发动机冷却系统的匹配设计毕业论文

1、本 科 生 毕 业 设 计（申请学士学位） 论文题目 发动机冷却系统的匹配设计 作者姓名 专业名称 机械设计制造及其自动化 指导教师 2013年6月 目 录摘要1Abstract11. 绪论2TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc2200 PAGEREF _Toc2200 2 HYPERLINK l _Toc1139 PAGEREF _Toc1139 2 HYPERLINK l _Toc9224 1.3 课题的主要研究内容 PAGEREF _Toc9224 32. HYPERLINK l _Toc459 发动机冷却系统的概述 PAGEREF _Toc459 3 HYPER

2、LINK l _Toc4395 2.1冷却系统的分类 PAGEREF _Toc4395 3 HYPERLINK l _Toc3708 2.2 发动机的工况及对冷却系统的要求 PAGEREF _Toc3708 4 HYPERLINK l _Toc25578 2.3 冷却系统的总体布置 PAGEREF _Toc25578 5 HYPERLINK l _Toc19569 2.3.1散热器布置 PAGEREF _Toc19569 5 HYPERLINK l _Toc9623 2.3.2护风罩布置 PAGEREF _Toc9623 5 HYPERLINK l _Toc14949 2.3.3风扇布置 PA

3、GEREF _Toc14949 5 HYPERLINK l _Toc20976 2.3.4调温器布置 PAGEREF _Toc20976 6 HYPERLINK l _Toc9563 2.3.5水泵布置 PAGEREF _Toc9563 6 HYPERLINK l _Toc18724 2.3.6膨胀箱布置 PAGEREF _Toc18724 6 HYPERLINK l _Toc32544 3. 某型号发动机的冷却系统的设计匹配 PAGEREF _Toc32544 6 HYPERLINK l _Toc18133 设计任务 PAGEREF _Toc18133 6 HYPERLINK l _Toc2

4、475 发动机冷却系统的设计匹配 PAGEREF _Toc2475 7 HYPERLINK l _Toc11898 3.2.1散热器的技术参数设计 PAGEREF _Toc11898 7 HYPERLINK l _Toc1675 3.2.2冷却风扇的技术参数设计 PAGEREF _Toc1675 7 HYPERLINK l _Toc16271 3.2.3散热器与冷却风扇的匹配计算 PAGEREF _Toc16271 7 HYPERLINK l _Toc21195 发动机冷却系统校核计算 PAGEREF _Toc21195 9 HYPERLINK l _Toc6254 散热器散热能力Qw的校核计

5、算 PAGEREF _Toc6254 9 HYPERLINK l _Toc23282 冷却风扇的校核计算 PAGEREF _Toc23282 9 HYPERLINK l _Toc28683 4. 全文总结 PAGEREF _Toc28683 9 HYPERLINK l _Toc15645 参考文献10致谢11发动机冷却系统的匹配设计摘要：发动机是汽车的动力源，迄今为止除为数不多的电动汽车外，汽车发动机都是热能动力装置。而冷却系统是发动机的重要组成部分，对发动机的动力性、可靠性以及燃油经济性有很大的影响。随着发动机功率以及转速的不断提高，对冷却系统的要求也相对提高，因此对发动机冷却系统的研究也越

6、来越受到人们的重视。本文对发动机冷却系统展开研究，首先简要介绍了发动机冷却系统的组成以及各部件的作用。然后针对某型号发动机的冷却系统进行匹配设计计算，主要包括散热器和冷却风扇的技术参数设计及散热器和冷却风扇的匹配计算；并在此基础上对其进行校核计算。论文中详细介绍了发动机冷却系统匹配设计的方法和步骤，并针对某型号的发动机进行了验算，为新型发动机冷却系统的匹配设计提供了一定的参考价值。关键词：发动机；冷却系统；匹配设计；匹配计算Matching design of the engine cooling system Abstract Engine is the power source of th

7、e car. So far except a handful of electric cars, the car engine is a heat power plant of a car. And the cooling system is an important part of the engine; it has important influences on the power, reliability and economy of the engine. With the constant improvement of the engine power and rotational

8、 speed, the demand of a cooling system is higher. So the study of engine cooling system gets more and more attention of human. Cooling system of engine was studied in this paper. Firstly, this paper introduces the composition and function of components of the engine cooling system. Secondly, the mat

9、ching calculation to a certain type of engine cooling system was done, including the design of technical parameters of heat sink and cooling fan; the matching calculation of heat sink and cooling fan. And based on the above, the checking calculation was done. The matching degine methods and steps an

10、d checking calculation for a certain type of the engine cooling system are introduced in detail in the paper. It can provide certain reference to the matching design of a new type of engine cooling system.Key words：Engine; cooling system ; matching design; matching calculation 1. 绪论 发动机是汽车的动力源，迄今为止除

11、为数不多的电动汽车外，汽车发动机都是热能动力装置。而冷却系统是发动机的重要组成部分，据有关资料显示，汽车故障的50%左右来自发动机，而发动机故障的50%左右是由冷却系统故障引起的，由此可见冷却系统在汽车可靠性中的重要作用。冷却系统不仅对发动机的可靠性产生重大影响，而且也是影响发动机动力性和经济性的重要因素，其功用就是保证发动机在任何负荷条件下和工作环境下均能在最适合的温度状态下正常和可靠地工作。而发动机的冷却问题，不仅仅是发动机本身和各部件的设计问题，即使这两个方面设计的比较完善，如果各部件匹配不合理，同样不能取得良好的冷却效果。国内外对冷却风扇的匹配研究主要集中在通过仿真计算改变风扇的具体结

12、构以提高风扇的性能,在国内文献8中分别对风扇的叶尖间隙与导风罩的材料进行了研究，提高了风扇的气动性能,减少了风扇的驱动功率。在国外文献13中把轴流式风扇流动特性试验结果同运用FLUENT软件仿真的结果进行了对比,发现仿真结果在误差允许的范围内，并通过改善风扇结构防止气体回流提高了风扇的效率。目前，冷却水套的设计与匹配研究主要体现在消除流动死区，均匀分配冷却水流量，维持受热零部件的温度范围等方面。如文献3中通过CFD软件对冷却水套进行了模拟计算，对缸垫水孔位置和尺寸,机油冷却器出口位置进行了优化与调整, 消除了流动死区,结果表明，改进后缸体水套冷却更加均匀, 流动性能比原机水套有了明显的改善。传

13、统的冷却系统通常采用机械驱动的冷却水泵、冷却风扇和节温器,冷却介质的冷却强度取决于发动机转速, 通常不能满足发动机实际运行时的散热需求, 无法实现冷却液温度在各个工况内的合理控制。因此,采用电子控制手段,通过传感器和处理芯片根据实际温度调节冷却介质的流量, 合理统筹冷却系统的各个部件，实现冷却系统部件的智能化控制是冷却系统发展的趋势之一。本文主要从发动机的匹配性出发，设计出一个既能满足汽车冷却系统的冷却要求又能适应厂家散热器性能要求的冷却系统，以提高发动机的效率。解决发动机冷却系统存在的具体问题。目的就是为了对发动机冷却系统进行深刻透彻的分析，使得在实际维修中得到更好的经验和方法。从而使发动机

14、冷却系统更出色的工作，提高汽车的动力性和经济性，从而提高汽车的使用寿命。冷却系统的作用是在所有工况下，保证发动机在最适宜的温度下工作，在冷却系统的设计及计算中，散热器的选型以及风扇的匹配对冷却系统起着至关重要的作用。为便于组织气流,散热器布置在整车的前面，但由于受到整车布置空间的限制，在其前面还布置了空调冷凝器，这会增加风阻，影响散热器的进风量，从而影响冷却系统的冷却能力。风扇布置在散热器后面，靠风扇电机带动。良好的发动机冷却系统，有利于改善发动机的动力性和燃油经济性，有利于提高发动机使用寿命，降级排气污染，有利于改善发动机冷启动性能；控制好散热器，有利于将热冷却液携带的热量通过风扇传导到其周

15、围的空气中，有利于发动机在较好的工况下工作；控制好冷却风扇，有利于使发动机保持恒温。因此研究发动机冷却系统具有较强的现实意义。另外，研究发动机的冷却系统，还可以巩固和加强我们在校期间所学的基础知识，训练我们综合运用所学知识和独立分析问题的能力。毕业设计根据所发动机冷却系统的结构和原理，分析应合理、正确、有实际意义。能满足部件的各项技术要求，说明书叙述准确，文字流畅，具有一定的运用价值。1.3 课题的主要研究内容 1) 阐述发动机冷却系统的组成以及各部件的作用阐述发动机冷却系统的类型并对发动机冷却系统中的重要部件进行介绍，详细说明各组成部件的作用。 2）针对某一车型中发动机冷却系统进行设计匹配

16、对发动机的散热器的技术参数设计、冷却风扇的技术参数设计、散热器与冷却风扇的匹配计算 等；并对发动机的冷却系统进行校核计算，包括对发动机散热器散热能力的校核计算、冷却风扇的校核计算。概述 内燃机运转时，与高温燃气相接触的零件受到强烈的加热，如不加以适当的冷却，会使内燃机过热，充气系数下降，燃烧不正常（爆燃、早燃等），机油变质和烧损，零件的摩擦和磨损加剧，引起内燃机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。但是，如果冷却过强，汽油机混合气形成不良，机油被燃烧稀释，柴油机工作粗爆，散热损失和摩擦损失增加，零件的磨损加剧，也会使内燃机工作变坏。因此，冷却系统的主要任务是保证内燃机在最适宜的温度状态下工

17、作。 发动机工作时，由于燃料的燃烧，气缸内气体温度高达2200K2800K(19272527)，使发动机零部件温度升高，特别是直接与高温气体接触的零件，若不及时冷却，则难以保证发动机正常工作。冷却系统的功用就是带走引擎因燃烧所产生的热量，使引擎维持在正常的运转温度范围内。冷却系按照冷却介质不同可以分为风冷和水冷，如图2-1所示，如果把发动机中高温零件的热量直接散入大气而进行冷却的装置称为风冷系。而把这些热量先传给冷却水，然后再散入大气而进行冷却的装置称为水冷系。由于水冷系冷却均匀，效果好，而且发动机运转噪音小，目前汽车发动机上广泛采用的是水冷系。水冷却系统的结构，如图2-2所示，主要包括以下部

18、件：1)散热器张紧板 2)六角法兰面螺栓 3)橡胶衬套 4)散热器总成 5)弹性卡箍 6)发动机出水管 7)弹性卡箍8)水管膨胀箱至散热器 9)水管卡片 10)六角法兰面螺栓 11)管夹 12)六角法兰面螺栓 13)膨胀箱总成 14)弹性卡箍 15)水管膨胀箱至水泵 16)水管发动机至膨胀箱 17）弹性箍 18）发动机进水管 19）弹性卡箍 20）弹性卡箍 21）暖风机进水管 22）弹性卡箍 23）暖风机出水管 24）橡胶软垫 25）六角法兰面螺栓 26）风扇电机带护风圈总成。图2-1 发动机的两种冷却方式图2-2 水冷却系统的结构2.2 发动机的工况及对冷却系统的要求 一个良好的冷却系统，应

19、满足下列各项要求： 散热能力能满足内燃机在各种工况下运转时的需要。当工况和环境条件变化时，仍能保证内燃机可靠地工作和维持最佳的冷却水温度；2) 应在短时间内，排除系统的压力；3）应考虑膨胀空间，一般其容积占总容积的46%；4）具有较高的加水速率。初次加注量能达到系统容积的90%以上；5）在发动机高速运转，系统压力盖打开时，水泵进口应为正压；6）有一定的缺水工作能力，缺水量大于第一次未加满冷却液的容积；7）设置水温报警装置；8）密封好，不得漏水；9）冷却系统消耗功率小。启动后，能在短时间内达到正常工作温度；10）使用可靠，寿命长，制造成本低。2.3 冷却系统的总体布置冷却系统总布置主要考虑两方面

20、：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。在整车空间布置允许的条件下，尽量增大散热器的迎风面积，减薄芯子厚度。这样可充分利用风扇的风量和车的迎面风，提高散热器的散热效率。一般货车芯厚不超过四排水管，轿车芯厚不超过二排水管。在整车布置中散热系统中，还要考虑散热器和周边的间隙，散热器到保险杠外皮的最小距离100毫米，如果发动机的三元崔化在前端的话，还要考虑风扇到三元催化本体距离至少100毫米，到三元催化隔热罩距离至少80毫米。一般三元催化的隔热罩到本体大概有15毫米，隔热罩厚度为0.51毫米，一般材料为镀铝板。散热器布置货车散热器一般采用纵流水结

21、构，因为货车的布置空间也较宽裕。而且纵流水结构的散热器强度及悬置的可靠性较好，轿车多采用散热器横流水结构，因为轿车车身较低，空间尺寸紧张。横流水结构散热器能充分地利用轿车的有限空间最大限度地增加散热器的迎风面积。散热器通常为四点悬置，也可以采用三点悬置。其中主悬置点为2个，辅助悬置点为2个或1个。所有悬置点应布置在同一个部件总成上，改善散热器受力情况，以尽量减少散热器的振动强度。主悬置点与其连接的部件总成之间以胶垫或胶套等柔性非金属材料过渡以达到减震的目的。主悬置点的胶垫压缩量一般为其自由高度的1/5左右。少数轿车因其整车的减振胶垫或胶套而进行刚性连接。中、重型载货汽车由于散热器的质量大及使用

22、环境较差，一般要在散热器的外部增加一个刚性较大的保护框架，以防止振动等外界力直接作用在散热器上。悬置点设置在框架上。轻型货车和轿车一般不加保护框架，悬置点设置在散热器的侧板或水室上。为提高散热器强度一些车散热器上加有十字拉筋。护风罩布置护风罩的作用是确保风扇产生的风量全部流经散热器，提高风扇效率。护风罩对低速大功率风扇效率提高特别显著。风扇与护风罩的径向间隙越小，风扇的效率越高。但间隙过小，车在行驶中由于振动会造成风扇与护风罩之间的干涉。风扇与护风罩之间的径向间隙一般控制在5mm25mm。风扇与护风罩安装在同一零部件总成上（如同在底盘或同在车身上）其径向与相对运动，风扇与护风罩之间的间隙可以下

23、线，否则取上限。风扇与护风罩的轴向位置一般为：风扇径向投影宽度的2/3在护风罩内，1/3在护风罩外，以增加导流减小背压。风扇布置风扇直径大小应和散热器的形状相协调，条件允许时可增大风扇的直径，降低风扇转速。以达到减小功率消耗和降低噪音的目的。在某些散热器长宽比例相差较大时，如轿车散热器，有时采用两个直径较小的风扇所取代。电动风扇是由电动机来驱动风扇，电动机的启动与停止是受水温直接感应的温度开关来控制。电动风扇具有起动温度与设定温度一致，布置位置灵活，不受发动机转速的影响，汽车在低速怠速时冷却效果好等优点，冷车启动时水温上升较快。但也多用于发动机横置的轿车。调温器布置目前汽车上应用的调温器均采用

24、蜡式感应体调温器。当冷却水温温度升高时蜡膨胀，调温器开启，冷却水流经散热器进行大循环。当冷却水的温度降低时蜡体积缩小，调温器关闭，冷却水不经过散热器，短路流经发动机刚体进行小循环。调温器一般布置在发动机的出水口处。要求调温器的泄漏量小，全开时流通面积大。增大调温器的流通面积可以通过提高调温器阀门的升程和增加阀门的直径来实现。国外较先进的调温器多通过提高阀门升程来增大流通面积，这样可以减少因增大调温器阀门直径带来的卡滞，密封不严等问题。但是增大调温器的升程，对调温器技术要求较高。有些发动机为增加调温器的流通面积多采用两只调温器并联结构。水泵布置水泵的流量及扬程根据不同的发动机而定。流量一般为发动

25、机额定功率的倍。扬程一般为，扬程过高对冷却系统的密封性会产生不利的影响。水泵的可靠性主要取决于水封和轴承，轴承普遍采用轴连轴承及永久式润滑结构，水封采用陶瓷，碳化硅动环和石墨静环整体式水封。轴承的游隙及水封的气密性要严格控制。膨胀箱布置尽量靠近散热器布置，使得水管长度最短；膨胀箱的高度要高于冷却系统所有部件。2.4 冷却系统主要部件匹配设计要点 （1）在保证风量不变的条件下，可以适当增加风扇直径，降低风扇转速，减少噪声和功率消耗。 （2）冷却系统的最高水温应以发动机的允许使用水温为标准。（3）调温器的全开温度应为发动机正常工作水温范围的中限，开启温度应为发动机正常工作水温范围的下限。但因调温器

26、的自身特性，开启温度一般低于全开温度10摄氏度左右。 （4）风扇离合器啮合温度应设定在调温器初开温度和全开温度的中间温度。但应注意硅油风扇离合器啮合温度与冷却水的实际温度间存在一定差异（水温是通过空气温度间接反应在风扇离合上），在设定硅油风扇离合器啮合温度时应充分考虑到这一点。3. 某型号发动机的冷却系统的设计匹配某汽车改装厂生产的专用汽车采用某型柴油发动机作为动力，为了进一步优化发动机冷却系统，为以后的发动机冷却系统的改进与完善提供理论基础，故需要对其冷却系统重新设计。发动机为水冷、直列、8缸、直喷式柴油机，参数见表3-1。 表3-1发动机参数参数参数值额定功率（kw）/转速（rmin-1）

27、88/2800最大转矩（Nm）/功率（kw）转速（rmin-1）额定功率时，发动机对冷却液的散热量/（kJmin-1）发动机冷去液流量/（Lmin-1）最大转矩时，发动机对冷却液的散热量/（kJmin-1/kJs-1）散热器的技术参数设计0.10.16(k w-1），考虑到外界耗损，散热面积要留一定的储备空问，取储备系数为1. 15，则所需散热总面积F= (0.10.16) 881.15= 10.1216.193()与发动机功率之比为0.0030.00375/ kw，故=0.2640.33。根据安装空问取芯了=高宽=0.64 = 0.3328。散热器参数见表3-2。 表3-2散热器参数参数参数

28、值芯部尺寸/mm640520迎风面积/总散热面积/冷却管尺寸/mm，数目/根冷却片/个，管排数/排冷却风扇的技术参数设计一般风扇外径D:应略小于散热器芯部的宽度和高度，以保证叶片扫过的面积尽可能大地覆盖散热器芯部迎风面积(通常占=45%60% )。已知风扇叶片内径与外径之比/= ，则由 D22FR, （3-1）得 D=(0.790.93)= 0.456 0.536( m) （3-2） 选取外径D2=0.50 m的塑料翼型风扇。相关参数：叶片数为6；与发动机速度比为：1.1。散热器与冷却风扇的匹配计算根据实验数据绘制散热器与冷却风扇性能匹配，如图3-3和图3-4所示。 图3-3散热器与冷却风扇理

29、论匹配曲线图图3-4散热器与冷却风扇实际匹配曲线图图3-3中为散热器风阻与空气流量的关系曲线，为风扇风压与风量关系曲线，两曲线的交点A为散热器与风扇的理论匹配点，对应的空气流量为3/s，压差为。因实际空气流量远小于实验时所测得的理论值，故需要采用进风系数(0.600.70)进行修正。取进风系数为0.65，则实际风量为1.898 m3/s。图3-4所示B点即为实际空气流量与散热器散热率的交点，在空气流量为3/s时，对应的散热器的实际散热率为67kJ/s.散热器实验时所采用的“液-气温差”为60，对B点而言，发动机额定工况下的水套散热率为55.25 kJ/s，则由相似理论知散发掉这部分热量对应的散

30、热器液一气温差为。又因水泵循环水量为，则冷却液通过散热器后，其温度应下降(4.187 kJ为水的比热)，即散热器上下水室的温差为，取平均值为。当发动机在环境温度为38时，上水室的冷却液平衡温度应为。考虑到冷却液成分的影响，发动机出水口允许的最高的温度设为99。因此，发动机允许的环境温度为:，远大于通常的环境温度，说明该设计满足要求。散热器散热能力Qw的校核计算 根据F=Q/ (K t)可得散热器散走的热量: Q=KFt （3-3）式中K为传热系数，通常等于0.0690.117KJ/(s），根据冷却水流速及散热器结构取0.10 KJ/(s)，F为散热器的散热总面积，取F=16.24； t = 为

31、散热器中冷却水与冷却空气的平均温差，其中冷却水、冷却空气平均温度分别为=/2，=/2，为散热器进水温度，为散热器冷却空气进口温度，,分别为冷却水和冷却空气的进出口温差。 一般闭式冷却系统=95100,取=97通常=40，=612， =1030,取=10，=25，则 t =。由式（3-3）得 Q=64.148 kJ / s，大于发动机散给冷却系统的热量55.25 kJ/s。冷却风扇的校核计算 发动机传给冷却液的热量需要由经过风扇的空气带走，通过散热器的风量由下式确定: V=(m3/s) （3-4）式中为空气通过散热器以后和以前的温度差，通常取1030，现取25；空气密度V3；空气定压比热取 kJ

32、 (kg)。由式（3-4）可得，在最大功率点冷却系统所需要的风量为1.88 m3/s，在最大转矩点冷却系统所需要的风量为0.977(m3/s)。由图3-4知B点对应的实际空气流量为1.898 m3/s，大于相应的工况下所需风量.在最大功率点时，理论空气流量为2.92 m31600/2800 = 1.67 m30.65 = 1.0855 m3/s，大于所需风量。风扇转速：n=发动机额定转速速比=28001.1=3080(r/min)，风扇外径处的圆周线速度:u=nD230800.50/60=80.6(m/ s)，一般u应小于91.4 m/s，太高则噪音过大。全文总结 发动机是汽车的动力源，迄今为

33、止除为数不多的电动汽车外，汽车发动机都是热能动力装置。而冷却系统是发动机的重要组成部分，本文对发动机的散热器和冷却风扇进行改进。本文主要内容如下：从课题的研究背景开始，阐述其现实意义：研究发动机的冷却系统，目的在于巩固和加强我们在校期间所学的基础知识，训练我们综合运用所学知识和独立分析问题的能力。毕业设计根据所发动机冷却系统的结构和原理，分析应合理、正确、有实际意义。能满足部件的各项技术要求，说明书叙述准确，文字流畅，具有一定的运用价值。概述发动机冷却系统，先对发动机冷却系统进行分类：水冷却和风冷却。介绍水冷却的结构组成。然后深入发动机的工况及对冷却系统的设计要求进行详述。接着发动机冷却系统的

34、总体布置;散热器布置、护风罩布置、风扇布置、调温器布置、水泵布置和膨胀箱布置等。某型号发动机冷却系统的设计匹配。为了进一步优化发动机冷却系统，为以后的发动机冷却系统的改进与完善提供理论基础，故需要对其冷却系统重新设计。首先从设计任务出发，对发动机冷却系统的设计进行匹配，分别对散热器、冷却风扇进行技术参数设计，以及对其匹配计算。然后对发动机冷却系统进行校核计算，分别对散热器散热能力Qw和冷却风扇进行校核计算。通过计算和图表的结合，完美的体现改善发动机冷却系统的必要性。从而使发动机冷却系统更出色的工作，提高汽车的动力性和经济性，从而提高汽车的使用寿命。参考文献1 成晓北，潘立，周祥军.车用发动机冷却系统工作过程与