冷却系统基本设计规范简式国际汽车设计（北京）有限公司2008.5目录1.冷却系统的构成和设计要求 (1)1.1 冷却系统的构成 (1)1.2 冷却系统的设计要求 (1)2 冷却系统设计 (2)2.1 散热器 (2)2.2 冷却风扇 (6)2.3 风扇护风罩 (7)2.4 压力盖 (8)2.5 膨胀水箱 (10)2.6 取暖器 (13)2.7 水泵 (13)2.8 散热器管路 (13)2.9 冷却液 (14)1.冷却系统的构成和设计要求1.1 冷却系统的构成冷却系统由散热器、风扇、膨胀箱等部件组成。
其功能是对发动机进行强制冷却，保证发动机能始终处于最适宜的温度状态下工作，以获得较高的动力性、经济性及可靠性。
汽车冷却系统的结构简图见图1-1所示：图1-1 冷却系统的构成1.2 冷却系统的设计要求1) 冷却系统的设计应保证：使用冷却水作冷却液和 0.5bar 以下的压力盖时，发动机出水口的温度允许到 100 ℃；使用冷却水作冷却液和 0.7-0.9bar 压力盖，在不连续工况运行下，最高水温允许到 110 ℃。
2)如果使用长效防冻防锈液作冷却液和 0.5bar 以下的压力盖时，发动机出水口的温度允许到105℃；使用长效防冻防锈液作冷却液和 0.7-0.9bar 压力盖，在不连续工况运行下，最高水温允许到 115 ℃。
3) 冷却液的膨胀容积应大于等于整个系统冷却液容量的 6 %。
4) 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。
2 冷却系统设计件进行冷却系统内流场计算分析，最终以整车高温试验结果对冷却系统设计是否满足使用要求进行确认。
具体各主要部件的设计过程如下。
2.1 散热器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。
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。
如图2-1所示。
图2-1 散热器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。
理论计算一般是根据有关计算公式及所配发动机的相关参数，如功率，油耗等，确定水冷散热器的总散热面积。
根据风扇大小及整车空间尺寸确定散热器迎风面积，再根据散热器面积计算公式选取散热器芯厚尺寸。
散热器及风扇计算过程如下：1）冷却系统散走的热量Q w 的计算公式Q Ag w=e P e h n /3600(kJ/s) （式2-1）式中： A-传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，对汽油机A=0.23~0.30，对柴油机A=0.18~0.25；g e—发动机燃料消耗率（g/kw·h）；P e—发动机功率（kw）；h n—燃料低热值（kJ/kg）。
柴油和汽油的低热值和分别取41870 kJ/kg和43100 kJ/kg。
2) 冷却水的循环量V w 的计算公式V w = Q w /（t w1- t w2）γw c w (m 3/s) （式2-2）式中： t w1-发动机出水口温度（一般为85℃~95℃）t w2-发动机进水口温度（一般为75℃~85℃）3 γw -水的比重，可近似取γw =1000kg/m ；c w –水的比热，可近似取c w =4.187kJ/kg·℃3) 冷却空气需要量V a 的计算公式V a = Q w /△t a γa c p (m 3/s) （式2-3）式中 △t a -空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差，通常△t a =20~30℃；3 γa -空气的重量，一般γa =1.05kg/m ；c p –空气定压比热，可c p =1.047kJ/kg·℃。
4) 散热器的正面积F r 计算公式2 F r =(0.0031~0.0038 )·P e （m ） （式2-4）说明：载货车和前置客车通风良好时，可取下限值即 0.0031－0.0033 m 2/kW；城市公交车长期低速运转但严重超载可取中值即0.0034－0.0035 m 2/kW；自卸车、牵引车、山区长途客运车等经常大负荷运行的车辆以及通风欠佳的后置客车可取上限值即 0.0036－0.0038 m 2/kW。
5)散热器的散热面积计算公式额定工况所需散热面积 F 1=βQ w1/(Kr 1*△t) （式2-5）最大扭矩工况所需散热面积 F 2=βQ /(Kr w22*△t) （式2-6）式中：β-散热面积储备系数（一般取1.1~1.15）Kr 1-散热器在额定工况下的传热系数；Kr 2-散热器在最大扭矩工况下的传热系数；△t -散热器冷却水和冷却空气的平均温差其中 ：△t=t w -t at w =（t w1+ t ）/2w2 t a =t +△t a1a /2式中：t w -冷却水的平均温度t a -冷却空气的平均温度t a1 –散热器冷却空气的进口温度（一般为40℃）3 6) 风扇风量V f =1.2 V a ( m /s) （式2-5）7) 风扇外径D 的计算D=（0.79~0.93）·（F r ）0.5 （m） （式2-6）公路运输车及前置发动机客车经验系数取偏小值，工程车及后置发动机客车取偏大值。
8）冷却能力评价T C = T －(t -T max w1e ) 推荐标准 : T C =36℃ － 54℃其中： T C -极限使用环境温度T -为最高允许出水温度max t -为发动机的出水口温度w1T e -为环境温度。
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。
后置商用车散热器的进风通道要与发动机舱密封隔离，见图2-2所示，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。
图2-2 后置商用车散热器密封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。
当散热器芯损坏时也会影响散热效果。
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。
如图2-3所示。
图2-3 散热器安装橡胶垫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。
散热器芯体所用材料，目前在国际上有铜质和铝质两种，欧洲普遍采用铝质材料，也是将来的发展趋势。
考虑到铝质散热器重量轻，焊接强度高和散热效果好，应尽量使用铝质散热器。
为了提高散热的散热效果，其进、出水管口内径尺寸应与发动机出、进水管口尺寸一致，另外还应保证进出水口在上下位置尽量错开，处于对角线上最好，不要在同一侧。
2.2 冷却风扇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。
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，后置商用车不大于 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。
风扇外径扫过的环形面积一般不小于散热器芯子迎风面积的55%。
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。
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 而小于 150mm，根据国内外设计经验，水冷散热器芯体与风扇前端尺寸应控制在风扇直径的20%为宜。
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。
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。
后置商用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°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。
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。
2.3 风扇护风罩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。
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。
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～20mm。
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。
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, 对于吸风式风扇，风扇叶片的投影宽度应伸入护风罩内 1/3 为宜。
见图2-4所示：图2-4 风扇伸入护风罩的轴向位置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。
2.4 压力盖压力盖可以保证密封使冷却系的冷却液能保持一定的压力，见图2-5所示，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。
