、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(shè)計1設(shè)計原則冷卻液在發(fā)動機(jī)冷卻回路流動，隨溫度升高體積膨脹，為吸收這部分膨脹體積而設(shè)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(nèi)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(jìn)行氣液分離。膨脹箱應(yīng)耐熱、耐壓，位置高于散熱器并保持系統(tǒng)內(nèi)壓力適宜。系統(tǒng)b：在加壓系統(tǒng)內(nèi)具有冷卻液的膨脹空間（膨脹箱），僅在溢流至膨脹箱時進(jìn)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(fēng)扇的選擇根據(jù)發(fā)動機(jī)參數(shù)

16、與參考同類型的汽車發(fā)動機(jī)，選擇軸流式電動風(fēng)扇。它用裝在散熱器上的石蠟式溫控開關(guān)控制（控制水溫8797），自動控制風(fēng)扇電機(jī)的運轉(zhuǎn)，保持發(fā)動機(jī)溫度正常。這種自動控制的冷卻系統(tǒng)啟動暖機(jī)快，布置較自由。風(fēng)扇的性能參數(shù)包括風(fēng)量v、壓頭、功率。1. 冷卻空氣需要量，考慮到風(fēng)量的漏損，風(fēng)扇的風(fēng)量要比計算所得的風(fēng)量大，即， 考慮到漏損的系數(shù)，通常=1.051.15，取1.06。2. 風(fēng)扇的壓頭，其中散熱器風(fēng)阻（pa） 除散熱器外的風(fēng)道阻力 ，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)=200500pa 取400pa。3. 風(fēng)扇的功率，其中風(fēng)扇效率，一般=0.30.6，取0.5。根據(jù)風(fēng)扇性能參數(shù)與參考同類型風(fēng)扇，本次設(shè)計，葉片材料選擇塑料聚

17、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(fēng)扇旋轉(zhuǎn)平面成的角度）一般為，取為，葉片數(shù)量取為7片，葉片數(shù)為奇數(shù)，可有效降低風(fēng)扇噪聲。 風(fēng)扇直徑取為420mm,葉片寬度為48mm,輪轂比（風(fēng)扇直徑與風(fēng)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(zhuǎn)時的振動和噪聲。風(fēng)扇風(fēng)量q與風(fēng)扇直徑d、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速n之間存在如下的關(guān)系。,k為比例系數(shù)。a.標(biāo)準(zhǔn)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(jī)所需要的冷卻液產(chǎn)生循環(huán)，根據(jù)所給的發(fā)動機(jī)動力參數(shù)，以及參考同類型發(fā)動機(jī)，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

18、片，葉片數(shù)位7,水泵殼體采用灰鑄鐵h150,進(jìn)出水管與殼體鑄成一體。具體計算過程如下：2. 發(fā)動機(jī)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：86.0mm×97.0mm發(fā)動機(jī)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(nèi)燃機(jī)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(jìn)水環(huán)面當(dāng)量直徑 dk dk=k0 =0.052m k0取5.54進(jìn)口直徑 d0=0.06m/s

19、5.葉片進(jìn)口邊直徑 d1=d0=0.06m6.軸向進(jìn)水速度 vd=2.89m/s7.徑向進(jìn)水速度 vdr=0.85vd=0.85×2.89=2.46ms8.進(jìn)口安裝角1 1=9.進(jìn)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(jìn)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(jìn)口排擠系數(shù) =13進(jìn)口軸面速度 14.進(jìn)口絕對速度v1 ,設(shè)進(jìn)口無預(yù)旋，v1= v1r=3.98m/s15.進(jìn)口圓周速度1=21.4m/s16.進(jìn)口安裝角校核 （1）=(2) 沖角 由于進(jìn)口安裝角取值較大，沖角相應(yīng)加大17.揚

20、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(cè)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(yīng)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(jìn)水管計

21、算1.進(jìn)水管內(nèi)水速 2.進(jìn)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(jī)冷卻回路中的水管具有吸收發(fā)動機(jī)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(yīng)性及柔軟性是水管應(yīng)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(qiáng)型管子用60hs，純橡膠為70hs，采用中間加強(qiáng)型，其構(gòu)造如圖1所示。編織加強(qiáng)型的水散熱器，螺旋管多用于被加熱的管子，針織加強(qiáng)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(nèi)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(yīng)有30mm的插入量。1、散