汽車冷卻系統(tǒng)設計概述

龍俊華 安瑞兵

[摘要] 冷卻系統(tǒng)是汽車的重要系統(tǒng)，本文介紹了汽車冷卻系統(tǒng)結構及功能、冷卻系統(tǒng)主要參數(shù)確定、冷卻系統(tǒng)部件方案，以及冷卻系統(tǒng)性能的評價方法。

關鍵詞：汽車;冷卻系統(tǒng);評價方法

前言

汽車冷卻系統(tǒng)是汽車的重要系統(tǒng)，汽車發(fā)動機工作時，燃料燃燒約25%的熱量是由冷卻系統(tǒng)帶走。發(fā)動機若過冷，則散熱損失增加，機油粘度較大，摩擦功率損失較大，使發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性指標下降，零件磨損加劇。同時發(fā)動機過冷，進入氣缸的混合氣或空氣溫度低，混合氣霧化質量下降，著火困難。發(fā)動機若冷卻不足，進入氣缸的空氣密度減小，使發(fā)動機功率下降。爆燃的傾向加大，使零件因承受額外沖擊性負荷而造成早期損壞;運動件的正常間隙被破壞，運動阻滯，磨損加劇;潤滑情況惡化，加劇了零件的摩擦磨損;零件的機械性能降低，導致變形或損壞。因此發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計非常重要，能將發(fā)動機保持在最適宜的溫度工作。

1 ?冷卻系統(tǒng)結構及功能

目前整車冷卻系統(tǒng)多為強制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，主要由水泵、節(jié)溫器、散熱器、冷卻風扇總成、膨脹水箱、冷卻水管等組成。結構見圖1所示，各部件功能見表1。

2 冷卻系統(tǒng)參數(shù)確定

冷卻系統(tǒng)匹配主要是發(fā)動機冷卻系統(tǒng)主要構件性能參數(shù)的確定，包括散熱器散熱量、、冷卻風扇流量、水泵流量等。

2.1 ?散熱器散熱量

根據(jù)使用實踐，散熱器使用一年之后會出現(xiàn)局部微小的脫焊和積垢等現(xiàn)象，雖然不影響正常使用，但散熱能力可能要降低7%-10%，氣流分布不均也會引起散熱能力減少3%-4%左

右，因此，通常在計算散熱器最大散熱量QW時應比Q水大10%-25%，即

點擊并拖拽以移動 ? ? ? ? ? 式（1）

Q水可以通過實驗實測選取，也可通過經(jīng)驗公式估算

點擊并拖拽以移動 ? ? ? 式（2）

式中：

Ne——發(fā)動機額定功率（kw）;

Ge——發(fā)動機額定工況燃油消耗率（kg/kw·h）;

hα——燃料低熱值，對汽油機43100kJ/kg，柴油機41870kJ/kg;

η——傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百

分比，對汽油機為0.23～0.30，柴油機為0.18～0.25。

2.2 ?冷卻風扇風量

為降低散熱器的溫度，需要有一定風量的空氣通過散熱器，此風量由風扇提供，一般說的風量是發(fā)動機極限工況點風扇可以提供的最大空氣量，風扇的風量由散熱器的散熱量和需要的空氣溫升決定的，風量一般通過下面式（3）計算：

點擊并拖拽以移動 ? ? ? ?式（3）

式中：

△t——空氣進入散熱器以前與通過散熱器以后的溫度差。通常在45～55℃

γa——空氣密度，取1.01kg/L，

Cp——空氣定壓比熱，取1.047W·h/（kg·℃），

2.3 ?水泵流量

水泵流量可以根據(jù)公式（4）進行計算

點擊并拖拽以移動式（4）

式中：

Δtw——冷卻水在發(fā)動機內循環(huán)允許的溫升，一般在5～9℃;

Ρw——水的密度，可近似取1000kg/m3

Cw——水的比熱，可近似取4.187kJ/kg·℃

3 ?冷卻系統(tǒng)方案選擇

在冷卻系統(tǒng)設計初期，應首先進行冷卻回路壓力方式確定，冷卻水溫控制方式選定，散熱器布置選定等。

3.1 ?冷卻回路壓力方式確定

冷卻系統(tǒng)按照冷卻水回路控制方式可以分為完全密閉式見圖3和簡易密閉式見圖4。完全密閉式壓力控制蓋在膨脹箱上，簡易密閉式壓力控制蓋在散熱器上，兩者的區(qū)別見表2。

3.2 ?冷卻水溫控制方式選定

發(fā)動機水溫控制按節(jié)溫器的位置可以分為兩種：一種是在發(fā)動機入水口見圖5所示，另外一種是在發(fā)動機出水口見圖6所示。

發(fā)動機在出水口溫控制由于是直接檢測到發(fā)動機水溫，可以在水溫度較高時進行控制，發(fā)動機內部摩擦相對節(jié)溫器在發(fā)動機入口水溫控制低。同時，由于是直接檢測到發(fā)動機水溫，節(jié)溫器開閉頻道高，水溫處于相對于波動的狀態(tài)。

3.2 ?散熱器布置選定

根據(jù)具體的布置空間，散熱器有縱流水結構見圖7所示、橫流水流結構見圖8所示。縱流水結構的散熱器強度及懸置的可靠性較好，散熱器水阻也較小;橫流水結構散熱器適用車身較低，空間尺寸緊張的情況，橫流水結構散熱器能充分地利用有限空間最大限度地增加散熱器的迎風面積。

4 冷卻系統(tǒng)性能評價

冷卻系統(tǒng)性能前期可通過仿真來判定是否達標，目前主要通過一維仿真來實現(xiàn)。后期通過試驗來評價性能是否達標。

試驗的評價方法目前有兩種，一種是許用環(huán)境溫度評價法，這種方法是根據(jù)設定工況進行整車冷卻系統(tǒng)試驗，得到發(fā)動機出水溫度，根據(jù)此溫度和冷卻液沸點計算車輛允許工作的環(huán)境溫度。另一種在環(huán)境倉根據(jù)車輛使用的環(huán)境溫度和工況進行試驗，根據(jù)發(fā)動機出水溫度，機油溫度等測量點的溫度是否超過目標判斷。

5 結論

冷卻系統(tǒng)設計時，通過經(jīng)驗公式確定冷卻系統(tǒng)的主要參數(shù);通過整車布置、成本、性能要求、維修便利性、使用壽命，對冷卻系統(tǒng)方案確定;最后通過仿真與試驗相結合的方法來判定性能是否達標。

參考文獻

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作者簡介：龍俊華、廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院、碩士、工程師