汽车冷却系统设计概述

龙俊华 安瑞兵

[摘要] 冷却系统是汽车的重要系统，本文介绍了汽车冷却系统结构及功能、冷却系统主要参数确定、冷却系统部件方案，以及冷却系统性能的评价方法。

关键词：汽车;冷却系统;评价方法

前言

汽车冷却系统是汽车的重要系统，汽车发动机工作时，燃料燃烧约25%的热量是由冷却系统带走。发动机若过冷，则散热损失增加，机油粘度较大，摩擦功率损失较大，使发动机动力性、经济性指标下降，零件磨损加剧。同时发动机过冷，进入气缸的混合气或空气温度低，混合气雾化质量下降，着火困难。发动机若冷却不足，进入气缸的空气密度减小，使发动机功率下降。爆燃的倾向加大，使零件因承受额外冲击性负荷而造成早期损坏;运动件的正常间隙被破坏，运动阻滞，磨损加剧;润滑情况恶化，加剧了零件的摩擦磨损;零件的机械性能降低，导致变形或损坏。因此发动机冷却系统设计非常重要，能将发动机保持在最适宜的温度工作。

1  冷却系统结构及功能

目前整车冷却系统多为强制循环水冷却系统，主要由水泵、节温器、散热器、冷却风扇总成、膨胀水箱、冷却水管等组成。结构见图1所示，各部件功能见表1。

2 冷却系统参数确定

冷却系统匹配主要是发动机冷却系统主要构件性能参数的确定，包括散热器散热量、、冷却风扇流量、水泵流量等。

2.1  散热器散热量

根据使用实践，散热器使用一年之后会出现局部微小的脱焊和积垢等现象，虽然不影响正常使用，但散热能力可能要降低7%-10%，气流分布不均也会引起散热能力减少3%-4%左

右，因此，通常在计算散热器最大散热量QW时应比Q水大10%-25%，即

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Q水可以通过实验实测选取，也可通过经验公式估算

点击并拖拽以移动       式（2）

式中：

Ne——发动机额定功率（kw）;

Ge——发动机额定工况燃油消耗率（kg/kw·h）;

hα——燃料低热值，对汽油机43100kJ/kg，柴油机41870kJ/kg;

η——传给冷却系统的热量占燃料热能的百

分比，对汽油机为0.23～0.30，柴油机为0.18～0.25。

2.2  冷却风扇风量

为降低散热器的温度，需要有一定风量的空气通过散热器，此风量由风扇提供，一般说的风量是发动机极限工况点风扇可以提供的最大空气量，风扇的风量由散热器的散热量和需要的空气温升决定的，风量一般通过下面式（3）计算：

点击并拖拽以移动        式（3）

式中：

△t——空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差。通常在45～55℃

γa——空气密度，取1.01kg/L，

Cp——空气定压比热，取1.047W·h/（kg·℃），

2.3  水泵流量

水泵流量可以根据公式（4）进行计算

点击并拖拽以移动式（4）

式中：

Δtw——冷却水在发动机内循环允许的温升，一般在5～9℃;

Ρw——水的密度，可近似取1000kg/m3

Cw——水的比热，可近似取4.187kJ/kg·℃

3  冷却系统方案选择

在冷却系统设计初期，应首先进行冷却回路压力方式确定，冷却水温控制方式选定，散热器布置选定等。

3.1  冷却回路压力方式确定

冷却系统按照冷却水回路控制方式可以分为完全密闭式见图3和简易密闭式见图4。完全密闭式压力控制盖在膨胀箱上，简易密闭式压力控制盖在散热器上，两者的区别见表2。

3.2  冷却水温控制方式选定

發动机水温控制按节温器的位置可以分为两种：一种是在发动机入水口见图5所示，另外一种是在发动机出水口见图6所示。

发动机在出水口温控制由于是直接检测到发动机水温，可以在水温度较高时进行控制，发动机内部摩擦相对节温器在发动机入口水温控制低。同时，由于是直接检测到发动机水温，节温器开闭频道高，水温处于相对于波动的状态。

3.2  散热器布置选定

根据具体的布置空间，散热器有纵流水结构见图7所示、横流水流结构见图8所示。纵流水结构的散热器强度及悬置的可靠性较好，散热器水阻也较小;横流水结构散热器适用车身较低，空间尺寸紧张的情况，横流水结构散热器能充分地利用有限空间最大限度地增加散热器的迎风面积。

4 冷却系统性能评价

冷却系统性能前期可通过仿真来判定是否达标，目前主要通过一维仿真来实现。后期通过试验来评价性能是否达标。

试验的评价方法目前有两种，一种是许用环境温度评价法，这种方法是根据设定工况进行整车冷却系统试验，得到发动机出水温度，根据此温度和冷却液沸点计算车辆允许工作的环境温度。另一种在环境仓根据车辆使用的环境温度和工况进行试验，根据发动机出水温度，机油温度等测量点的温度是否超过目标判断。

5 结论

冷却系统设计时，通过经验公式确定冷却系统的主要参数;通过整车布置、成本、性能要求、维修便利性、使用寿命，对冷却系统方案确定;最后通过仿真与试验相结合的方法来判定性能是否达标。

参考文献

[1]     刘鹏，刘志博.发动机冷却系统匹配浅析[J].重型汽车，2013

[2]     申建中，谭德高.轻型货车发动机冷却系统匹配计算[J]，2003

[3]     聂晓龙.某车型冷却系统的研究与分析[D].硕士论文.吉林大学，2012

作者简介：龙俊华、广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院、硕士、工程师