商用車發動機冷卻系統的布置設計

崔 勇，翟旭軍，朱 永，陶德清

（江蘇農牧科技職業學院，江蘇 泰州225300）

商用車發動機冷卻系統的布置設計

崔 勇，翟旭軍，朱 永，陶德清

（江蘇農牧科技職業學院，江蘇 泰州225300）

冷卻系統對于商用車的可靠運轉非常關鍵，對提高商用車整車的性能以及延長使用年限都有幫助。闡述了商用車冷卻系統布置設計的前期準備，散熱器的選型與布置、冷卻風扇的選型與布置、風扇護風罩的設計、膨脹水箱的設計與布置、冷卻系統管路的布置等發動機冷卻系統具體設計內容。介紹了冷卻系統整車驗證試驗項目。對于指導工程實踐具有實際應用意義。

商用車；發動機；冷卻系統；布置；設計

商用車主要指運送人員或貨物的汽車，包含了所有的載貨汽車和9座以上的客車。大部分商用車都采用柴油發動機作為動力源，這樣可以獲得較高的扭矩輸出，從而獲得較大的載重量和較好的爬坡性。一輛行駛在高速路上的商用車，其產生的熱量足以供暖兩座房子，而高溫會導致發動機性能下降，部件加劇磨損、油料變質等等。因此，柴油機工作時必須得到良好的冷卻，維持正常溫度在80～100℃為宜，當然，柴油機溫度冷卻過度，對柴油機的工作也是不利的，會造成油耗增加，工作效率下降等問題。文章重點描述了常規商用汽車柴油機冷卻系統的設計方法和關鍵部件的選型布置，概述了冷卻系統開發試制后的幾種試驗方法，為實際工程設計提供指導。

1 商用車發動機冷卻系統開發設計的前期工作

商用車發動機冷卻系統的結構組成如圖1所示，包含散熱器總成（散熱器、風扇等）、膨脹水箱、壓力蓋、水管等部件。由于較大部分的商用車企業其發動機都是外購件，整車廠只負責總成匹配設計和安裝，所以本文所涉及的發動機冷卻系統設計主要包含發動機機體的外部相關冷卻系總成及部件的布置和匹配。

圖1 商用車冷卻系統結構組成

1.1 前期技術資料和數據獲取

由于商用車包含載貨車和客車，各車型功能和性能參數、發動機的位置等不一，所以冷卻系統布置設計前應獲取相應的參數、技術資料。

（1）發動機的技術參數

包括發動機最大扭矩、最大扭矩轉速和這兩點上水套的散熱量、水泵的循環量，水管接口尺寸及坐標、額定功率、發動機增壓器出口溫度、發動機進氣溫度要求。這些技術資料和參數由發動機配套廠提供。

（2）整車的使用環境溫度

包含商用車使用運行地區的最高溫度，最極限使用條件等。

（3）冷卻系統的安裝空間

發動機為前置還是后置，冷卻系統的空間大小（與整車總布置設計人員協調）。根據空間大小，確定散熱器的正面積。在對后置客車進行設計時，還要考慮后置課程的空氣流通情況不理想，需采用進風系數進行修正。

（4）散熱器、風扇等部件的技術參數和性能曲線

包括散熱器、風扇等部件外形尺寸及安裝尺寸；結構特征和設計參數；散熱器和冷卻風扇的性能圖、數據。

1.2 商用車發動機冷卻系統所應達到的要求

（1）冷卻液為防凍液，使用壓力蓋為0.7 bar以下，發動機出水口的溫度需低于105℃；使用壓力蓋為0.9 bar以下，最高水溫低于115℃.一年中水溫高于105℃的累積時間不應超過50 h.

（2）設計的冷卻液膨脹容積為整個冷卻液容量的6%.

（3）加注冷卻液時，加注速度高于19 L/min，直至冷卻液平面達到要求。

2 商用車發動機冷卻系統部件的布置設計

2.1 散熱器的選型與安裝布置

散熱器是整個冷卻系統中的最為關鍵的部件，它的作用是通過大循環，對進入其中的冷卻液進行強制冷卻，從而實現帶走發動機工作時產生的熱量，確保發動機總成在一個合適的溫度下運轉。散熱器參數設計中散熱器芯子的面積的大小最為重要，體現了散熱器的散熱能力。

散熱器芯子迎風面積的計算系數值會根據不同的車型而略有不同，計算系數一般取0.0031～0.0038m2/KW之間，載貨車取偏下限值，自卸車、牽引車等大負荷運行的車輛可取偏上限值。

散熱器安裝到商用車車架上，須采用減振橡膠墊。

2.2 冷卻風扇的選型與布置

商用車冷卻風扇的選型和布置主要內容有：風量和風壓、風扇外徑、轉速、葉片的安裝角等。

風量和風壓的確定可以從配套廠家提供的風壓曲線與系統阻力曲線相交的匹配點上求出

風量的要素是風扇轉速和風扇直徑。風扇轉速與發動機轉速之比一般由發動機上皮帶傳動系決定的，檔位不多。風扇的外徑一般應略小于散熱器芯部的寬度和高度。另外，確定風扇外徑和轉速時，還需注意風扇葉尖外的圓周線速度，國內資料推薦值為110～120 m/s.

風扇葉片的安裝角與風量、消耗功率和掃過的軸向空間都直接產生作用，一般為30°.

風扇前段至散熱器芯子的距離在50～150 mm之間，后段距發動機端面距離應大于100 mm.

2.3 風扇護風罩的設計

護風罩的作用就是合理引導氣流均勻流過散熱器芯部，避免氣流的回流和損失。護風罩尺寸完全按風扇與散熱器之間的相對位置確定的。

（1）確定風扇葉端與護風罩之間的徑向間隙

該間隙對風扇性能影響較顯著，理論上講，在不發生接觸的情況下，該間隙應越小越好，但由于商用車輛上風扇安裝在發動機上，護風罩安裝在散熱器上，風扇與護風罩不同心，散熱器與發動機懸置皆為軟墊安裝，必然發生相對運動。所以間隙也不宜過小。根據設計經驗，推薦風扇葉端與護風罩的徑向間隙小于風扇直徑的2.5%即可。圖2為某車輛散熱器32英寸風扇葉端與護風罩的徑向間隙與進氣效率的關系。

圖2 風扇葉端與護風罩的徑向間隙與進氣效率的關系

（2）確定風扇伸入護風罩的位置

風扇伸入護風罩的位置與進氣效率有很大關系很大，這可以通過試驗加以驗證。對于吸風式風扇，風扇葉片的投影寬度應伸入護風罩2/3為宜，吹風式為1/2.圖3為某吹風式風扇前端與散熱器距離對進氣效率的影響。

圖3 風扇前端與散熱器距離對進氣效率的影響

2.4 膨脹水箱的設計與布置

膨脹水箱也叫副水箱，為連接散熱器和發動機水套的一個小容器，布置在發動機和散熱器的上方。膨脹水箱的的主要功能是儲存冷卻液、提供膨脹空間、除氣、提高水泵進口處的靜壓和便于加注冷卻液。

膨脹水箱的容量確定包含三個方面：膨脹容積、儲備容積和必留容積。

膨脹容積約為整個冷卻系統總容積量的6%，儲備容積為10%，必留容積為35×S（S為膨脹水箱底平面面積）。如圖4所示。

圖4 膨脹水箱容積的設定

膨脹水箱的外側應設置透明管，以便進行液面的檢查或者設置用于報警的液面傳感器。

膨脹水箱有三根管路與之連接，其中兩根與水套頂部和散熱器上水室頂部引出，為除氣管，將發動機水套和散熱器中大量的蒸汽和空氣引出，輸入膨脹水箱，然后在膨脹水箱中充分膨脹、冷凝和分離。除氣管的內徑需合理并盡可能短而直。

膨脹水箱的高度位于散熱器和發動機上方，底平面至少應高出發動機水套頂部和散熱器上水室的頂部。

2.5 冷卻系統管路布置

連接發動機與散熱器之間的管路應盡量直，減少彎曲，這樣有利于空氣的排出。管路要有充分柔性，以適應發動機與散熱器之間的相對運動。如散熱器與發動機距離較遠，造成管路較長時，管路應沿水流方向適當上翹，避免采用水平布置和呈凸形的管路。

散熱器的管路可用膠管或金屬管，金屬管加膠管接頭；膠管壁厚在5 mm以上。較長管路中間需設計相應的支架進行固定支撐，支架的間隔距離為500 mm左右；采用金屬管時，其伸入膠管接頭中的的長度不得低于50 mm.圖5為某客車管路連接后冷卻系統的總布置圖，圖中可以看出各管路的具體連接和冷卻各部件的安裝位置。

圖5 冷卻系統總布置圖

3 冷卻系統試驗和結論

整車試制總裝后，需對冷卻系統進行試驗，以測試系統是否滿足設計要求，包含的試驗有：冷卻液初次加注試驗；冷卻系除氣試驗；發動機熱停機及冷卻液膨脹試驗；冷卻液儲備量試驗；冷卻液平衡溫度測定試驗。其中冷卻液平衡溫度測定試驗需在道路行駛中或轉鼓試驗臺上進行。

冷卻系統對于商用車的可靠運轉至關重要，根據有關資料介紹，車輛的故障50%來源于發動機，而發動機的故障50%是由冷卻系統引起的。可見冷卻系在汽車可靠性中所占的地位。在當前發動機的性能不斷強化，特別是渦輪增壓器的使用，發動機的熱負荷明顯提高，對發動機的冷卻問題更為敏感，因此必須重視。

[1]田杰安，彭 瑋，費洪慶，等.強制風冷柴油機冷卻系統設計[J].內燃機與動力裝置，2013（02）：8-11.

[2]劉桂林.客車冷卻系統的設計[J].客車技術與研究，2008，（02）：32-35.

[3]黃 暉.發動機冷卻系統的研究與優化設計[D].山東大學，2005.

[4]張遠志.商用車冷卻系統設計[J].企業技術開發，2015，（01）：39-40+69.

[5]顧 寧，裴梅香，陶鴻瑩，等.發動機冷卻系統節能優化設計[J].交通節能與環保，2013（02）：45-50.

Layout Design of Engine Cooling System for Commercial Vehicle

CUI Yong，ZHAI Xu-jun，ZHU Yong，TAO De-qing
（Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College，Taizhou Jiangsu 225300，China）

Cooling system is very important for the reliable operation of commercial vehicle.It is good for improving the performance and service life of the vehicle.Describes the preparation of the layout design of cooling system，selection and arrangement of radiator and cooling fan ，the design of wind-shielding and expansion water tank，arrangement of cooling system piping.The test and verification project of cooling system is introduced.It has practical significance for guiding engineering practice.

commercial vehicle；engine；cooling system；layout；design

U464.138

A

1672-545X（2017）09-0245-03

2017-06-26

崔 勇（1982-），男，江蘇泰州人，講師，碩士，研究方向：車輛工程及農業設施裝備。