【技研】冷却系统设计基础

一、冷却系统的功能

★ 使发动机在所有工况下都能保持在适当的温度范围。冷却系统既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷。在冷发动机起动之后，冷却系统还要保证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度；

二、冷却系统的设计要求

★ 冷却系统应具有足够的冷却能力，保证发动机在所有工况下出水温度低于发动机要求的许用，正常工作下仪表板水温表的指针在刻度盘中间附近位置为宜，一般在85℃-90℃内；大负荷或是有负载（如开空调）一般最大达到105℃-106℃；冷却系统的报警温度一般在 110℃左右；

★ 冷却系统应能在规定的时间内排除系统内的空气；

★ 冷却系统设计应留有膨胀空间，其容积占系统容积的比例应满足发动机安装。当系统总容量>20L 时，膨胀水箱容积应大于系统总容量的20%；

★ 冷却系统的加水速率、初次加注量应满足发动机厂家推荐要求，一般要求初次加注量达到系统容积的90%；

★ 冷却系统应有一定的缺水工作能力􀊎缺水量应满足发动机厂家推荐值􀊎缺水量约为系统总容量的7%；

★ 冷却系统迎风面积达到设计要求，推荐格栅的投影面积大于散热器芯体正面积的30%；

★ 冷却系统的零件应拆装方便，便于维修；

三、冷却系统的组成

★ 散热器：

    散热器布臵在发动机前部􀊎散热器由进水室、出水室及散热器芯体等三部分构成，冷却液在散热器芯内流动，空气在散热器芯外通过。按照散热器中冷却液流动的方向􀊎散热器分为纵流式和横流式两种，我们普遍采用纵流；

★ 散热器盖：

    密封水冷却系并调节系统的工作压力，散热器盖的压力与系统设定的最高压力相等，汽车设计手册推荐的系统压力为70kPa～110kPa，轿车常用的系统压力为90kPa。

    工作原理：当发动机工作时，冷却液的温度逐渐升高，冷却液容积膨胀使冷却系统内的压力增高。当压力超过预定值时，压力阀开启，一部分冷却液经溢流管流入膨胀箱，以防止冷却液胀裂散热器。当发动机停机后冷却液的温度下降，冷却液内的压力降低，当压力降到大气压以下出现真空时，真空阀开启，膨胀水箱内的冷却液部分得流回散热器，可以避免散热器被大气压压坏。

★ 补偿水箱（与膨胀水箱只能存在一个）：

    补偿水箱安装布置在比散热器高的地方，其上有加水口和盖、散热器蒸汽排气管接口、补偿水箱上有冷却液加注口，同时也是冷却系统内空气排气口。补偿水箱吸收来自散热器的空气，当系统工作时，吸收系统产生的蒸汽泡，确保系统压力稳定，工作可靠正常。补偿系统冷却液，确保系统正常循环。冷却液可以从补偿水箱或是散热器加入，建议从散热器加入。

★ 膨胀水箱（与补偿水箱只能存在一个）：

    储存并保证系统内冷却液的充足，在冷却液温度高时方便加注，同时释放冷却系统的气体。膨胀水箱上存在与发动机和散热器连接的两根管路，目的就是保证在工作中，吸收散热器和发动机产生的空气，保证系统的压力稳定，具有散热器盖，而与膨胀水箱相连接的散热器上没有加冷却液的盖，冷却液必须从膨胀水箱处加入。

★ 冷却风扇：

    当风扇旋转时吸进空气使其通过散热器，以增强散热器的散热能力，加速冷却液的冷却；

    风扇的选择：一般轿车风扇采用电驱动，目前两级电子调速风扇得到了主机厂的广泛应用，两级电子调速风扇顾名思义有两个级别的转速，即高速档转速和低速档转速。两级电子调速风扇通过控制电流的大小来实现两级转速的变化；

    风扇的风量与风扇的直径、转速、叶片形状、叶片安装角及叶片数有关。翼形风扇效率较高、消耗功率少，在轿车和轻型货车上得到了广泛的应用。一般叶片与风扇旋转平面成30°~45°角（叶片安装角），叶片数为4、5、6 或7 片；

    风扇的噪声与风扇直径、转速、叶片的间隔角、减振垫、电机噪音等有关。

        a) 在保证风量不变的前提下，可适当的增大风扇的直径，降低风扇转速降低噪声；

        b) 风扇与水箱之间增加减振垫，降低风扇的振动从而降低噪声；

        c) 叶片之间的间隔角或相等，或不相等。间隔角不等的叶片可以减小叶片旋转时的振动和噪声；

        d) 电机噪音及风扇叶片数量也是影响噪音的因素；

        e) 若是两个风扇，两个风扇旋转方向相反，可降低风扇的噪声。

★ 散热器软管：

    散热器软管是连接发动机和散热器的水流通道，同时具有吸收发动机振动和散热器相对运动的作用。散热器连接管路多用编制加强型胶管。

四、冷却系统主要零件布置要求

★ 散热器：

    a）为保证冷却系统内的气体能顺利排出、加水充分、排水彻底。膨胀水箱布置在冷却系最高点，散热器的最高点可低于发动机，下水室（出水室）出水口为冷却系的最低点；

    b）迎风面积的要求：在整车总布置允许的条件下，尽量的加大散热器的的迎风面积，一般要求格栅的投影面积大于散热器芯体正面积的30%；

    c）散热器悬置通常为四点悬置，也可以采用三点悬置。其中主悬置点为2 个（一般为下悬置），主悬置点与辅助悬置点应保持一定的距离，以提高散热器的稳定性。主悬置点、辅助悬置材料为胶垫或胶套等柔性非金属材料以达到减振的目的；

    d）主悬置点的胶垫压缩量一般为其自由高度的1/5 左右。胶垫的压缩量与散热器的质量及胶垫的硬度有关；散热器悬置的结构实例如下：

★ 膨胀水箱：

    膨胀水箱布置在冷却系最高点，以便在散热器工作时或是系统内压力较高时加注冷却液。膨胀箱一般设置有排气孔，用来释放冷却系统的气体，一般在膨胀箱盖上增加排气管口，有的直接膨胀水箱盖的拧紧螺纹上设置一工艺缺口进行排气。

五、冷却系统零件的设计要求

★ 散热器：

    a）在整车空间允许的条件下，尽量减少芯子厚度，增加芯体正面积，这样可以充分利用风扇的风量和车的迎风面积，提高散热器的散热效率，降低风阻，一般轿车芯厚不超过二排水管，散热器的芯厚T 一般在16～30mm 之间。

    b）散热器芯体正面积、散热面积满足设计要求

★ 散热器软管：

    a）考虑胶管的缓冲作用：散热器软管具有吸收发动机振动和散热器相对运动的作用，为此散热器胶管设计时应综合考虑胶管的长度，适当的增大缓冲弯，一般考虑发动机的振动幅度为20mm；

    b）考虑散热器软管的装配工艺：软管插入接头深度不得少于 30mm；

    c）根据目前胶管厂家的工艺，在做散热器进出水管设计时，散热器进出水管外径半径为R,倒角半径需大于等于1.8R以上；

    d）管路在设计时，如果周边环境较恶劣，如进水管距温度较高的零部件或是距离振动幅度较大的零部件间距较小时，为了保护散热器管路，应该考虑增加防护套；

    e）散热器管路设计时，应考虑冷却系统的密封及装配工艺性，合理的匹配散热器管路，一般采用过盈配合关系，推荐过盈量为1mm，过大会影响装配。

★ 膨胀水箱：

     a）膨胀水箱的容积为整个冷却系容积的25%～30%；

     b）应考虑膨胀空间，其容积至少占冷却系统容积的6%，以适应冷却液随温度变化的涨缩，即膨胀水箱的膨胀空间的容积如下图E 所示；

     c）一定的缺水工作能力，缺水量至少占冷却系统容积的11%，如果有暖风机应为20％，即膨胀水箱的缺水容积如下图D 所示。

★ 散热器风扇：

     a）风扇直径大小应和散热器的形状相协调，条件允许时可增大风扇直径、降低风扇转速，以达到减小功率消耗和降低噪音的目的。在某些散热器长、宽比例相差较大时，如轿车散热器，有时采用两个直径较小的风扇，以提高散热效率；

     b）风扇的噪声应该在电压参数、风扇转速参数、有无冷凝器、散热器、中冷器等条件下对噪声做出要求。具体的数值要求根据车型NVH的具体要求来设计；

     c）风扇扫过的环形面积占散热器芯子正面面积的百分比应大于45％。

六、冷却系统与周边零件间隙

★ 推荐值如下表，具体值根据企业要求调整：

七、冷却系统涉及的国家标准

★ GB T 12542-2009 汽车热平衡能力道路试验方法

★ QC T 468-2010 汽车散热器

★ QC T 773-2006 汽车散热器电动风扇技术条件

★ QC T 907-2013 汽车散热器散热性能试验方法

★ QC T 29025-1991 汽车管带式散热器芯子型式尺寸

★ SAE-J20-2006 冷却系统软管