发动机冷却系统的设计与匹配

散热系统的设计与匹配
一、发动机的热平衡概述：
在发动机的气缸中，燃料燃烧后所放出的总热量，只有25-
40%转化为有效功，其它部分均以不同方式散失于外界。
燃料的总热量在有效功和各种损失之间的分配利用情况称
为发动机的热平衡。它通常由实验测定。
若发动机每小时耗油量为GT，则燃料完全燃烧每小时所放
出的热量为QT=GT×HU 式中HU为燃料的热值。热量QT大体分
配如下：
1．转化为有效功的热量Q
E；

2．废气带走的热量QR：

3．传递给冷却介质的热量QS：
冷却介质指冷却水或冷却空气以及润滑油等。在这部分损失
的热量中，包括工作循环中的工质向气缸壁及燃烧室壁的传热损
失，废气通过排气道时传给冷却介质的热量，由机械摩擦产生而
传给冷却介质的热量等 。
4．其它热损失QL：
热平衡用各项组成部分的每小时热量表示，其热平衡方程
为：QT=QE+QS+QR+Q
L

其中传给冷却介质的热量柴油机为25-30%，汽油机为

20-25%。
二、发动机的冷却系：
1．冷却系的作用：
在可燃混合气的燃烧过程中，气缸内气体温度可达1800-
2000度，直接与高温气体接触的机件（如气缸体、气缸盖、活
塞、气门等）若不及时加以冷却，则其中运动机件将可能因受热
膨胀而破坏正常间隙，或因润滑油在高温下失效卡死，各机件也
可能因高温而导致其机械强度降低甚至损坏。因此，为保证发动
机正常工作，必须对这些在高温条件下工作的机件加以冷却。发
动机冷却必须适度。若发动机冷却不足，由于气缸充气量减少和
燃烧不正常，发动机功率将下降，且发动机零件也会因润滑不良
而加速磨损。但若冷却过度，一方面由于热量散失过多，使转变
成有用功的热量减少，另一方面由于混合气与冷却缸壁接触，使
其中原已汽化的燃油又流到曲轴箱内，不仅增加了燃油消耗，且
使机油变稀而影响润滑，结果也将使发动机功率下降，磨损加剧。
因此，冷却系的任务就是使工作中的发动机得到适度的冷却，从
而保持在最适宜的温度范围内工作。
2．冷却系的分类：
汽车上常用的冷却系有水冷与风冷二种。目前水冷系应用较
广泛，部分小排量发动机采用风冷系。采用水冷系时，使气缸盖
内的冷却水温度在80-90度之间，采用风冷系时，铝气缸壁的温
度允许为150-180度，铝气缸盖则为160-200度。
风冷系：发动机中使高温零件的热量直接散入大气而进行冷
却的一系列装置。
水冷系：使高温零件的热量先传导给水，然后再散入大气而
进行冷却的一系列装置。
三、水冷系工作原理简介：
目前单缸柴油机大多采用蒸发式水冷方式。多缸机多采用
强制循环水冷方式。对后者工作原理介绍如下。
汽车上的水冷系大都是用水泵强制地使水（或冷却液）在
冷却系内进行循环流动的，故称为强制循环水冷系。水冷发动机
的气缸盖和气缸体内都铸造出贮水的连通的夹层空间（称为水
套），使水得以接近受热零件，并可在其中循环流动。散热器中
的冷却水，由水泵压送到机体内各水道中，直接切向进入气缸套
周围，然后绕气缸套流至气缸盖。工作过的冷却水由气缸盖前端
经节温器出水管流回散热器。当水温低于散热器初开温度（一般
为70度左右）时，节温器关闭，冷却水经气缸盖前盖板上的小
循环水接管流到水泵进水管，再次进入水泵，实现小循环；当水
温在散热器初开温度与全开温度（一般为80度左右）之间时，
节温器打开，此时冷却水经节温器流入散热器上水室，沿扁铜管
向下流至下水室，在此过程中冷却水被风扇吸入或排出的空气所
冷却（通常为吸风式），实现大循环。冷却了的水又在水泵的作
用下经水管再流入水套。如此不断地循环，因而使发动机中高温
条件下工作的零件不断地得到冷却。
为保证发动机在不同负荷和转速条件下经常在最适宜的温
度下工作，冷却系中常常还有节温器、导流罩、百叶窗等部件。
四、水冷系主要部件的构造：
散热器的分类及构造：
汽车上常用的散热器按材质分可分为铝质（铸铝）散热器
和铜质（黄铜）散热器，按结构分可分为管片式散热器和管带式
散热器。目前管带式黄铜散热器应用较为广泛。
散热器主要构造分上水室、下水室、和散热器芯（包括冷却
管和散热带）。冷却时水依次流经上水室、散热器芯、下水室，
经水泵的抽吸作用实现循环流动。
五、散热系的匹配计算及结构设计：
1、 冷却面积的计算及散热器的选用：
根据所选发动机有关技术参数计算所需冷却面积并选定合适的散
热器及合适的配套厂家。
2、 进行冷却系结构设计需考虑的内容：
根据整车布置图考虑所选散热器是否有足够的安装空间，具体考
虑散热器的结构形式，散热器上表面是否与驾驶室地板不发生干涉，
散热器加水口位置是否合适，散热器与车架上支架孔安装尺寸是否合
适，散热器护风罩与发动机风扇径向及轴向间隙是否合适，散热器中
心与发动机风扇中心是否符合设计要求，进出水管连接是否合适，以
及整个系统安装的密封性及蒸汽阀开启压力、保压时间等内容。并明
确交货验收所依据的标准及供货状态等内容。
明确供货时对散热器总成及包装运输要求等内容。
六．冷却系散热面积计算实例：
现以我厂FT600ZH三轮车（采用LJ276MT汽油机）及BJ1056PE
汽车（采用CY4102BQ柴油机）为例，对散热面积的计算加以介绍。
（一）、FT600ZH冷却系散热面积计算：
1、 冷却系散去的热量Qw：

Qw = A*ge*Ne*hn3600
= 0.265×0.33×17×431003600
=17.8(kJ/s)
式中：A—— 传给冷却系热量占总热量百分比
汽油机A=0.23～0.30
ge——燃油耗 （kg/kw.h）
Ne——功率（kw）
Hn——燃料热值（Kj/kg） 汽油hn=43100
2、散热器的散热面积：

F= QwKR*Δt (m2)
其中 Δt=tw-ta
=（tw1-Δtw2 ）-（ta1+Δta2 ）
=（98-92 ）-（40+202 ）
=43.5℃
式中：KR——取0.069～0.117
tw——冷却水平均温度 tw= tw1-Δtw2
ta——冷却空气平均温度 ta= ta1+Δta2
tw1——散热器进水温度 取95～100℃
Δtw——散热器冷却水进出口温差 Δtw=6～12℃
ta1——散热器进口空气温度 ta1=40℃
Δta——散热器冷却空气进出口温差 Δta=10～30℃

F= 17.80.093×43.5 =4.4(m2)
实际散热面积(理论)
FΔ=β*F
=4.4×1.15
=5.05(m2)
式中：β=1.1～1.25
现用散热器实际散热面积图纸要求不小于5 m2，正常工作时应能满足
发动机对散热量的需求。
注：目前散热器为两排管结构，如增加为三排管就会使机仓距离更
小（目前为60mm）。据用户反映，高温主要是发生在怠速停车时发
动机仓内涡流热风循环所致。建议能在车身上做改动，阻断热风涡流
循环，可从根本上解决此问题。
（二）、1056PE冷却系散热面积计算：
1、冷却系散去的热量Qw：
Qw = A*ge*Ne*hn3600
= 0.215×0.247×70.6×418703600
=43.6(kJ/s)
式中：A—— 传给冷却系热量占总热量百分比
柴油机A=0.18～0.25
ge——燃油耗 （kg/kw.h）
Ne——功率（kw）
Hn——燃料热值（Kj/kg） 柴油hn=41870
2、散热器的散热面积：

F= QwKR*Δt (m2)
其中 Δt=tw-ta
=（tw1-Δtw2 ）-（ta1+Δta2 ）
=（98-92 ）-（40+202 ）
=43.5℃
式中：KR——取0.069～0.117

tw——冷却水平均温度 tw= tw1-Δtw2
ta——冷却空气平均温度 ta= ta1+Δta2
tw1——散热器进水温度 取95～100℃
Δtw——散热器冷却水进出口温差 Δtw=6～12℃
ta1——散热器进口空气温度 ta1=40℃
Δta——散热器冷却空气进出口温差 Δta=10～30℃

F= 43.60.093×43.5 =11 (m2)
实际散热面积(理论)
FΔ=β*F
=11×1.18
=13(m2)
式中：β=1.1～1.25
现用散热器实际散热面积为11m2，计算相对保守，考虑到同二汽同
类车型类比，目前选用11m2散热器。

底盘室
2001.4.26