冷却系统基本设计规范

冷却系统基本设计规范

简式国际汽车设计（北京）有限公司

2008.5

目录

1.冷却系统的构成和设计要求 (1)

1.1 冷却系统的构成 (1)

1.2 冷却系统的设计要求 (1)

2 冷却系统设计 (2)

2.1 散热器 (2)

2.2 冷却风扇 (6)

2.3 风扇护风罩 (7)

2.4 压力盖 (8)

2.5 膨胀水箱 (10)

2.6 取暖器 (13)

2.7 水泵 (13)

2.8 散热器管路 (13)

2.9 冷却液 (14)

1.冷却系统的构成和设计要求

1.1 冷却系统的构成

冷却系统由散热器、风扇、膨胀箱等部件组成。其功能是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。汽车冷却系统的结构简图见图1-1所示：

图1-1 冷却系统的构成

1.2 冷却系统的设计要求

1) 冷却系统的设计应保证：使用冷却水作冷却液和 0.5bar 以下的压力盖时，发动机出水口的温度允许到 100 ℃；使用冷却水作冷却液和 0.7-0.9bar 压力盖，在不连续工况运行下，最高水温允许到 110 ℃。

2)如果使用长效防冻防锈液作冷却液和 0.5bar 以下的压力盖时，发动机出水口的温度允许到105℃；使用长效防冻防锈液作冷却液和 0.7-0.9bar 压力盖，在不连续工况运行下，最高水温允许到 115 ℃。

3) 冷却液的膨胀容积应大于等于整个系统冷却液容量的 6 %。

4) 冷却系统必须用不低于 19 L/min 的速度加注冷却液，直至达到应有的冷却液平面，以保证所有工作条件下气缸体水套内冷却液能保持正常的压力。

2 冷却系统设计

件进行冷却系统内流场计算分析，最终以整车高温试验结果对冷却系统设计是否满足使用要求进行确认。具体各主要部件的设计过程如下。

2.1 散热器

散热器是冷却系统中的重要部件，其主要作用是对发动机进行强制冷却，以保证发动机能始终处于最适宜的温度状态下工作，以获得最高的动力性、经济性和可靠性。

散热器和风扇组合匹配效率是当散热器芯子未被气流扫过的面积最小时为最高，因此，最好采用接近正方形的散热器芯子。如图2-1所示。

图2-1 散热器

散热器的总散热面积、芯子的迎风面积、结构形状和结构尺寸要通过发动机冷却系统所需最大散热量来计算确定，并应通过试验评价来最终确定。理论计算一般是根据有关计算公式及所配发动机的相关参数，如功率，油耗等，确定水冷散热器的总散热面积。根据风扇大小及整车空间尺寸确定散热器迎风面积，再根据散热器面积计算公式选取散热器芯厚尺寸。

散热器及风扇计算过程如下：

1）冷却系统散走的热量Q w 的计算公式

Q Ag w=e P e h n /3600(kJ/s) （式2-1）

式中： A-传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，

对汽油机A=0.23~0.30，对柴油机A=0.18~0.25；

g e—发动机燃料消耗率（g/kw·h）；

P e—发动机功率（kw）；

h n—

燃料低热值（kJ/kg）。

柴油和汽油的低热值和分别取41870 kJ/kg和43100 kJ/kg。 2) 冷却水的循环量V w 的计算公式

V w = Q w /（t w1- t w2）γw c w (m 3/s) （式2-2）

式中： t w1-发动机出水口温度（一般为85℃~95℃）

t w2-发动机进水口温度（一般为75℃~85℃）

3 γw -水的比重，可近似取γw =1000kg/m ；

c w –水的比热，可近似取c w =4.187kJ/kg·℃

3) 冷却空气需要量V a 的计算公式

V a = Q w /△t a γa c p (m 3/s) （式2-3）

式中 △t a -空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度

差，通常△t a =20~30℃；

3 γa -空气的重量，一般γa =1.05kg/m ；

c p –空气定压比热，可c p =1.047kJ/kg·℃。

4) 散热器的正面积F r 计算公式

2 F r =(0.0031~0.0038 )·P e （m ） （式2-4）

说明：载货车和前置客车通风良好时，可取下限值即 0.0031－0.0033 m 2/kW；城市公交车长期低速运转但严重超载可取中值即0.0034－0.0035 m 2/kW；自卸车、牵引车、山区长途客运车等经常大负荷运行的车辆以及通风欠佳的后置客车可取上限值即 0.0036－0.0038 m 2

/kW。

5)散热器的散热面积计算公式

额定工况所需散热面积 F 1=βQ w1/(Kr 1*△t) （式2-5）

最大扭矩工况所需散热面积 F 2=βQ /(Kr w22*△t) （式2-6）

式中：β-散热面积储备系数（一般取1.1~1.15）

Kr 1-散热器在额定工况下的传热系数；

Kr 2-散热器在最大扭矩工况下的传热系数；

△t -散热器冷却水和冷却空气的平均温差

其中 ：△t=t w -t a

t w =（t w1+ t ）/2

w2 t a =t +△t a1a /2

式中：t w -冷却水的平均温度

t a -冷却空气的平均温度

t a1 –散热器冷却空气的进口温度（一般为40℃）

3 6) 风扇风量V f =1.2 V a ( m /s) （式2-5）

7) 风扇外径D 的计算

D=（0.79~0.93）·（F r ）0.5 （m） （式2-6）

公路运输车及前置发动机客车经验系数取偏小值，工程车及后置发动机客车取偏大值。

8）冷却能力评价

T C = T －(t -T max w1e ) 推荐标准 : T C =36℃ － 54℃

其中： T C -极限使用环境温度

T -为最高允许出水温度

max t -为发动机的出水口温度

w1T e -为环境温度。

散热器进风口的实际面积不得小于散热器芯子迎风面积的 80 %，以防止散热能力下降。

后置商用车散热器的进风通道要与发动机舱密封隔离，见图2-2所示，散热器周围要安装密封橡胶，以防止发动机舱的热风回流到进风通道，影响散热性能；进风通道的面积应不小于散热器芯子的迎风面积。

图2-2 后置商用车散热器密封

在灰尘多的脏环境下使用时，应选用直排或斜排冷却管，且管子间隔要大，以避免散热器芯子堵塞，影响散热效果。当散热器芯损坏时也会影响散热效果。

散热器安装时，紧固必须牢靠，与车架的连接必须采用减振垫，采用减振垫的目的是为了隔离和吸收来自车架的部份振动和冲击，使散热器在车辆运行中，不致发生振裂、扭曲等非正常损坏，延长散热器寿命。如图2-3所示。

图2-3 散热器安装橡胶垫

因为散热器与车架之间安装有隔振橡胶，因而形成了绝缘状态，通过冷却液介质，在散热器与车架之间产生了电位差，在冷却液中产生了微弱电流，使冷却系统的零部件发生电腐蚀。因此，一定要采取散热器负极接地等措施，消除电位差，防止电腐蚀。

散热器芯体所用材料，目前在国际上有铜质和铝质两种，欧洲普遍采用铝质材料，也是将来的发展趋势。考虑到铝质散热器重量轻，焊接强度高和散热效果好，应尽量使用铝质散热器。

为了提高散热的散热效果，其进、出水管口内径尺寸应与发动机出、进水管口尺寸一致，另外还应保证进出水口在上下位置尽量错开，处于对角线上最好，不要在同一侧。

2.2 冷却风扇

冷却风扇首先要满足冷却系统对风量和压头的需要；同时要消耗功率小、风扇效率高，且有较宽的高效率区；风扇噪声小，重量轻，成本低等。目前普遍采用的有金属风扇和塑料风扇两种，风扇叶片应具有足够的强度，以防车辆涉水时，折断风叶；在寒冷地区使用，推荐选用带硅油离合器的风扇。

确定风扇直径与转速时，要注意风扇叶尖的圆周速度不大于 91 m/s，后置商用车不大于 100 m/s，否则对风扇噪声和强度都不利。风扇直径尽可能与散热器芯子迎风尺寸基本相同，以便风扇扫过的面积尽可能大地覆盖散热器芯子的迎风面积，使气流全面地通过散热器。风扇外径扫过的环形面积一般不小于散热器芯子迎风面积的55%。

为考虑冷却系整体阻力，通过散热器芯部的压差不应大于所选风扇特性曲线中最大工作压力的 70%；风扇的风压、风速等设计应按发动机在标定工况下和在最大扭矩工况下冷却水所需最大散热量来计算确定，并经整车冷却系统的试验评价来最终确定。

为充分利用车辆行驶时的迎风速度，车用发动机风扇都采用吸风式；风扇前端面至散热器芯子的距离应大于 50 mm 而小于 150mm，根据国内外设计经验，水冷散热器芯体与风扇前端尺寸应控制在风扇直径的20%为宜。有利于气流均匀通过散热器芯部整个面积，尤其是散热器的四角；冷却风扇后端面至发动机前端面的距离应大于 100 mm，至其它零部件的距离应大于 20 mm，以最大限度地降低风扇噪声及叶片振动，并改善发动机的气流状况，满足发动机的冷却需要。

如果风扇装在水泵皮带轮上，一般不允许加装风扇垫块；如果风扇装在曲轴前端，风扇与连接法兰之间必须装有橡胶减振器，用于吸收曲轴的扭振，防止叶片扭振断裂，同时避免影响曲轴系平衡。后置商用车风扇一般由曲轴皮带轮通过惰轮驱动，风扇驱动皮带和风扇皮带必须分别设置皮带张力调整机构。曲轴皮带轮和惰轮，惰轮和风扇皮带轮的轮槽必须分别在一个平面上，皮带和皮带轮的交差角应控制在 0.5°内，必须先调整好后之后再安装皮带，否则会损坏皮带、皮带轮或轴承，甚至会发生皮带翻转或脱落。

安装风扇时，不可使用弹簧垫圈，因为弹簧垫圈能使风扇托架产生预紧力，影响强度。

2.3 风扇护风罩

风扇护风罩是为了提高风扇的冷却效率，使通过散热器芯部的气流均匀分布，并减少发动机舱内热空气回流而设计的，因此，设计风扇护风罩时应注意技术的合理性。

对于前置发动机，风扇护风罩的设计分整体式和分开式两种；对于后置式发动机，一般都采用整体式。

护风罩与风扇叶尖的径向间隙应尽可能小，以保证风扇冷却效率。当采用分开式护风罩时，风扇与护风罩无相对运行，其径向间隙应不超过风扇直径的 1.5 %，或者 5 mm ～10 mm；当采 用整体式护风罩时，风扇与护风罩有相对运动，其径向间隙也不应超过风扇直径的 2.5 %，或者 15 mm～20mm。驾驶员应经常检查风扇与护风罩之间的径向间隙，以确保发动机风扇与散热器发生相对位 移时，风扇与护风罩之间不产生碰触。

应注意护风罩结构设计的合理性，不应有阻挡风扇气流的死角。

风扇伸入护风罩的轴向位置，与进气效率有很大关系，对于吸风式风扇，风扇叶片的投影宽度应伸入护风罩内 2/3 为宜, 对于吸风式风扇，风扇叶片的投影宽度应伸入护风罩内 1/3 为宜。见图2-4所示：

图2-4 风扇伸入护风罩的轴向位置

在安装护风罩时必须注意，护风罩与散热器之间不得有缝隙，应采用橡胶或泡沫塑料垫加以密封，以保证冷却效率不降低。

2.4 压力盖

压力盖可以保证密封使冷却系的冷却液能保持一定的压力，见图2-5所示，从而提高冷却液的沸腾温度，可使发动机在高温条件下不产生沸腾，保证发动机工作安全；可使冷却液温度与环境大气温度之间液——气温差变大，从而提高散热器的散热能力；可以减轻或消除冷却液循环中的气泡和气阻现象，保证冷却液实际循环流量的稳定，让足够的冷却液把热量从发动机内带走；可以减缓或消除发动机水套内高温壁面上的膜态换热，改善热传导质量，使受热表面得到良好的冷却。

图2-5 压力盖

在无膨胀水箱的冷却系中，压力盖装在散热器上水室的加注口上，无膨胀水箱的冷却系统在安装设计时散热器上水室的加注口要高出发动机出水口的尺寸至少 50 毫米；在有膨胀水箱的冷却系中，压力盖装在膨胀水箱的加注口上。压力盖开启压力一般有 0.5bar、0.7bar、0.9bar、

1.05bar四种，应根据使用地区海拔高度选定，以补偿由于海拔高度上升引起的大气太力下降。推荐压力盖的开启压力为 0.5bar ～0.9bar，在高原地区使用时为 1.05bar。同时，压力盖应带一个真空阀（即空气阀），真空阀的开启真空度 10±1kPa。因为冷却液经外溢和冷缩后，系统内将产生负压，外界空气可通过真空阀进入散热器或副水箱，使系统内压力与外界大气接近平衡，这样对管路、密封垫及散热器等起到保护作用。如果汽车在高原运行，则由于海拔高，冷却液的沸点降低，更需要采用压力盖。否则，要发生早期沸腾，发动机无法正常工作。冷却系统布置见图2-6所示：

图2-6 冷却系统布置

2.5 膨胀水箱

当冷却系采用低位密封式散热器时，必须增设高位膨胀水箱，它的主要功能是给冷却液提供一个膨胀空间，及时去除冷却液中积滞的空气以及发动机高温下产生的水蒸汽，以便更有效地利用散热器的散热功能，提高冷却效率。见示意图：

图2-7 膨胀水箱

膨胀水箱的总容积应包含占冷却系统总容积 6%的膨胀容积、占冷却系统总容积 11%的储备容积以及必备的残留容积。储备容积是为了确保冷却系由于微量不能觉察的泄漏和冷却液蒸发后仍能保持水套内正常的水压，而能及时补充冷却液，延长补液周期，当冷却液泄漏到空气开始进入却系 统时的泄漏水量。必须至少比初次未加注水要多总容积的1％，即应是总容积的11％，有暖风机时应达20％；必备的残留容积是为了安全起见，防止冷却液在循环中吸入空气而设置的，要求冷却液的最低液面至膨胀水箱的底面距离不小于35 mm，所以必备的残留容积应不小于35 mm×膨胀水箱底平面面积。计算冷却系总容积时，应注意将带有的水空中冷器和取暖器的容积计算在内。

图2-8 膨胀箱结构示意图

注意：通气立管内径要求大于等于 8 mm

膨胀水箱应设置最高液面和最低液面标志，最高液面的上方应有不小于规定的膨胀容积，该容积内不可以加注冷却液；最低液面与最高液面之间的容积应不小于规定的储备容积；膨胀水箱还应设置最低液面的液位传感器，以便提醒驾驶员及时添加冷却液。

图2-9 轻卡膨胀水箱

图2-10 膨胀箱液位标识

膨胀水箱上部应设置两个出气管接口，推荐出气管内径为大于等于 5.0mm，注水管（即加水管内径要求大于等于19mm）在水泵流量小于

757L/min 时，散热器和发动机水道连续除气和连续补水。

图 2-11 膨胀箱液位及接口推荐尺寸

布置膨胀水箱位置时，它的底平面至少应高出发动机出水口顶部或散热器上水室顶部 100毫米。发动机及散热器通气管应连续上行，不能下垂和有下弯段，不允许与其它水管 T 形连接。发动机与散热器间的进出水管直径应大于发动机上的相应接口的直径。

第一次加注冷却液时，应同时将散热器下部和发动机水套下部的放水开关打开，直到有冷却液溢出时再关闭，以便消除残留空气，顺利地将冷

却液加满。一次加满率大于等于总容积的 90 %。发动机起动后25分钟内应除尽初次加注时积存在冷却系中的空气。

2.6 取暖器

大容量高置取暖器，应在其顶部设置放气开关，以便在加注冷却液时，对取暖器进行放气，以防止困气现象产生。

如果取暖器装置位置高于冷却液加注口时，应在取暖器上增设特殊的加注设备，以防止空气和蒸汽滞留在冷却系统内，不能排出。

在发动机的暖风开关上，应设置节流孔，以合理地控制流入取暖器的压力和流量，防止冷却液压力超过取暖器的限制值；防止冷却液旁通过多，影响冷却系统正常工作。推荐的节流孔直径：当发动机转速不高于 2500 r/min 时为 6 mm；高于 2500 r/min 时为 5 mm。

商用车用大流量取暖器，应有另外的热源对冷却液加热，避免发动机处于长时间低温下工作。

2.7 水泵

水泵进口希望能保持正压，设计时应尽可能提高散热器上水室的位置。发动机出水口与进水口之间的最大外部压力降不得超过 35 kPa，否则将影响发动机的水泵进口压力和冷却液循环速度。

尽量不要将风扇装在水泵上，尽量不用水泵驱动空调压缩机，减少水泵承受的附加弯矩。

2.8 散热器管路

连接发动机与散热器之间的管路应尽量短而直，减少弯曲；总布置需要拐弯时，管子的曲率半径应尽可能大，以减少管道阻力，且管路的弯角处或截面变化处必须圆滑过渡；为了避免冷系统内产生气泡，从而对冷系统造成破坏和降低冷却效果，必须使发动机和散热器与副水箱相连的的排气管不形成U字形结构，应采用平顺或逐渐上行方式。如确有必要，则应在

发动机水道最高点设置放气阀，加注冷却液时应打开该放气阀，让发动机水套内的气体及时排出。

所有管路要有一定的柔性，以适应发动机和散热器之间的相对运动，防止散热器的管口振裂。水泵进水管应有一定的刚性，以免发动机工作时被吸扁。

散热器的管路可用成形胶管或金属接管加胶管接头；金属接管要进行防锈处理，外径和发动机进出水口部位的管径相同或稍大；成形胶管或胶管接头的内径应和发动机进出水口的外径相同或稍大；胶管壁厚应在 5 mm 以上，且加有一层纤维，胶管性能应符合HG/T2491标准，具有耐热、耐油性，能在-40 ℃～120 ℃温度下长期正常使用，耐压能力应超过 300 kPa；如管路较长时，应对冷却管路固定,固定间隔约500mm；金属接管插入连接胶管的长度应大于 50 mm，并采用平板带式卡箍紧固，卡箍到胶管边

缘的距离为 5mm ～10 mm。

2.9 冷却液

发动机要求使用长效防冻防锈液，它是含有 50 %的水和 50 %的乙二醇的溶液(容积比)，在标准大气条件下，沸点为 108 ℃，冰点为-37 ℃。实验证明，这种防冻防锈液对各种金属和橡胶都无腐蚀作用，更换周期为 2 年。

1)推荐在大多数气候条件下使用 50％乙烯乙二醇或丙烯乙二醇基的防冻液与 50％纯净水的混合液作发动机的冷却液。对使用湿缸套的发动机建议还需要添加规定浓度的防腐蚀剂DCA4。某些新型防冻液可以不需要 DCA4，如加德士公司的 Extended Life Coolant；

2)防冻液具有防冻和防沸的双重特性，同时还需具有防腐蚀等功能；

3)防冻液浓度不能超过 68％，否则性能会恶化。

使用这种长效防冻防锈液，可以防止冷却器内腔结垢，减少水套穴蚀和锈蚀；提高炎热季节时的沸点，在冬季时可以防冻；在密封良好的冷却系中，无需经常添加冷却液，减少保养工作量。