华晨汽车冷却系统布置.doc
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冷却系统布置
一、冷却系统设计开发流程
二、冷却系统组成功用和选型
2.1冷却系统简介
冷却系统的结构主要有散热器、油冷器（AT）、风扇、管路、中冷器（涡轮增压发动机及柴油发动机匹配）、膨胀箱（溢水壶）组成。
根据发动机排量等因素影响，选择不同型号的散热器风量及风扇数量，导致在发动机舱所需空间不一样，在造型之初便要考虑散热器面罩（格栅）对散热器进风面积的影响，计算实际的迎风面积是否能满足散热器要求。
同时考虑散热器安装方式，及拆卸方便性。
并根据发动机进、出水管定义对管路进行走向、并考虑与悬置、排气歧管以及车身间隙。
若散热器位置高于发动机或与发动机等高以及较低于发动机时，应和设计部门确认是否需要设计膨胀水壶和引水管。
柴油发动机和涡轮增压发动机的冷却系统除以上组成外还增加了中冷器，中冷器主要考虑体积及散热要求，一般布置在冷凝器前部并考虑管路出口及与前横梁间隙。
散热器类型
管路走向定义
2.2冷却系统作用
冷却系统的作用是把受热零件吸收的部分热量及时散发出去，使发动机得到适度的冷却，从而使其保持在最适宜的温度范围内工作。
冷却液简介
1、冷却液成分：
水中加入乙二醇防冻剂后的混合物。
2、冷却液原理：
纯水在0度结冰，从零上4度下降到0度，水的体积膨胀，严重时将水冷却系统部件和发动机机体、缸盖胀裂。
在水中加入乙二醇后，冷却液冰点下降，质量比各占50%的冷却液的冰点降至零下35.5度，将能满足汽车在我国大部分地区使用的环境温度需要。
乙二醇质量比越高，冷却液的冰点越低。
防冻剂还有防锈剂和泡沫抑制剂成分，对减少冷却系统零部件锈蚀和增加散热效果的作用明显。
但因冷却液使用过程中，这两种成分被消耗，为保证冷却和防锈效果，要定期更换冷却液。
2.3冷却系统组成
图3-1
散热器张紧板2.六角法兰面螺栓3.橡胶衬套4.散热器总成5.弹性卡箍6.发动机出水管7.弹性卡箍8.水管－膨胀箱至散热器9.水管卡片10.六角法兰面螺栓11.管夹12.六角法兰面螺栓13.膨胀箱总成14.弹性卡箍15.水管－膨胀箱至水泵16.水管－发动机至膨胀箱17.弹性卡箍18.发动机进水管19.弹性卡箍20.弹性卡箍21.暖风机进水管22.弹性卡箍23.暖风机出水管24.橡胶软垫25.六角法兰面螺栓26.风扇电机带护风圈总成
2.4冷却系统原理
2.5冷却系统选型
散热器根据车辆的布置空间等因素选择散热器的结构形式，纵置或横置（华晨车型目前都为横置）。
散热器散热量应符合表1的要求。
具体的要求一般需要与竞品车及同型发动机对比确定。
表1散热器散热性能要求
发动机排量L
水流量L/min
风速m/s
消耗能量kW
V≤1.0
75
8
≥25
1.0＜V≤1.3
75
8
≥40
1.3＜V≤1.6
75
8
≥45
1.6＜V≤1.8
75
8
≥50
1.8＜V≤2.4
75
8
≥55
2.4＜V≤3.0
75
8
≥60
根据发动机排量等因素选择风扇数量及风量应符合表1、表2及表3。
表2单冷却风扇型式
发动机排量L
额定电压V
电流A
转速r/min
静压Pa
风量m3/h
噪声dB（A）
V≤1.0
13.5±0.2
≤9.0
2000±200
98
≥800
≤70
1.0＜V≤1.6
13.5±0.2
≤12.0
2200±200
98
≥1050
≤72.5
表3双冷却风扇型式
发动机排量L
额定电压V
电流A
转速r/min
静压Pa
风量m3/h
噪声dB（A）
1.0＜V≤1.6
13.5±0.2
≤9.0
2000±200
98
≥1600
≤72.5
V＞1.6
13.5±0.2
≤12.0
2200±200
98
≥2100
≤72.5
注：
表中的电流及转速值是对单个风扇的要求，风量是对两个风扇的总风量要求。
三、冷却系统布置流程和布置方法
冷却系的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。
在设计中必须做到提高进风系数和冷却液循环中的散热能力。
3.1布置流程
3.2冷却系统计算
1、散热器正面积计算
1）估算冷却系统散走的热量，经验公式：
Qw=A·ge·Ne·hn/3600
A—传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，汽油机A=0.23~0.30;
ge—发动机燃油消耗率（kg/kw·h）；
Ne—发动机功率（kw）；
hn—燃料低热值，汽油46000kJ/kg，柴油42600kJ/kg
2）计算冷却空气的需要量，Va=Qw/（△ta·γa·cp）
△ta—冷却空气通过散热器前后的温差，可取△ta=10~30℃；
γa—冷却空气的密度，一般取γa=1。
01kg/m³；
cp—冷却空气的定压比热，可近似取cp=1.047kJ/kg·℃
3）计算散热器的正面积FR=Va/va
va—散热器正面的空气流速（m/s），可取15m/s；
4）根据整车布置要求，确定散热器芯体高度h，计算出散热器芯体宽度b=FR/h
通过水箱上下横梁之间的距离，可以确定水箱的高度
2、散热器芯体厚度计算
1）散热器的散热面积：
指散热器冷却管、散热带与冷却空气所接触的所有表面积之和。
2）计算散热器的散热表面积F=Qw/（K·△t）
K—传热系数，主要由散热器的结构形式、材料和制造质量决定。
一般铝质、横流式的散热器，取K=0.2;
△t—散热器中冷却液与冷却空气的平均温差，△t=tw-ta；
tw—冷却液的平均温度
ta—冷却空气的平均温度
考虑经过散热器的冷却空气流速不可能均匀；散热片蒙上尘土时，散热性能要有降低，实际选取的散热面积F0要比结果F大一些，通常取F0=β·F（β取1.1）
3）计算散热器芯体厚度lR=F0/（FR·ψ）
Ψ—散热器芯的容积紧凑性系数，它表示单位散热芯部容积所具有的散热面积，ψ值越大，散热器越小，但空气阻力也大。
它决定于散热片和水管的数目、布置和形状。
一般铝质、横流式散热器。
取ψ=1000。
3、迎风面积计算
总的进风口有效面积和散热器正面积之比应大于等于30%
图1
3.3零部件布置
3.3.1、散热器布置
散热器的组成：
由进水室、芯体和出水室组成。
进水室连接发动机出水口，温度较高的冷却液由进水室进入芯体散热，当压力升高时，会在流向散热器芯体的同时，从散热器盖流向膨胀箱。
出水室起集水器作用，温度较低的冷却液在此汇集，被水泵抽走。
上水室
下水室
散热器盖
芯体
图2
3.3.2、散热器的布置：
根据水室的位置不同，可分为纵流和横流两种，纵流结构散热器强度好、悬置的可靠性高，但对于车头较低，空间尺寸紧张的轿车，可以将水室布置在芯体的两侧，大大节省了高度空间。
一般水室分上下两部分
一般水室分左右两部分
纵流式散热器
横流式散热器
图3
3.3.3、散热器的安装：
散热器通常为四点悬置。
其中2个主悬置点，2个辅助悬置点。
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。
主悬置点的胶垫压缩量一般为其自由高度的1/5左右。
在设计上散热器带风扇总成与发动机的最小间隙应保持在30mm以上（但目前由于考虑到碰撞，这个尺寸应根据安全要求加大）。
3.3.4、散热器与周边零部件关系：
冷凝器
中冷器
大于30mm
图5
由于在散热器前面增加了中冷器或冷凝器等部件，会影响散热器的散热效果，必要时，可以在冷凝器前面加装一个风扇。
图6
对于AT自动变速箱，要增加油冷管路，并通过散热器进行散热
图7
3.3.5、风扇布置
1）机械风扇：
对于纵置发动机，可以直接使用发动机上的机械风扇进行散热。
风扇直径大小应和散热器的形状相协调。
风扇通常由硅油离合器控制，通过冷却液温度，控制风扇的开启与关闭。
在机械风扇和散热器之间要加装护风圈，护风罩的主要作用是确保风扇产生的风量全部流经散热器，提高风扇效率。
一般风扇径向投影宽度的2/3在护风罩内，1/3在护风罩外，同时风扇与护风圈要保持足够的空间。
机械式风扇转速的由发动机转速高低决定，因此在高速行驶时，散热效果好，怠速和低速行驶时，效果较差。
2）电子风扇：
电子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。
电动风扇具有起动温度与设定温度一致，布置位置灵活，不受发动机转速的影响，汽车在低速怠速时冷却效果好等优点。
多用于横置发动机的轿车。
布置上风扇叶片与散热器最小间隙为15mm。
图8
3.3.6、膨胀箱布置
1）膨胀箱作用：
冷却液在发动机冷却回路流动，随温度升高体积膨胀、压力升高，为吸收这部分膨胀体积、降低冷却系统压力而设置了膨胀箱。
膨胀箱的容积一般为整个循环总容积的4%~6%。
2）膨胀箱分类：
具有膨胀箱的冷却系统根据膨胀箱有无加压分为两种：
膨胀箱：
在加压闭合系统内具有冷却液的膨胀空间（膨胀箱），冷却液循环到膨胀空间中，进行气液分离，并释放系统压力，膨胀箱应耐热、耐压，位置高于散热器并保持系统内压力适宜。
3）溢水壶：
在加压开放系统内具有冷却液的膨胀空间（溢水壶），通过散热器盖上的压力阀处释放系统压力，使一部分冷却液溢流至溢水壶内，进行气液分离，溢水壶耐热性、容量、位置要求低些。
第8代雅阁
大众POLO
图9
当冷却液膨胀使冷却系统内的压力超过预定值时，压力阀开启，一部分冷却液流入膨胀箱，以防止压力过高损坏散热器。
图10
4）冷却系统除气能力的要求
在冷却系统的布置过程中，应尽量保证散热器位置高于发动机，以保证膨胀后的蒸气能够顺利的排出；当散热器位置低于发动机时，就需要设计通气管，对发动机进行强制除气循环。
桑塔纳
散热器加注管
散热器通气管
桑塔纳3000
发动机水套通气管
散热器加注管
散热器通气管
图11
同样，当冷却系统中的管路位置高于散热器和发动机时，也需要增加通气管进行除气
管路通气
图12
3.3.7、管路布置
1）根据发动机进出水管的位置，确定散热器水管的位置，并进行管路走向的布置，管路长度要留有足够的余量，用来吸收动力总成的振动，当管路较长时需要增加支撑；
2）水管壁厚一般为4mm的，管子内径比与其连接管的外径小1mm，胶管两端与其它管相连接时，应有30mm的插入量，管路的曲率半径一般为管径的1.5倍。
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