商用车发动机冷却系统的布置设计

崔 勇，翟旭军，朱 永，陶德清

（江苏农牧科技职业学院，江苏 泰州225300）

商用车发动机冷却系统的布置设计

崔 勇，翟旭军，朱 永，陶德清

（江苏农牧科技职业学院，江苏 泰州225300）

冷却系统对于商用车的可靠运转非常关键，对提高商用车整车的性能以及延长使用年限都有帮助。阐述了商用车冷却系统布置设计的前期准备，散热器的选型与布置、冷却风扇的选型与布置、风扇护风罩的设计、膨胀水箱的设计与布置、冷却系统管路的布置等发动机冷却系统具体设计内容。介绍了冷却系统整车验证试验项目。对于指导工程实践具有实际应用意义。

商用车；发动机；冷却系统；布置；设计

商用车主要指运送人员或货物的汽车，包含了所有的载货汽车和9座以上的客车。大部分商用车都采用柴油发动机作为动力源，这样可以获得较高的扭矩输出，从而获得较大的载重量和较好的爬坡性。一辆行驶在高速路上的商用车，其产生的热量足以供暖两座房子，而高温会导致发动机性能下降，部件加剧磨损、油料变质等等。因此，柴油机工作时必须得到良好的冷却，维持正常温度在80～100℃为宜，当然，柴油机温度冷却过度，对柴油机的工作也是不利的，会造成油耗增加，工作效率下降等问题。文章重点描述了常规商用汽车柴油机冷却系统的设计方法和关键部件的选型布置，概述了冷却系统开发试制后的几种试验方法，为实际工程设计提供指导。

1 商用车发动机冷却系统开发设计的前期工作

商用车发动机冷却系统的结构组成如图1所示，包含散热器总成（散热器、风扇等）、膨胀水箱、压力盖、水管等部件。由于较大部分的商用车企业其发动机都是外购件，整车厂只负责总成匹配设计和安装，所以本文所涉及的发动机冷却系统设计主要包含发动机机体的外部相关冷却系总成及部件的布置和匹配。

图1 商用车冷却系统结构组成

1.1 前期技术资料和数据获取

由于商用车包含载货车和客车，各车型功能和性能参数、发动机的位置等不一，所以冷却系统布置设计前应获取相应的参数、技术资料。

（1）发动机的技术参数

包括发动机最大扭矩、最大扭矩转速和这两点上水套的散热量、水泵的循环量，水管接口尺寸及坐标、额定功率、发动机增压器出口温度、发动机进气温度要求。这些技术资料和参数由发动机配套厂提供。

（2）整车的使用环境温度

包含商用车使用运行地区的最高温度，最极限使用条件等。

（3）冷却系统的安装空间

发动机为前置还是后置，冷却系统的空间大小（与整车总布置设计人员协调）。根据空间大小，确定散热器的正面积。在对后置客车进行设计时，还要考虑后置课程的空气流通情况不理想，需采用进风系数进行修正。

（4）散热器、风扇等部件的技术参数和性能曲线

包括散热器、风扇等部件外形尺寸及安装尺寸；结构特征和设计参数；散热器和冷却风扇的性能图、数据。

1.2 商用车发动机冷却系统所应达到的要求

（1）冷却液为防冻液，使用压力盖为0.7 bar以下，发动机出水口的温度需低于105℃；使用压力盖为0.9 bar以下，最高水温低于115℃.一年中水温高于105℃的累积时间不应超过50 h.

（2）设计的冷却液膨胀容积为整个冷却液容量的6%.

（3）加注冷却液时，加注速度高于19 L/min，直至冷却液平面达到要求。

2 商用车发动机冷却系统部件的布置设计

2.1 散热器的选型与安装布置

散热器是整个冷却系统中的最为关键的部件，它的作用是通过大循环，对进入其中的冷却液进行强制冷却，从而实现带走发动机工作时产生的热量，确保发动机总成在一个合适的温度下运转。散热器参数设计中散热器芯子的面积的大小最为重要，体现了散热器的散热能力。

散热器芯子迎风面积的计算系数值会根据不同的车型而略有不同，计算系数一般取0.0031～0.0038m2/KW之间，载货车取偏下限值，自卸车、牵引车等大负荷运行的车辆可取偏上限值。

散热器安装到商用车车架上，须采用减振橡胶垫。

2.2 冷却风扇的选型与布置

商用车冷却风扇的选型和布置主要内容有：风量和风压、风扇外径、转速、叶片的安装角等。

风量和风压的确定可以从配套厂家提供的风压曲线与系统阻力曲线相交的匹配点上求出

风量的要素是风扇转速和风扇直径。风扇转速与发动机转速之比一般由发动机上皮带传动系决定的，档位不多。风扇的外径一般应略小于散热器芯部的宽度和高度。另外，确定风扇外径和转速时，还需注意风扇叶尖外的圆周线速度，国内资料推荐值为110～120 m/s.

风扇叶片的安装角与风量、消耗功率和扫过的轴向空间都直接产生作用，一般为30°.

风扇前段至散热器芯子的距离在50～150 mm之间，后段距发动机端面距离应大于100 mm.

2.3 风扇护风罩的设计

护风罩的作用就是合理引导气流均匀流过散热器芯部，避免气流的回流和损失。护风罩尺寸完全按风扇与散热器之间的相对位置确定的。

（1）确定风扇叶端与护风罩之间的径向间隙

该间隙对风扇性能影响较显著，理论上讲，在不发生接触的情况下，该间隙应越小越好，但由于商用车辆上风扇安装在发动机上，护风罩安装在散热器上，风扇与护风罩不同心，散热器与发动机悬置皆为软垫安装，必然发生相对运动。所以间隙也不宜过小。根据设计经验，推荐风扇叶端与护风罩的径向间隙小于风扇直径的2.5%即可。图2为某车辆散热器32英寸风扇叶端与护风罩的径向间隙与进气效率的关系。

图2 风扇叶端与护风罩的径向间隙与进气效率的关系

（2）确定风扇伸入护风罩的位置

风扇伸入护风罩的位置与进气效率有很大关系很大，这可以通过试验加以验证。对于吸风式风扇，风扇叶片的投影宽度应伸入护风罩2/3为宜，吹风式为1/2.图3为某吹风式风扇前端与散热器距离对进气效率的影响。

图3 风扇前端与散热器距离对进气效率的影响

2.4 膨胀水箱的设计与布置

膨胀水箱也叫副水箱，为连接散热器和发动机水套的一个小容器，布置在发动机和散热器的上方。膨胀水箱的的主要功能是储存冷却液、提供膨胀空间、除气、提高水泵进口处的静压和便于加注冷却液。

膨胀水箱的容量确定包含三个方面：膨胀容积、储备容积和必留容积。

膨胀容积约为整个冷却系统总容积量的6%，储备容积为10%，必留容积为35×S（S为膨胀水箱底平面面积）。如图4所示。

图4 膨胀水箱容积的设定

膨胀水箱的外侧应设置透明管，以便进行液面的检查或者设置用于报警的液面传感器。

膨胀水箱有三根管路与之连接，其中两根与水套顶部和散热器上水室顶部引出，为除气管，将发动机水套和散热器中大量的蒸汽和空气引出，输入膨胀水箱，然后在膨胀水箱中充分膨胀、冷凝和分离。除气管的内径需合理并尽可能短而直。

膨胀水箱的高度位于散热器和发动机上方，底平面至少应高出发动机水套顶部和散热器上水室的顶部。

2.5 冷却系统管路布置

连接发动机与散热器之间的管路应尽量直，减少弯曲，这样有利于空气的排出。管路要有充分柔性，以适应发动机与散热器之间的相对运动。如散热器与发动机距离较远，造成管路较长时，管路应沿水流方向适当上翘，避免采用水平布置和呈凸形的管路。

散热器的管路可用胶管或金属管，金属管加胶管接头；胶管壁厚在5 mm以上。较长管路中间需设计相应的支架进行固定支撑，支架的间隔距离为500 mm左右；采用金属管时，其伸入胶管接头中的的长度不得低于50 mm.图5为某客车管路连接后冷却系统的总布置图，图中可以看出各管路的具体连接和冷却各部件的安装位置。

图5 冷却系统总布置图

3 冷却系统试验和结论

整车试制总装后，需对冷却系统进行试验，以测试系统是否满足设计要求，包含的试验有：冷却液初次加注试验；冷却系除气试验；发动机热停机及冷却液膨胀试验；冷却液储备量试验；冷却液平衡温度测定试验。其中冷却液平衡温度测定试验需在道路行驶中或转鼓试验台上进行。

冷却系统对于商用车的可靠运转至关重要，根据有关资料介绍，车辆的故障50%来源于发动机，而发动机的故障50%是由冷却系统引起的。可见冷却系在汽车可靠性中所占的地位。在当前发动机的性能不断强化，特别是涡轮增压器的使用，发动机的热负荷明显提高，对发动机的冷却问题更为敏感，因此必须重视。

[1]田杰安，彭 玮，费洪庆，等.强制风冷柴油机冷却系统设计[J].内燃机与动力装置，2013（02）：8-11.

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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，江苏泰州人，讲师，硕士，研究方向：车辆工程及农业设施装备。