冷卻系統(tǒng)常見問題及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

1、冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)馬連功馬連功2010.11.222010.11.22冷卻系統(tǒng)簡圖冷卻系統(tǒng)簡圖冷卻系統(tǒng)作用冷卻系統(tǒng)作用 冷卻系統(tǒng)能夠保證發(fā)動機(jī)在所有工況下在最適宜的溫度范圍內(nèi)工作。既要防止發(fā)動機(jī)夏天過熱，又要防止發(fā)動機(jī)冬季過冷。在啟動時(shí)還要保證發(fā)動機(jī)能迅速升溫，盡快達(dá)到正常的工作溫度。 發(fā)動機(jī)是將熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的裝置，在內(nèi)燃機(jī)不斷地工作中，汽缸內(nèi)部溫度達(dá)2000 以上，為保證機(jī)械連續(xù)有效地工作，必須對相應(yīng)部件采取冷卻措施，尤其是氣門周圍更為重要；但是又不能過冷卻，比如在啟動階段應(yīng)讓發(fā)動機(jī)盡快熱起來，否則燃油霧化困難，影響燃燒及排放，增加油耗；冷卻系統(tǒng)還保證機(jī)油正常工作溫度，防止機(jī)油高溫老化及失

2、去潤滑作用。發(fā)動機(jī)理想的冷卻液溫度在95115之間，機(jī)油溫度在125145之間。 對于自動變速箱車型，冷卻系統(tǒng)還需保證變速箱油溫在正常工作范圍內(nèi)，一般自動變速箱油溫控制在100125之間。 一部分高溫冷卻液通過空調(diào)系統(tǒng)為乘員倉提供暖風(fēng)。冷卻系的作用冷卻系的作用保證發(fā)動機(jī)正常工作溫度，零部件機(jī)械強(qiáng)度及合理間隙保證發(fā)動機(jī)正常工作溫度，零部件機(jī)械強(qiáng)度及合理間隙保證燃燒室正常溫度，避免異常燃燒，優(yōu)化性能保證燃燒室正常溫度，避免異常燃燒，優(yōu)化性能保證自動變速箱正常油溫，防止傳動性能下降保證自動變速箱正常油溫，防止傳動性能下降為乘員倉提供暖風(fēng)為乘員倉提供暖風(fēng)1.發(fā)動機(jī)過熱的危害發(fā)動機(jī)過熱的危害 1)降低充

3、氣效率，使發(fā)動機(jī)功率下降； 2)早燃和爆燃的傾向加大，使零件因承受額外沖擊性負(fù)荷而造成早期損壞； 3)運(yùn)動件的正常間隙（熱脹冷縮）被破壞，運(yùn)動阻滯，磨損加劇，甚至損壞； 4)潤滑情況惡化，加劇了零件的摩擦磨損； 5)零件的機(jī)械性能降低，導(dǎo)致變形或損壞。2.發(fā)動機(jī)過冷的危害發(fā)動機(jī)過冷的危害 1)進(jìn)入氣缸的混合氣(或空氣)溫度太低，可燃混合氣品質(zhì)差（霧化差），使點(diǎn)火困難或燃燒遲緩，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率下降，燃料消耗量增加（熱量流失過多，燃油凝結(jié)流進(jìn)曲軸箱）。 2)燃燒生成物中的水蒸汽易凝結(jié)成水而與酸性氣體形成酸類，加重了對機(jī)體和零件的侵蝕作用； 3)未汽化的燃料沖刷和稀釋零件表面(氣缸壁、活塞、活塞環(huán)等

4、)上的油膜，使零件磨損加劇。 4)潤滑油黏度增大，流動性差，造成潤滑不良，加劇機(jī)件磨損，增大功率消耗 。冷卻系統(tǒng)失效危害冷卻系統(tǒng)失效危害風(fēng)扇低速冷卻液高于96冷卻液低于94風(fēng)扇關(guān)閉冷卻液高于102風(fēng)扇高速冷卻液低于99風(fēng)扇低速熱風(fēng)冷卻系統(tǒng)原理圖冷卻系統(tǒng)原理圖冷卻液低于86發(fā)動機(jī)啟動節(jié)溫器關(guān)閉小循環(huán)水泵水套節(jié)溫器暖風(fēng)機(jī)機(jī)油冷卻器變速箱油冷器冷風(fēng)冷卻液高于86節(jié)溫器打開大循環(huán)散熱器水泵節(jié)溫器水套冷凝器渦輪增壓器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速精確控制溫度傳感器ECU控制器繼電器調(diào)速電阻PWM信號散熱器散熱器散熱器散熱器散熱器散熱器冷卻風(fēng)扇冷卻風(fēng)扇膨脹箱膨脹箱E：膨脹空間膨脹空間 至少至少6總?cè)莘e總?cè)莘eD：儲備水量儲備水量

5、 至少至少11總?cè)莘e總?cè)莘e 如果有暖風(fēng)機(jī)應(yīng)如果有暖風(fēng)機(jī)應(yīng)為為20常見問題常見問題 冷卻能力不足風(fēng)扇、散熱器選擇或匹配不當(dāng)散熱器周圍不密封導(dǎo)致熱風(fēng)回流進(jìn)風(fēng)艙密封和隔熱不好，導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)溫度高散熱器系統(tǒng)水阻力大散熱器自身阻力大進(jìn)出水管管徑小水泵進(jìn)口負(fù)壓注水管過長，彎曲；接口距水泵遠(yuǎn)上水室隔板不密封常見問題常見問題加注和除氣性能不合格通氣管路：下垂，阻塞，管徑注水管：位置，管徑，走向散熱器上水室或附水箱結(jié)構(gòu)不對容量小，膨脹空間和儲備水量不足加水伸長頸管過短或缺少，缺少通氣孔發(fā)動機(jī)通氣接口位于液面以下附水箱加水口與頂部水口均用壓力蓋扁平結(jié)構(gòu)（最好為瘦高型）注水管位于水室一側(cè)常見問題常見問題其它管路與通氣管

6、T型連接：除氣不良其它管路，尤其是暖風(fēng)回水管接入注水管，導(dǎo)致水泵進(jìn)口出現(xiàn)負(fù)壓。n使發(fā)動機(jī)得到足夠的冷卻，即使在可能遇到的最高氣溫以及加上所有的附加熱負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)仍能正常工作；還要考慮由于散熱器水垢、堵塞等引起的系統(tǒng)散熱性能退化，預(yù)留余量系數(shù)。 實(shí)際散熱量實(shí)際散熱量=理論散熱量理論散熱量1.1 n系統(tǒng)應(yīng)有適當(dāng)?shù)呐蛎浛臻g以適應(yīng)冷卻液隨溫度變化的漲縮；膨脹箱和散熱器的設(shè)計(jì)要選用耐高溫材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足系統(tǒng)高壓高熱的工作環(huán)境。膨脹箱一般用PP5或PA66GF30，散熱器選用PA66GF30。n系統(tǒng)不裝壓力蓋時(shí)，在發(fā)動機(jī)任何運(yùn)轉(zhuǎn)工況下水泵進(jìn)口壓力應(yīng)大于大氣 壓。這要求膨脹箱在布置時(shí)液位在系統(tǒng)最高點(diǎn)

7、，膨脹箱出水盡可能直接與水泵前端管路相連，膨脹箱內(nèi)的冷卻液水位可提供泵前正壓。且膨脹箱與水泵之間管路連接不易過長，影響系統(tǒng)壓力建立。n系統(tǒng)內(nèi)水阻應(yīng)小于水泵在額定水流量下的泵壓。n系統(tǒng)外風(fēng)阻應(yīng)小于風(fēng)扇在額定風(fēng)量下的風(fēng)阻。n風(fēng)扇和散熱器在整車裝車前試制手工樣件完成零部件性能測試，包括散熱器風(fēng)洞試驗(yàn)和風(fēng)扇風(fēng)洞試驗(yàn)，零部件裝配尺寸在凍結(jié)時(shí)詳盡檢查后在整車裝車前開模。膨脹箱在裝車前必需開模，快速成型件無法承受高溫高壓，不能裝車試驗(yàn)。n在可能的情況下盡量增大散熱器正面積，減小厚度，提高系統(tǒng)散熱效率，減小風(fēng)扇額定功率和減少風(fēng)扇工作時(shí)間。盡量增大風(fēng)扇扇葉面積與散熱器正面積比。n在可能情況下盡量沿用已開發(fā)產(chǎn)品，

8、減少項(xiàng)目開發(fā)費(fèi)用和減小系統(tǒng)開發(fā)失敗風(fēng)險(xiǎn)。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意問題冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意問題n冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)境適應(yīng)性要求：高溫：亞熱帶45，熱帶50；低溫：-40。n冷卻液配比：在一般環(huán)境下用50%軟水：50%乙二醇；在寒帶用40%軟水：60%乙二醇，乙二醇配比不能過大否則防凍性能下降；在熱帶地區(qū)可考慮適當(dāng)降低乙二醇配比提高冷卻液比熱，來提高冷卻液比熱來提高系統(tǒng)散熱性能。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意問題冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注意問題水泵氣蝕水泵氣蝕n一）、產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因n當(dāng)水泵運(yùn)行時(shí)，如果葉輪葉片入口處某局部的絕對壓力等于或低于所輸送液體溫度下的汽化壓力，液體便發(fā)生汽化，產(chǎn)生許多氣泡，氣泡內(nèi)將充滿蒸汽和液體中析出的氣

9、體。這些氣泡隨著液體帶到葉輪高壓區(qū)，在高壓的作用下迅速凝結(jié)而破裂，在此同時(shí)，周圍的流體質(zhì)點(diǎn)以高速沖向原來氣泡占有的空間，質(zhì)點(diǎn)相互撞擊而形成高頻的局部水擊，壓力可高達(dá)上千兆帕壓力可高達(dá)上千兆帕。這種水擊會對金屬表面形成持續(xù)、反復(fù)的沖擊，導(dǎo)致金屬表面疲勞而破壞，這種破壞稱為機(jī)械剝蝕。水泵氣蝕水泵氣蝕n在氣泡破裂所釋放的凝結(jié)潛熱的助長下，原氣泡內(nèi)的活潑氣體又會對金屬產(chǎn)生化學(xué)腐蝕作用，加劇了材料的破壞。金屬表面在機(jī)械剝蝕和化學(xué)腐蝕的長期聯(lián)合作用下，會出現(xiàn)蜂窩狀破壞，這種現(xiàn)象稱為汽蝕現(xiàn)象。n二）、汽蝕對水泵產(chǎn)生的危害汽蝕對水泵產(chǎn)生的危害n1、縮短泵的使用壽命縮短泵的使用壽命：由于機(jī)械剝蝕和化學(xué)腐蝕使葉輪

10、和蝸殼多處變得粗糙多孔，產(chǎn)生顯微裂紋，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)蜂窩狀侵蝕，甚至產(chǎn)生空洞。水泵氣蝕水泵氣蝕n2、影響泵的性能影響泵的性能：汽蝕發(fā)生時(shí)液體的汽化以及液體中氣體的析出，形成了大量氣泡，使液流的過流斷面面積減小，局部區(qū)域流速加大，并產(chǎn)生渦流，以致流動損失增大，嚴(yán)重還有可能出現(xiàn)斷流，因此汽蝕會導(dǎo)致泵的揚(yáng)程和效率降低。n3、產(chǎn)生振動和噪聲產(chǎn)生振動和噪聲：汽蝕發(fā)生時(shí)，局部水擊會產(chǎn)生許多不同頻率范圍內(nèi)的噪聲，如果水擊的頻率和機(jī)組的固有頻率接近將會引起機(jī)組振動。機(jī)組的振由又會促使更多氣泡的產(chǎn)生和破滅。這種相互激勵，最后可能導(dǎo)致機(jī)組的強(qiáng)烈振動，稱之為汽蝕共振。如果機(jī)組發(fā)生汽蝕共振必須緊急停止水泵運(yùn)行水泵氣蝕水泵

11、氣蝕冷卻系統(tǒng)計(jì)算冷卻系統(tǒng)計(jì)算n計(jì)算發(fā)動機(jī)散熱量 Qw Kwn有發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)則按發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)計(jì)算n無發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)散熱量按發(fā)動機(jī)功率50%估算n如自動變速箱油冷器在散熱器內(nèi)需加上自動變速箱散熱量，一般57Kw。n在怠速開空調(diào)情況下，如空調(diào)需風(fēng)扇散走熱量比發(fā)動機(jī)大，散熱量按冷凝器散走熱量進(jìn)行計(jì)算，一般914kW，根據(jù)整車級別而不同。n散熱器內(nèi)冷卻液流量 VwQw/twwCw ，m3/sntw散熱器前后溫差，一般710nw冷卻液比重，取1.1 kg/m3nCw冷卻液比熱容按發(fā)動機(jī)允許長時(shí)間工作水溫計(jì)算 kJ/kgn水泵冷卻液流量 LpupVw/v/Kv ，m3/snv水泵容積效率，隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)

12、速提高而減小，額定功率取0.9nKv散熱器阻力系數(shù)，隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速提高而增大，額定功率取0.75n冷卻空氣需要量 VwQw/twwCw ， m3/sntw散熱器前后溫差，一般30nw空氣重度 ，溫度越高重度越低，取1.01 kg/m3nCw空氣定壓比熱容，取1.047kJ/kg冷卻系統(tǒng)計(jì)算的難點(diǎn)在于通風(fēng)系統(tǒng)、冷卻液循環(huán)系統(tǒng)的阻力系數(shù)、散熱系數(shù)、介質(zhì)物理特性的不確定性，這些參數(shù)需要在大量的試驗(yàn)中得到。在前期計(jì)算過程中可以依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后在試驗(yàn)中進(jìn)行參數(shù)匹配優(yōu)化。溫度：環(huán)境溫度T1=45，溫度預(yù)計(jì)值：冷凝器前溫度T2=46，散熱器前T3=60，散熱器后T4=87，風(fēng)扇后 T5=87，散熱

13、器內(nèi)冷卻液溫差一般710。壓降和風(fēng)速關(guān)系：P=K1/2空氣密度V2，其中K為風(fēng)阻系數(shù)，根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)的密封程度和阻力大小而不同，各零部件的風(fēng)阻系數(shù)需風(fēng)洞試驗(yàn)測試，V為通過產(chǎn)生壓降零部件的風(fēng)速，近似取 V散熱器=(V2+V3)/2。n系統(tǒng)溫差和壓差計(jì)算冷卻系統(tǒng)計(jì)算冷卻系統(tǒng)計(jì)算n散熱器參數(shù)選取n散熱器散熱量：發(fā)動機(jī)額定功率散熱量；n散熱器正面積：S正=散熱器長散熱器寬，根據(jù)整車常用工況計(jì)算的，結(jié)合布置空間需冷卻風(fēng)扇提供風(fēng)量最少的散熱器正面積；n散熱器總面積：S總總Qw/(Ks.t)，其中，Ks為在散熱器在溫差為液氣溫差為t條件下的換熱系數(shù)，單位kJ/m2.，液氣溫差一般取60，在空氣45條件下，散熱

14、器可在冷卻液105條件下散走相同的熱量；n散熱器厚度：散熱器厚度在滿足系統(tǒng)內(nèi)水阻，散熱量條件下盡可能減薄，以減小風(fēng)阻系數(shù)來減小風(fēng)扇工作壓降，一般為16mm、18mm、22mm、24mm、27mm、32mm等，不同供應(yīng)商的管帶系列不同；散熱器縱流選較薄散熱器、橫流選較厚散熱器。n管帶材料：復(fù)合鋁；n水室材料：PA66GF30。n風(fēng)扇參數(shù)選取n風(fēng)扇工作壓降： P= P前保+ P冷凝器+ P散熱器+ P護(hù)風(fēng)罩+ P發(fā)動機(jī)n風(fēng)量：為在各發(fā)動機(jī)額定功率下計(jì)算的需要空氣量Vw；n容積效率：由于風(fēng)扇布置位置、扇葉形狀、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)引起的風(fēng)扇效率下降，取0.9；n電機(jī)效率：風(fēng)扇機(jī)械損失、熱量損耗等引起的電機(jī)工作效

15、率下降，取0.60.7；n風(fēng)扇功率：Pfan=風(fēng)量風(fēng)扇工作壓降/容積效率/電機(jī)效率；n工作電壓：按整車電壓12V計(jì)算；n風(fēng)扇工作電流：I=風(fēng)扇功率/工作電壓；n風(fēng)扇材料：PA66GF30或PP10,扇葉的材料要優(yōu)于護(hù)風(fēng)罩的材料。冷卻系統(tǒng)計(jì)算冷卻系統(tǒng)計(jì)算n膨脹箱及壓力蓋的設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的壓力蓋有兩種布置結(jié)構(gòu)： 一、布置在單獨(dú)的膨脹箱上，形成全封閉循環(huán)結(jié)夠，主要為歐美車型采用，公司M11、 B11、B14、A21、A15等車型采用； 二、直接布置在散熱器上，外接一個(gè)副水箱來儲存系統(tǒng)溢出的冷卻液，主要為日韓車型采用，公司S11、S12、S21、S22、T11等車型采用。n膨脹箱及副水箱的作用：提供系統(tǒng)

16、足夠的膨脹空間；儲存一部分冷卻液為系統(tǒng)提供補(bǔ)給；n壓力蓋的作用：在系統(tǒng)壓力接近系統(tǒng)內(nèi)強(qiáng)度最弱零部件時(shí)，通過泄壓閥減壓；在系統(tǒng)內(nèi)壓力低于環(huán)境壓力時(shí)，通過真空閥平衡內(nèi)外壓力，防止系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓產(chǎn)生氣蝕；提高壓力以提高冷卻液沸點(diǎn)；n泄壓壓力選用：以發(fā)動機(jī)臺架測得的“系統(tǒng)壓力建立/急停沸騰”試驗(yàn)測試的系統(tǒng)壓力為依據(jù)，泄壓閥的選取需高于測試值，否則在高溫條件下的系統(tǒng)壓力降低將導(dǎo)致冷卻液沸點(diǎn)下降沸騰，系統(tǒng)出現(xiàn)“開鍋”問題；n真空壓力選用：一般-2-10kPa；n壓力蓋要有警告標(biāo)識，警告在高溫情況下勿打開壓力蓋。n水管設(shè)計(jì)n橡膠管內(nèi)徑不要小于所連接金屬管內(nèi)徑，否則系統(tǒng)阻力升高；n水管壁厚根據(jù)膠管內(nèi)徑而定，見膠管設(shè)計(jì)指南；n膠管內(nèi)徑應(yīng)小于所連接金屬管內(nèi)徑1mm，防止泄露及難以裝配，嚴(yán)格控制內(nèi)徑尺寸公差，一般取下偏差0/-0.5mm；n目前水管設(shè)計(jì)有尼龍管取代膠管的趨勢。n帶自動變速箱油冷器冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)nAT自動變速：變速箱散熱量較少，約45Kw左右，在變速箱上(M11+DP0)或周圍外接一個(gè)油冷器(BMW+AT)，冷卻液在油冷器內(nèi)循環(huán)后帶走熱量。nCVT