柴油機冷卻系統設計研究

蔣智慶

（柳州職業技術學院 汽車與環境工程系，柳州 545006）

0 引言

柴油機正常工作時可燃混合氣在汽缸內燃燒溫度高達1800℃～2000℃[1]，直接與高溫氣體接觸的機件(如氣門、氣缸蓋、活塞等)由于吸收了大量的熱而溫度升得很高，若不及時進行有效地冷卻，不但零件之間的配合間隙因受熱膨脹會遭到破壞，活塞等運動機件也可能卡死在氣缸中造成“拉缸”，甚至熔化在氣缸中，而且機件也會因長期處于高溫狀態下，其剛度和強度大大降低而發生變形或折斷。

1 柴油機冷卻系統的影響因素

由于重型卡車柴油機工作工況比較復雜，影響冷卻系統的因素很多，主要有循環水量、散熱效率、空氣流量等因素。

1）循環水量。循環水量不僅與水泵的結構、轉速有關，而且與冷卻水量、水流的組織是否合理有關。冷卻水量應基本與柴油機功率成正比，1kW約需0.3 0.4L冷卻水。另外，合理的水流組織，可使水流阻力減少，提高循環水量，而且能夠使柴油機各缸冷卻均勻，避免一些受熱零件，特別是氣缸蓋和氣缸體的壁面由于溫度太高而產生“死區”和局部熾熱區。

2）散熱效率。散熱效率主要同水箱有關。現代重型卡車多采用帶有壓力蓋的管帶式水箱，該類型水箱散熱性能比較優越，由于帶有壓力蓋，使系統內壓力增高，其冷卻水即使在100℃仍不會沸騰，加大了散熱器內外溫差，提高了散熱能力，而且由于冷卻水沒有直接同外界抵觸，減少了“死水”現象，這就是所謂的“封閉式冷卻系統”。

3）空氣流量。空氣流量主要由風扇的直徑、轉速、葉片形狀、導風板密封程度、水箱罩與風扇葉片相對位置等因素有關。風扇的葉片直徑及角度對扇風量影響很大。

2 車用柴油機冷卻系統設計

2.1 車用柴油機冷卻系統設計要求

車用柴油機冷卻系統的主要任務是保證柴油機在最適宜的溫度狀態下工作，一般應滿足：1）散熱能力能滿足柴油機在各種工況下運轉時的需要。當工況和環境條件變化時，仍能保證柴油機可靠地工作和維持最佳的冷卻水溫度；2）冷卻系統消耗功率小。起動后，能在短時間內達到正常工作溫度；3）體積小，重量輕，又便于拆裝維修；4）使用可靠，壽命長，制造成本低。

2.2 閉式強制冷卻系統的計算

2.2.1 冷卻系統原始參數的計算

在設計或選用冷卻系統的部件時，就是以散入冷卻系統的熱量 為原始數據，計算冷卻系統的循環水量、冷卻空氣量，以便設計或選用水泵、散熱器和風扇。

1）冷卻系統散走的熱量Qw

冷卻系統散走的熱量Qw，受到許多復雜因素的影響，很難精確計算，初估Qw時，可以用下列經驗公式估算：

式中，A為傳給冷卻系統的熱量占燃料熱能的百分比，對柴油機A＝0.18%～0.25%；ge為柴油機燃料消耗率，kg/（kW·h）；Ne為柴油機功率，kW；hn為燃料低熱值，kJ/kg。

如果柴油機裝有機油散熱器，而且是水油散熱器，則傳入冷卻系統中的熱量，也應將傳入機油中的熱量計算在冷卻系統內。則按式（1）計算的熱量Qw值應增大5～10%。

2）冷卻水的循環量

根據散入冷卻系統中的熱量，可以算出冷卻水的循環量Vw：

式中，Δtw為冷卻水在柴油機中循環時的容許溫升，對現代強制循環冷卻系，可取Δtw＝6℃～ 12℃；ρw為水的密度，ρw＝ 1000kg/m3；cw為水的比熱容，cw＝4.187kJ/（kg ·℃）。

2.2.2 水泵的設計計算

1）確定水泵的泵水量

水泵的泵水量可根據冷卻水的循環量按式初步確定：

式中，ηv為水泵的容積效率，主要考慮水泵中冷卻水的泄漏，一般取0.6～0.85。

2）水泵泵水壓力確定

水泵的壓力應當足以克服重型卡車柴油機冷卻系統中所有的流動阻力，并得到必要的冷卻水循環的流動速度，此外，為冷卻可靠，在工作溫度下水在任一點的壓力均應大于此時飽和蒸汽壓力。因為冷卻水的局部壓力低于某一給定溫度下的蒸發壓力時，就會產生氣泡,時水泵形成汽液兩相供水現象,流量大為下降，造成發動機過熱。同時因為水泵入口處的壓力最低，當水泵的泵水壓力不足時，可能發生氣蝕現象。因此，重型卡車柴油機水泵泵水壓力可由式（4）確定：

式中，ns為水泵轉速，n為重型卡車柴油機轉速。

2.3 冷卻裝置設計

冷卻裝置設計主要包括散熱器、水泵、風扇以及膨脹水箱等部分的設計。

1）散熱器。車用柴油機冷卻系統的散熱器主要是橫流式，分為左水室，右水室，散熱器芯子等。散熱器左水室裝有散熱器的入水管，通過橡膠管與柴油機出水管連接；左水室上部有加水管，加水管口一般裝泄汽管。當冷卻水沸騰時，水蒸汽可以從此管排出。加裝防凍液的冷卻系統，此管接膨脹水箱。右水室有出水管，用軟管與水泵進水口連接，兩水室之間焊接散熱器芯管。散熱器芯片的形式為管片式鋁質芯子，其芯管為扁圓形直管(防凍裂性好)，周圍制有散熱片，芯管橫置。為使冷卻系統壓力高于大氣壓力，從而提高冷卻水的沸點，在散熱器蓋上帶有蒸汽-空氣閥。

蒸汽閥一般在散熱器內壓力達到126kPa 137kPa時開啟，部分水蒸汽經泄氣管排入大氣，避免損壞散熱器，而空氣閥在散熱器內氣壓降到99kPa 87kPa時打開。

2）水泵。由于離心式水泵具有尺寸小，出水量大，結構簡單，損壞后不妨礙水在冷卻系統中自然循環，故重型卡車柴油機冷卻系統采用在機體外安裝與風扇同軸驅動的水泵。水泵由殼體、葉輪、泵蓋板、水泵軸、支承軸承、水封等組成。

3）風扇。為提高流經散熱器的空氣流速和流量，以增強散熱器的散熱能力并冷卻柴油機附件，重型卡車柴油機冷卻系統采用軸流式風扇，裝在柴油機與散熱器之間，與水泵同軸驅動。

4）膨脹水箱。膨脹水箱因為要參與循環，對材料的耐熱性，耐壓性方面要求更高，故重型卡車柴油機冷卻系統主要采用透明的尼龍66，透過箱體可直接方便地觀察到液面高度，無需打開散熱器蓋。

重型卡車柴油機冷卻系統容積為10L，根據重型卡車設計理論，膨脹水箱的容積應占整個水系的12%～20%，膨脹空間應占5%～10%，膨脹水箱容積定為整個水系的15%（即1.5L），膨脹空間為5%～8%，即FULL線為1.0L，LOW線為0.7L。冷卻液應加到上刻線（FULL），當液面降到下刻線（LOW）時，應及時補充。

2.4 冷卻強度調節裝置設計

強制式水冷卻系統統的冷卻強度，一般受重型卡車的行駛速度，曲軸、水泵和風扇的轉速及外界氣溫的影響。當使用條件變化時，如外界氣溫高，柴油機在低速大負荷情況下工作，要求冷卻強度要強，否則柴油機易于過熱。而當外界氣溫低，柴油機負荷又不大時，其冷卻強度應弱些，不然就會使柴油機過冷。因此，要保證柴油機在最佳的溫度下工作，不出現過熱過冷現象，就必須能根據使用條件的變化自動調節重型卡車柴油機冷卻強度。冷卻強度的調整方法：改變流經散熱器的空氣流量和流速；或者是改變冷卻液的流量和循環路線。

1）節溫器。隨柴油機負荷和水溫的大小而自動改變冷卻液的流量和循環路線，蠟式節溫器可保證柴油機在適宜的溫度下工作，減少燃料消耗和機件的磨損。蠟式節溫器由上支架、下支架、主閥門、旁通閥、感應體、中心桿、橡膠管和彈簧等組成。

（1）當水溫低于86℃時，主閥門完全關閉，旁通閥完全開啟，由氣缸蓋出來的水經旁通管直接進入水泵，故稱小循環。由于水只是在水泵和水套之間流動，不經過散熱器，且流量小，所以冷卻強度弱。

（2）當冷卻水溫度在86℃ 106℃時，大小循環同時進行。當柴油機水溫達86℃左右時，石蠟逐漸變成液態，體積隨之增大，迫使橡膠管收縮，從而對中心桿下部錐面產生向上的推力。由于桿的上端固定，故中心桿對橡膠管及感應體產生向下的反推力，克服彈簧張力使主閥門逐漸打開，旁通閥開度逐漸減小，經小孔排出，保證能加滿水。為了防止通氣孔阻塞，故加裝一個擺錘。

（3）當柴油機內水溫升高到86℃，主閥門完全開啟，旁通閥完全關閉，冷卻水全部流經散熱器，稱為大循環。由于此時冷卻水流動路線長，流量大，冷卻強度強。

2）百葉窗。在冷卻水溫度較低時百葉窗可以通過改變吹過散熱器的空氣流量控制冷卻強度。百葉窗安裝在散熱器前面，它是由許多片活動擋板組成的。擋板垂直或水平安裝，由駕駛員通過裝在駕駛室內的手柄操縱調節擋板的開度。

3）風扇離合器。風扇是柴油機功率的消耗者，最大時約為柴油機功率的10%。為了降低風扇功率消耗，減少噪聲和磨損，防止柴油機過冷，降低污染，節約燃料，重型卡車柴油機冷卻系統采用硅油風扇離合器，由前蓋、殼體、主動板、從動板、閥片、主動軸、雙金屬感溫器、閥片軸、軸承、風扇等組成。

2.5 建議

1）水箱罩應包含風扇葉輪縱向寬度的2/3較為合適。另外，空氣流量還受到水箱罩與風扇葉片徑向間隙的影響，間隙越小越好。但由于水箱罩與風扇在行車震動時，步調經常不一致，因此一般取15mm 20 mm。但若風扇軸座與水箱罩是剛性連接的，可取5mm 6mm，效果更佳。

2）加裝膨脹水箱時應注意：（1）膨脹水箱的安裝高度應盡量大些，以形成足夠的靜水壓；（2）膨脹水箱要限制水位，形成一定的膨脹空間，以利于汽泡的排出，膨脹空間應占膨脹水箱容積的1/3

1/2。

3 結論

某重型卡車柴油機在國產化過程中，由于柴油機油耗較高，散熱量大，還有氣候，地貌，環境等原因，原先冷卻系統的性能已不能滿足部分地區（如新疆、內蒙古）的市場需求。為適應市場需求，重型卡車柴油機冷卻系統在原冷卻系統設計的基礎上進行了一系列的改進，比如由單節溫器改為雙節溫器，系統開啟壓力由110kPa增加到130kPa，降低散熱器芯子的厚度以減小風阻，提高散熱器正面進風面積，增加密封條等措施后，結果表明，某重型卡車冷卻系統的性能得到顯著的提高。

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