汽车冷却系统匹配设计简析
摘要：随着汽车普及率的提高，各地路况差异及装载质量的不确定性造成车辆在动力及油耗方面表现的各不相同，其中冷却系统设计匹配合理性是影响汽车的动力性及经济性的因素之一。冷却系统通过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。本文着重介绍了冷却系统关键部件匹配设计要点。
关键词：汽车发动机冷却系匹配热平衡试验
中图分类号：th 文献标识码：a 文章编号：
1007-0745(2011)01-0108-02
1、概述
汽车水冷发动机冷却系统关键由发动机冷却水套、冷却散热器、冷却水泵、节温器、冷却风扇(硅油风扇、电子扇)、冷却液等部件构成，它们之间通过合理匹配才能对汽车动力性及经济性发挥积极的作用，本文只针对轻型车或轿车冷却系统部件进行阐述。
2、冷却系统的总体布置
冷却系统总布置主要考虑两方面：一是空气流通系统；二是冷却液循环系统。在设计中必须作到提高进风系数和冷却液循环中的散热能力。提高通风系数：总的进风口有效面积和散热器正面积之比≥30％。对于空气流通不顺的结构，需要加导风装置使风能有效的吹到散热器的正面积上，提高散热器的利用率。在整车布置中散热系统中，还要考虑散热器和周边的间隙。
3、冷却系统关键部件设计要点
3.1散热器匹配设计要点
由于轿车车身较低，空间尺寸紧张。横流水结构散热器能充分地利用轿车的有限空间最大限度地增加散热器的迎风面积。减薄芯子厚度，这样利于风扇的风量和车的迎面风的通过性，提高散热器的散热效率。轿车芯厚不超过两排水管。对于高速行驶的车辆的散热器设计要充分考虑迎面风冲击效应。
目前散热器以铝代铜，采用硬钎焊技术提高总成强度和散热量，在不增大散热器空间尺寸和生产成本的前提下，提高系统压力也是目前广泛采用的办法。
散热器通常为四点悬置，也可以采用三点悬置。其中主悬置点为2个，辅助悬置点为2个或1个。所有悬置点应布置在同一个部件总成上，改善散热器受力情况，以尽量减少散热器的振动强度。主悬置点与其连接的部件总成之间以胶垫或胶套等柔性非金属材
料过渡以达到减震的目的。
根据使用实践，散热器在使用一年后，会出现局部的脱焊和积垢等现象，散热面积的减少导致散热能力可能要降低7％-10％左右。系统内气流分布不均也会引起散热能力减少3％-4％左右。因此设计散热器的最大散热量qmax值要偏大，一般qmax=(1.1-1.25)q 水，其中q水为发动机水套散热量。轻型车和轿车取下限。
3.2冷却风扇匹配设计要点
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
扇的直径，降低风扇转速。以达到减小功率消耗和降低噪音的目的。
冷却风扇一般采用硅油风扇及电动风扇两种。硅油风扇对于风扇直径、叶片数量、叶片宽度、角度分布有具体要求外，离合器设计也较为关键。风扇离合器啮合温度应设定在节温器初开温度与全开温度的中间温度，在设定风扇离合器啮合温度时要考虑此温度与冷却水的实际温度存在差异。电动风扇是由电动机来驱动风扇，电动机的启动与停止是受水温直接感应的温度开关来控制。
3.3节温器设计要点
节温器的全开温度应为发动机正常工作水温范围的中限、开启温度应为发动机正常工作温度范围的下限。开启温度一般低于全开温度10％左右。对于节温器要求关闭时泄露量小，全开时流通面积要大。增大节温器的流通面积可以通过提高节温器阀门的升程和增加阀门的直径来实现，有些发动机也采用两只节温器并联结构实现增大流通面积。开启温度设置，一般开启、关闭温差在8-10％之间。
3.4冷却液选用要点
冷却液的选用要考虑两点要素即沸点和冰点，沸点、冰点的高低和冷却系统压力、冷却液中乙二醇含量有关系。冰点随着乙二醇含量的变化呈非线性变化，冰点一般在一18％～-68％之间，在实际中，发动机冷却液系统的设计压力高于一个大气压，所以冷却液在下表中的沸点温度下不会沸腾。
4、以环境舱热平衡试验为例进行校核
目前我们在车辆设计开发过程中，冷却系统匹配方面注意车辆前部造型、流场问题外，为缩短开发周期及减少开发成本，通常以环境舱模拟路况进行热平衡试验。
下面简单介绍一下长城公司环境舱进行的热平衡试验：
按照gb／t 1 25346.1要求进行汽车预热，汽车要求满载，如装有空调，试验时应使用外循环，温度调节开关置于最大冷却模式，风量调节开关置于最大位置。
一般地，环境舱设置温度35％、40％、45％。试验工况：
4.1发动机最大扭矩转速工况
汽车以二挡、油门全开的状态行驶，底盘测功机逐步对汽车施加载荷，以在底盘测功机上车辆能稳定的运转为宜，一般加载坡度10％，控制汽车发动机转速稳定在最大扭矩转速范围内，转速偏差范围在±2％或+50 r/min(取两者中较大值)以内。
4.2发动机额定功率转速工况___
汽车以最高车速挡、全油门的状态行驶，底盘测功机不加载坡度，控制汽车发动机转速稳定在额定功率转速范围内，转速偏差范围在±2％或50r／min(取两者中较大值)以内。
4.3熄火浸置工况
不加载坡度，汽车以最高车速挡、全油门的状态行驶30min后迅速停车并熄火。
4.4发动机怠速工况不加载坡度，汽车以最高车速挡、全油门的状态行驶30min后，发动机怠速运转，空调打开。
各试验工况稳定后即以每20s时间间隔测量一次各点的温度并计算各冷却系数。当连续30min采集冷却参数无明显变化的趋势且变化均在1℃时，即认为整车达到热平衡，该试验工况结束。
4、5评价指标
在试验中的各种工况下，发动机转速、水温、空调压力等试验参数必须至少稳定20min，水温平衡点的温度不高于发动机许用最高温度和冷却介质的沸点温度，车速不低于正常车速的80％，空调压力保持正常，压缩机正常工作。一般的，环境温度40℃时高压不高于2.5mpa，低压不高于0.3mpa。
参考文献：
[1]gb／t 12542-90《汽车发动机冷却系冷却能力道路试验方法》
[2]《汽车工程手册》编委会。汽车工程手册设计篇[m].北京：人民交通出版社，2001.
[3]《汽车设计手册》，长春汽车研究所。
