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冷却中冷系统设计规范

2009-08-14 08:02:00 薛文祥

●  适用范围

    本设计规范适用于重型汽车冷却、中冷系统设计。

    本设计规范规定了冷却、中冷系统设计中应遵循的通用原则,和一般的设计方法。

●  设计原则

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    设计良好的冷却、中冷系统因该充分考虑以下几方面原则:

    1、首先应优先考虑冷却、中冷系统的冷却能力问题。其中所要求的冷却常数、中冷系统冷却效率及发动机进气温度等皆应一一满足。

    2、冷却、中冷系统的安装方式及在整车中的合理位置也应充分考虑,不应有因为安装点位置及结构引起系统损坏或造成潜在易损坏因素。系统在整车中的位置将影响其性能,应谨慎考虑。

    3、冷却、中冷系统的管路应合理并力求简洁清晰。防止因管路走向不合理而引起的系统内阻的增加和性能的下降。

    4、冷却、中冷系统应有良好的保护装置,防止系统异常损坏和性能下降。

    5、冷却、中冷系统的设计应考虑到装车工艺性要求和维修的接近性要求。

●  设计方法

    1、中冷器和散热器的设计、选择及安装:

    如果有足够的空间,冷却系统可以选用迎风面积大、芯子薄、散热效率高的热交换器。在有风扇离合器控制风扇运作的情况下,应充分利用空间加大热交换器的尺寸,这样可以降低风扇的功耗和降低风扇工作噪声。

    在无中冷器的情况下且无风扇离合器情况下,按经验推荐,发动机功率每100千瓦的散热器迎风面积应为0.3~0.375m2之间。由于排放法规要求,现代重型车上一般具有空空中冷系统。所以在推荐迎风面积上稍作增加。散热器散热面积(冷侧)的推荐值大概为:0.1~0.16m2/kW(发动机功率)。

    在中冷系统布置空间足够时,一般推荐采用一字流向的中冷器,反之则为U型流向的中冷器。因为U型的中冷器的内阻大于一字流的中冷器。另外中冷器气室应尽量避免遮蔽散热器芯子太多面积。

    中冷器和散热器的芯子可参考以往系统配置,因为主片模具价格较贵,如无必要,尽量采用同样的管型和散热带波高。由于中冷器处于冷却空气上游,必须将它设计成能适应多尘的环境,推荐每英寸的散热片为8~10片,散热带可不开窗以便清洗。一般中冷器迎风正面积比散热器迎风正面积略小。

    由于中冷器的热胀冷缩量较大,在安装时应给予考虑,防止由于热胀冷缩带来的不必要系统元件损坏。另外,应尽量保证风扇中心与散热器中心重合,尽量使风扇未扫过的四角死区最小。风扇前端面与散热器芯子的距离大于50~100mm,特别是风扇未扫过的四角死区很大时,应尽量扩大两者之间的距离。

    中冷器、散热器与车架之间应为柔性连接。可根据系统重量及车架震动频率来确定系统悬置软垫的刚度和结构。

    2、风扇及风扇离合器的选择和安装:

    重型车上所用风扇大多为塑料的吸风式风扇。它可分为两种:直叶风扇和叶端前弯风扇(马刀形风扇)。马刀形风扇在高速大风量时优势较为明显,并且空气下游一部分空气向四周排出,这对发动机前端与风扇叶片后端较近的布置比较适应。特别对使用离合器的风扇较为适合。

    但在同一转速和相同的静压下,在小流量范围内,直叶风扇提供的风量比弯叶的大。另外,由于噪声的要求,根据推荐,风扇叶尖线速度不应超过87m/s。现代重型车功率越来越大,其选用的风扇的功耗就比较大,所以,应该采用风扇离合器。在选择时应考虑离合器能承受的扭矩和转速。

    理论上来讲,希望风扇后端离发动机前端越远越好。但可能风扇安装悬臂过长会引起风扇异常振动而引起损坏。实际设计中应综合考虑风扇、发动机前端面、散热器芯子的位置关系确定风扇安装悬臂的长度。

    风扇叶尖与护风圈的距离关系着风扇容积效率,一般要求两者之间的距离不得大于风扇直径的2.5%。为冷却系统能力方面考虑,希望两者间距离越小越好,在此考虑下可采用柔性风罩方案。另外对吸风式风扇来讲,风扇伸入护风圈的深度为风扇投影宽度的1/3(环式或箱式护风圈)和1/2(文杜里式护风圈)两种情况。

    3、膨胀箱、除气管路:

    膨胀箱的容积应为16%的系统总容积+35*A(A为膨胀箱底平面面积)。其安装位置应保障在水泵入口处的压力大于大气压。由于不易确认高度是否合适,那么必须保证膨胀箱下底面高于冷却系统其它最高点。

    压力盖必须保证冷却系统压力达到发动机要求压力。真空阀开启压力约为10kPa。

    除气管路的走向应向上到膨胀箱,中途应避免有弯曲或向下的趋势。除气管最好采用双管(发动机及散热器除气管)的内径大约应在7~9mm左右,并且尽量短且直。根据康明斯要求推荐除气回路循环量不应大于2升/分。

    4、系统其它管路:

    对于冷却系统而言,管路应沿水流方向适当上翘,尽量避免水平布置和呈凸形的管路,管路的弯角处或直径变化处必须圆滑过渡。管路布置中应考虑系统各元件之间的相互运动。长度在150mm以下的胶管在没有柔性并且难以安装,而长度超过450mm的胶管应考虑支撑问题。

    关于管路内径,如果发动机离散热器较远的话,理论上讲从发动机端到散热器端内径应逐渐加大,但实际设计时考虑到制造工艺及大总成的通用性这点一般不予考虑,应按实际出发。

    对于中冷系统而言,管路越直越好,尽量减少弯头的处数。其内径也有要求,根据康明斯推荐,对于小于9升排量的发动机内径应在2.5~4英寸,15升以上为4~5英寸。软管部分尽量不要安装于气流拐弯处以免脱落,弯折处应用硬管。在高温侧不应该用成型的硅胶管来替代硬弯管的功能。

    5、其它:

    如果系统热回风量较大就应考虑加装挡风板。在工作状况比较恶劣的情况下,应考虑在冷却系统单元前方加一阻挡空气中杂质的滤网以减轻对中冷器、散热器污染。对于需要在不好路面上工作的车辆应加冷却系统的下防护板。

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