汽車冷卻系統的設計及匹配試驗

賴煥萍，嚴 格

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州 545007）

汽車動力系統可靠性的好壞，與發動機冷卻系統的好壞有著直接的關系，好的冷卻系統可以把發動機和傳動裝置受熱件所傳導出來的熱及時散發到周圍環境中去，使發動機和傳動裝置獲得可靠和有效工作的熱狀態，既不過熱，也不過冷，既有良好的動力性和經濟性，又有良好的工作可靠性。

汽車冷卻系統的熱傳遞部件，主要有水泵、散熱器、風扇和導風罩，調節零件是節溫器。當車輛在溫和和較冷的環境下運行時，冷卻系統的調節零件把冷卻介質的溫度控制在希望的范圍內；當車輛在酷熱的環境下運行時，熱傳遞部件及調節零件又使冷卻介質維持在規定的水平以下。

汽車冷卻系統設計的主要步驟為：

（1）確定冷卻系統的性能要求；

（2）確定發動機散熱量和冷卻液流量；

（3）選擇散熱器、風扇等冷卻系統部件；

（4）冷卻系統試驗

下面是筆者在五菱某車型冷卻系統的匹配設計及試驗中的一點體會。在樣車試制的初期，出現了發動機水溫不能滿足設計要求的情況，本文針對此問題從設計計算到整車試驗，展開了相關論證。

1 冷卻系統的性能要求

車輛冷卻系統的性能要求，是基于車輛運行的最高環境溫度和在最惡劣冷卻條件下的行駛車速而規定的，主要有如下幾點：

（1）發動機出水口溫度與環境溫度的溫差限值TTD，這是設計來防止發動機冷卻液出口溫度超過其最高冷卻液溫度限值——當車輛在最惡劣冷卻條件下運行時，可能遇到的發動機水溫。對大多數公路車輛來說，冷卻系統所遇到的最惡劣的狀態，發生在車輛滿載爬長坡時，此時發動機的熱負荷最大，且車輛的行駛速度相對較慢。

（2）最小爬坡車速，主要基于車輛的總質量和發動機功率水平，其將影響冷卻試驗的空氣流量，最小爬坡車速一般為（8～10）km/h。

（3）限制環境溫度（LAT），就是在發動機冷卻液溫度達到車輛能運行的最高環境溫度。一般車輛設定為45℃，最高環境溫度限值=LAT+TTD。

因此，在冷卻系統試驗中，冷卻系統應能達到發動機出水口溫度與環境溫度的溫差限值TTD的能力，才能滿足設計環境的應用要求。

2 樣車冷卻系統試驗問題分析

要驗證整車冷卻系統是否能平衡發動機的熱量，即使通過了嚴密的計算,也還須對整車的冷卻系統進行試驗，才能最后確定冷卻系統的各零部件匹配的合理性。為此我們進行了匹配設計后樣車的冷卻系統的試驗驗證，但驗證的結果發現并不能滿足設計要求，出現了水溫高的問題，針對這個問題我們展開了日下分析及驗證試驗：

2.1 滿載試驗時出現的問題

對兩臺試驗樣車進行了滿載路試，出現了如下問題：

（1）在城市工況時，如果踩剎車多，停車起步多，則會水溫高；

（2）車速超過70 km/h時，水溫高；

（3）爬山時水溫高；

（4）發動機倉過熱，熱量散發不出去，特別是發動機倉蓋板，熱得都變形了。

問題的出現讓我們深思，水箱的選擇是足夠大了的，散熱量比最初設計的增加了23%，散熱面積比最初設計的增加了72.8%，迎風面積比最初設計的增加了50%，居然還會出現水溫高的問題。

2.2 對問題的分析

針對以上問題，我們從冷卻風道上思考，仔細觀察整車發動機倉的內部結構布置，發現如下問題：

（1）導風罩與散熱器不匹配。最初選擇的電子扇的最大外徑太小，水箱大部分散熱面積被導風罩蓋住，在整車高速行駛時，由于導風罩擋住了出風口，對自然空氣流動有嚴重的影響，這嚴重影響了高速的空氣流動，無形中減少了水箱的散熱面積，所以導致了高速行駛時出現水溫高的現象；

（2）水箱布置中與冷凝器重疊過多，且兩者之間的間隙小，最小處僅為2～4 mm，這也嚴重地影響了水箱的散熱面積的正常發揮，影響了冷卻效果；

（3）水箱上安裝梁與水箱距離小，僅為0～5 mm，這也減少了水箱的散熱面積；

（4）發動機倉的排風口小，排風口面積小于水箱的進風口面積，排氣背壓大，熱風難以排出去；

（5）水箱的進風面積小，前保險杠上的進風口離水箱的正面距離太近，有的地方幾乎與散熱器的進風口處為0距離，這嚴重地影響了冷卻效果；

（6）發動機倉內的冷卻通風無導流，發動機后的前隔板全部為直角，而且發動機后部離前隔板距離太近，最小處距離僅為40 mm，這嚴重地影響了冷卻風經過發動機后流往外部，影響了各種工況的通風散熱。

3 對不合理結構的分析及改進試驗

3.1 對導風罩與散熱器不匹配的改進

針對 2.2 節中（1）、（2）、（3）導風罩與散熱器不匹配的問題，進行了如下計算：

（1）水箱的正面散熱芯子的面積為181 800 mm2，原配電子扇的導風罩的面積為75 468 mm2，被遮擋住的部分為106 332 mm2，占水箱的正面散熱芯子的面積的58.5%；

（2）整車布置時，水箱與冷凝器重疊了60 mm×300 mm=18 000 mm2，占水箱的正面散熱芯子的面積的9.9%；

（3）整車布置時，水箱上部約有100 mm寬的地方沒有進風口，面積為45 450 mm2，占水箱的正面散熱芯子的面積的25%；

綜合起來，約有80%的散熱器沒有發揮作用，發揮作用的散熱器的散熱量的值僅占總散熱量的20%，當整車在70 km/h行駛時，散熱器的散熱量只發揮了60×20%=12 kW。

這樣看來，整車在60 km/h行駛時，就達到了熱平衡；當車速達到70 km/h時，一定會出現水溫高的問題。因為滿載時，發動機散發到冷卻系統的散熱量為17 kW，大于冷卻系統的吸熱量12 kW，熱平衡不好，難怪會出現高速70 km/h以上車速水溫高的問題。

為了證實導風罩及重疊影響散熱效果，我們將不合理的導風罩拆下，只裝了適合于305風扇直徑的小導風罩，水箱及其他部位無阻擋物，另外，調整了散熱器與冷凝器的重疊部位及水箱上部的0距離的橫梁，做了如下試驗，如表1所列。

表1 導風罩與散熱器改進試驗數據表

3.2 對發動機倉排風口小的改進

針對2.2中問題（4），經計算，原設計發動機倉水箱側的通風口的面積約為

34 960+45 000=79 960 mm2＜1 818 000 mm2（散熱器正面面積）。

所以造成熱風出不去，必然會出現水溫高的現象；后將側板缺口開大，使出風口面積為

34 960+170 100=205 060 mm2

試驗水溫有明顯的改善，試驗結果見表2。

表2 發動機倉排風口改進試驗結果表（單位：℃）

從表2可以看出，裝邊板和不裝邊板或裝半邊板的的水箱出風口的溫度，差別很大，從62℃提高到了76℃，而且裝邊板的出風口溫度一直維持在76℃不變，這說明了熱風排不出去。水溫在高速及爬山時也不好，長期處于104～105℃（空調停止工作）范圍內，通風系統須要改進。

試驗中發現，在原小電子扇外形的基礎上，加大電子扇功率及流量，效果不明顯，拆了邊板，雖然空氣流動好了些，但冷卻效果不明顯，水溫仍高，這是由于進風口的面積太小及電子扇的外徑和導風罩的結構不匹配導致的。

說明了發動機倉的通風口的面積的設計，對冷卻效果是有很大關系的。

3.3 對水箱進風口面積小的改進

針對2.2中問題（5）水箱的進風口面積小的問題，經計算，原設計中水箱前的進風口面積為33 929 mm2，占散熱器正面面積的18.6%。

汽車設計中明確規定，在車身設計時，應盡量減少散熱器前的障礙物，一般散熱器的進風口的面積應盡可能等于散熱器的正面面積，如果條件不允許，其有效進風面積應大于60%的散熱器的芯部正面積，否則散熱器的功能就得不到發揮。經計算，整車的進風口面積僅為18.6%，難怪整車在高速及爬坡時會出現水溫高的問題。

冷卻系統需要從風扇處獲得的空氣流量值，取決于車輛行駛時冷卻系統可以獲得多少自然空氣流量。大多數高速公路車輛，均為前置式冷卻系統，能夠獲得足夠的自然空氣流，發動機工作時間的90%或更多的時間，均不需要風扇工作。由于水箱為前置式，要想辦法充分利用迎面風。

針對此問題，我們在整車的前保險杠上開了12個直徑為20 mm的進風口，水箱正面進風面積增加了6×3.14×10×10=1 885 mm2，并將散熱器與冷凝器重疊的地方移開，將水箱前上部的橫梁移開，使水箱有了一個稍好一點的進風口，進風面積提高到了20%。

通過試驗，驗證了此舉效果很明顯，水溫降低了5℃，最高車速提高了10km/h，詳細試驗結果見表3。

表3 水箱進風口面積的改進試驗結果表

從表3可以看出，當車速達到90 km/h時，如果不開孔，發動機倉的溫度大于水箱出風口的溫度，說明了發動機倉的空氣流動已形成了渦流。

以上試驗結果給了車身設計一個提示：水箱的進風面積，是對冷卻效果有至關重要作用的。經與車身設計部門商量，在前保險杠上除開孔外，再加一大進風口，并將風導向水箱上部，進風面積增加了49 360/2=24 680 mm2，這樣水箱的正面進風面積達到了33%，同時為最終設計的水箱選擇了匹配的電子扇及導風罩，電子扇的功率為216 W，風扇的直徑增加到Φ 370 mm，風扇掃過的面積為107 521 mm2，占水箱正面面積的59%，導風罩為匹配的導風罩，這樣試驗的結果見表4至表8。

（1）開空調、城市工況（見表4）。

表4 開空調、城市工況試驗結果表

調整測量溫度點的試驗情況（見表5）。

表5 調整測量溫度點的試驗情況表

（2）關空調、高速工況的試驗情況（見表6）。

表6 關空調、高速工況試驗情況表

（3）開空調、高速工況的試驗情況（見表7）。

表7 開空調、高速工況的試驗情況表

（4）爬山工況的試驗情況（見表8）。

表8 爬山工況的試驗情況表

從本節（1）、（2）、（3）、（4）的試驗數據看，所匹配的電子扇、導風罩及前保險杠開的進風口，是基本滿足整車冷卻系統的要求的。整車在低速及一般路面行駛時水溫正常，發動機倉的空氣流動在車速小于100 km/h是正常的。當車速達到100 km/h時，發動機倉內的空氣流動有渦流出現，因為當車速上到100 km/h時，仍出現發動機倉的溫度大于水箱出風口的溫度，所以導致在120 km/h時，水溫還往上升的結果。這與氣流速度越高、風阻越大的理論是相符的。發動機倉的通風效果還有待改進，特別是由于風扇出風口無空氣導流道，高速時使冷卻風無法排出，排氣背壓大。

從整車的布置結構看，由于發動機后部離前隔板太近，且出風口處是直角轉角，無通風導流的設計，所以導致冷卻風無法從后部通暢的排出，容易形成排氣背壓。

4 經驗總結

從上面的設計計算及試驗分析，可以總結出如下經驗：

4.1 冷卻系統的計算

匹配冷卻系統對于高速車應以最大功率點為設計計算點，然后以最大扭矩工況點進行校驗，確保冷卻系統的吸熱量大于或等于發動機傳給冷卻系統的熱量，但最后的結果均須用試驗來驗證；

對于不同的車型，計算時須根據發動機的負荷系數來選擇水箱及電子扇，α0應根據發動機的負荷系數來定，負荷系數大則取大些，小則取小些；對于我們城市公交車，應該以重負荷率為設計計算的基礎。

風扇掃過的面積及電子扇的導風罩的面積，最好能達到水箱正面面積的45%～60%，只有這樣，才能充分發揮水箱、風扇的作用。

4.2 冷卻系統對整車其他系統的要求

（1）為了改善空氣流動阻力，應減少空氣流動阻力，進風口的面積大小與冷卻系統的性能有很大關系，要充分利用，否則將無法發揮水箱的散熱功能。所以車身設計時，應盡量減少散熱器前的障礙物，一般散熱器的進風口的面積，應盡可能等于散熱器的正面面積，如果條件不允許，其有效進風面積應大于60%的散熱器的芯部正面積，否則散熱器的性能就得不到發揮，還需加大散熱器的面積及電子扇的功率。

（2）排風口須考慮降低排風的背壓，排風口一定要大于進風口，避免形成空氣渦流。為了減少風扇后的排風背壓，要加大發動機機艙中的排風通道和排風口面積，并組織氣流通暢排出。由于冷空氣進入機艙后溫度上升，體積膨脹，故排風口總面積應大于風扇葉片掃過的面積，排風口應向后或向下，以免增大車外噪音。

（3）風扇距任何部件的距離，應大于20 mm，以降低葉片的振動或噪音。

（4）從發動機出水口到散熱器進水口軟管的直徑，必須大于發動機出水口的直徑，從散熱器來的軟管直徑，必須小于發動機冷卻水進水口直徑。

（5）冷卻風道最好加導流板。

5 結束語

總之，整車冷卻系統的設計計算，應與計算機仿真和熱態模擬試驗相結合為方向，輔以必要的野外實車試驗，只有這樣，才能準確可靠地匹配好車輛的冷卻系統。

[1]姚仲鵬，王新國.車輛冷卻傳熱[M].北京：北京理工大學出版社，2001.