重型商用汽车发动机冷却系统分析研究

作者：陕西汽车集团有限责任公司 何文军

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 汽车发动机的冷却系统工作状况复杂，尤其是在重型商用汽车上，由于发动机功率大、温度高，且工作环境恶劣，因此，对冷却系性能的要求更高。 发动机在工作时，燃料燃烧及运动零件之间的摩擦会产生大量的热能，为了保证发动机的正常工作，必须对这些高温条件下工作的零件加以冷却。 重型商用汽车发动机冷却系统基本都采用水冷形式，冷却液在85～98℃时，发动机工作状态最佳，燃油消耗最经济，零件磨损也不大。 冷却系统的重要性 冷却系统是汽车总成中的一个很重要的子系统，它可以使发动机在各种不同的环境温度和运转工况下具有最佳的热状态。温度过高时，润滑油温度升高而变得过稀，致使机油压力变低，加速零件磨损；零件膨胀变形，严重影响配合零件的正常间隙，甚至卡死并使零件强度下降；同时，进入气缸的新鲜空气快速膨胀、空气密度降低和充气效率下降，从而导致发动机输出功率降低。温度过低时，机油粘度变大，流动性变差，不仅增加了零件磨损，还会增大运动阻力，使机械损失增加，燃烧恶化，输出功率也相对降低。因此，冷却系统各部件的设计准确性对保证冷却系的工作性能非常重要。 冷却系统基本设计原则 重型商用汽车发动机冷却系统的设计遵循以下原则： （1）保证发动机在任何负荷条件下和用户所必须的任何环境工况下，均能正常和可靠的工作而不引起发动机过热； （2）具有除气功能，发动机起动后25min内应除尽初次加注时积存在冷却系中的空气； （3）冷却系统设计须有一定的膨胀空间，其容积不小于冷却系统总容积6%，且该空间应置于满位液面之上； （4）冷却液的加注速度应大于15L/min，且一次加满率应达到总容积的90%； （5）冷却液可快速达到发动机的工作温度，并避免冷却液产生脉动流； （6）考虑到表面污染会造成散热器热交换能力下降，在冷却系统设计时应预留一定量的冷却余量； （7）冷却系统必须设计安装压力盖，其压力值应满足发动机技术参数表中的最低要求； （8）必须设计合理的回流挡板，以保证不再重新吸入那些已经通过散热器的热空气，回流挡板不能挡住散热器芯和中冷器芯的任何部分，给空气的进、出通道留出充足的空间； （9）冷却系统中各个部件密封良好，不得漏气、漏水； （10）由于冷却剂不仅需要具有防冻的能力，还要具有防腐、除锈、防垢和防沸能力，因此冷却系统必须加注长效冷却液。 冷却系统整体布置分析 1. 整体布置 冷却系统的总体布置受许多条件的限制，但主要考虑两方面，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，并确保冷却液循环系统具有足够的除气能力。重型商用汽车冷却系统布置如图所示。 2. 提高进风系数 通过散热器芯部的实际空气流量与散热器和风扇理论匹配点（台架流量）上所确定的空气流量之比称为进风系数。显然，进风系数越大，通过散热器的空气流量越多，散热效果越强。冷却系统安装在发动机和驾驶室形成的相对密闭的空间里，散热条件差，由于各种间隙和阻力的存在，必然使风扇实际流量比台架流量小。 造成进风系数低的原因主要有：空气被障碍物阻挡，进风截面小，阻力大；风扇工作时前后产生压差，风扇后端一部分空气通过周围间隙回流到前端低压处；风扇中心偏离散热器芯部，阻碍散热器效能的发挥。 相应地，改善冷却空气流通系统主要有４条措施： （1）减小空气流通阻力 尽量减少散热器前的障碍物，在整车布置允许的前提下，应尽可能采用迎风面积较大的散热器，在同等空气流量下，散热器的迎风面积越大，空气流动阻力就越小，但由于车身设计的限制，不可避免地会遮挡散热器的迎风面积。 （2）防止热风回流 提高散热器与车身、散热器与护风罩结合面处的密封性，一种有效方法是设计热风回流挡板，在散热器和发动机进风口之间增加橡胶挡板，将散热器前的区域和发动机室完全隔开。 （3）合理布置风扇与散热器芯部的相对位置 风扇与散热器相对位置是以散热器芯部未被风扇叶片扫过的面积最小时为最佳，所以一般都采用接近正方形的散热器芯子，使风扇中心与散热器中心重合，并使风扇直径与边长尽量接近，这样通过散热器的气流分布最为均匀，或风扇中心布置得略高一些，使空气流经散热器上部的高温高效区。但同时还要根据整车的布置及整个冷却系统需要的散热器正面面积来综合考虑。重型汽车发动机功率较大，需要散热器的正面面积也较大，但同时散热器的宽度尺寸受驾驶室的发动机罩、车架宽度等因素的限制，所以重型汽车的散热器一般都为长方形。 （4）从轴向空间看，据有关资料介绍要合理设计风扇前端面与散热器之间的距离，并尽可能的加大，合理设计护风罩，确保护风罩尽可能的引导气流均匀的通过散热器芯部整个面积。要达到这个目的，必须要求风扇与散热器之间保持一定的距离，这样才能使护风罩的通道从散热器芯部的四边流线型的过渡到风扇的圆形，从而使散热器四个角也有气流通过而发挥它应有的作用。此外，风扇旋转时，空气同时产生轴向和径向两个方向的气流，如果这个距离太近，将使气流组织紊乱。根据有关资料介绍，当风扇前端面与散热器之间的距离由25mm增加到178mm时，通过散热器的风量上升8%，而且散热器芯部气流分布性也明显改善。美国康明司公司推荐：对于吸风式风扇，这个距离不得小于50mm；对于吹风式风扇，这个距离不得小于100mm；风扇后端面与发动机前端面之间的距离也尽可能加大，最小不低于100mm。 3. 确保冷却液循环中的除气能力 除气能力包括加注冷却液时排除内部残留空气的能力和发动机在运转中排除水路中所出现的气体的能力，冷却液中的气体对冷却系统危害很大，必须排除。 （1） 冷却系统中气体的来源主要有三方面：由于结构设计的限制，发动机水套中和某些零件的内部有“死区”存在，积滞了一部分气体，这些气体在静止和冷却液的加注过程中不能自行从系统中排除；在加注过程中总有部分空气吸附在冷却液上被带进系统；冷却液流经机体或缸盖的高温水套时，有部分吸热汽化，形成气泡，甚至气囊。 （2） 气体对冷却系统的影响主要体现在造成水泵流量下降，散热器的冷却效率随之下降；发动机水套内局部沸腾，致使局部热应力猛增，影响发动机性能。 （3） 排除气体的措施：一是在冷却系统设置膨胀水箱和引气管，并设有连续除气的循环回路；二是在冷却系的主循环回路中水泵进水口处应保持正压，发动机出水口与进水口之间的最大外部压差在额定转速下必须控制在一定限度以内，否则将影响发动机的水泵进口压力及水流循环速度。如果主循环系统中具有较长的管路（如某些带缓速器热交换器的车辆）则管路应沿水流方向适当上翘，避免采用水平布置的管路，管路的弯角处或直径变化处必须圆滑过渡，管路尽量短而直，这样有利于空气的排出。 冷却系统的自调节 为了使发动机在各种不同的环境温度和运转工况下具有最佳的热状态，保有良好的动力性、经济性和工作可靠性，冷却系统必须具有自动调节功能。目前主要的技术途径主要有两种，一是采用节温器调节水温，在车辆刚起动时，节温器处于关闭状态，发动机冷却系统走小循环，使发动机快速达到工作温度；二是采用硅油离合器风扇调节冷却风量，能使冷却系统发挥出最佳效能，硅油式风扇离合器的功能是当冷却系冷却液温度偏低不需要风扇工作时，它能自动将风扇与驱动轴脱开，从而使风扇失去动力而节省能量。在气温较低的季节和地区，风扇离合器的节能作用是很明显的。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/12/2013)