重型卡车柴油机冷却系统设计研究

蒋智庆

（柳州职业技术学院汽车与环境工程系，广西 柳州 545006）

重型卡车柴油机正常工作时，可燃混合气在汽缸内燃烧温度高达1800～2000℃[1]，直接与高温气体接触的机件（如气门、气缸盖、活塞等）由于吸收了大量的热而使温度升得很高，若不及时进行有效冷却，不但零件之间的配合间隙因受热膨胀会遭到破坏，活塞等运动机件也可能卡死，在气缸中造成“拉缸”，甚至熔化在气缸中；而且机件也会因长期处于高温状态下，其刚度和强度大大降低而发生变形或折断。此外，高温也会引起柴油机润滑油稀释变质甚至结胶，使润滑系工作不良，零件磨损加剧等。柴油机冷却系统的功用，就是将在高温下工作的柴油机零件的多余热量散发到大气中去、保持柴油机始终在最适宜的温度范围内工作[2～4]。

由上述分析可知，对柴油机冷却一定要适当，冷却系统应能随柴油机的工况和使用条件等自动调节柴油机的工作温度，使其不致过高，也不致过低，经常保持在最适宜的温度范围内，通常以冷却液温度80～90℃为宜。

1 重型卡车柴油机冷却系统的影响因素

由于重型卡车柴油机工作工况比较复杂，影响冷却系统的因素很多，主要有循环水量、散热效率、空气流量等因素。

（1）循环水量。循环水量不仅与水泵的结构与转速有关，而且与冷却水量、水流的组织是否合理有关。冷却水量应基本与柴油机功率成正比，1 kW约需0.3～0.4 L冷却水。另外，合理的水流组织，可使水流阻力减少，提高循环水量，而且能够使柴油机各缸冷却均匀，避免一些受热零件，特别是气缸盖和气缸体的壁面由于温度太高而产生“死区”和局部炽热区。

（2）散热效率。散热效率主要同水箱有关。现代重型卡车多采用带有压力盖的管带式水箱，该类型水箱散热性能比较优越，由于带有压力盖，使系统内压力增高，其冷却水即使在100℃仍不会沸腾，加大了散热器内外温差，提高了散热能力，而且由于冷却水没有直接同外界抵触，减少了“死水”现象，这就是所谓的“封闭式冷却系统”。

（3）空气流量。空气流量主要由风扇的直径、转速、叶片形状、导风板密封程度、水箱罩与风扇叶片相对位置等因素有关。风扇的叶片直径及角度对扇风量影响很大。

影响冷却系统冷却效果的各个主要因素，是相互联系、相互促进和相互制约的。例如：增大散热器散热管的数目，可以提高冷却水循环速度，提高散热效率，但却使空气流动阻力增加，影响空气流量。因此，它们必须保持一定的比例，不能突出一方面而忽视另一方面，冷却系统的最佳效果才能发挥出来。因而要使重型卡车冷却系统发挥最佳冷却效果，不仅这三者必须有一定的数量，而且它们之间必须有适当的匹配。

2 冷却系统的设计

2.1 设计的要求

重型卡车柴油机冷却系统的主要任务，是保证柴油机在最适宜的温度状态下工作，一般应满足：

（1）散热能力能满足柴油机在各种工况下运转时的需要。当工况和环境条件变化时，仍能保证柴油机可靠地工作和维持最佳的冷却水温度；

（2）冷却系统消耗功率小。起动后，能在短时间内达到正常工作温度；

（3）体积小，重量轻，又便于拆装维修；

（4）使用可靠，寿命长，制造成本低。

2.2 闭式强制冷却系统的计算

2.2.1 原始参数

在设计或选用冷却系统的部件时，就是以散入冷却系统的热量为原始数据，计算冷却系统的循环水量、冷却空气量，以便设计或选用水泵、散热器和风扇。

（1）冷却系统散走的热量QW。冷却系统散走的热量QW受到许多复杂因素的影响，很难精确计算，初估QW时，可以用下列经验公式：

式中，

A为传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，对柴油机A=0.18%～0.25%；

ge为柴油机燃料消耗率，kg/（kW·h）；

Ne为柴油机功率，kW；

hn为燃料低热值，kJ/kg。

如果柴油机装有机油散热器，而且是水油散热器，则传入冷却系统中的热量，也应将传入机油中的热量计算在冷却系统内。则按式（1）计算的热量QW值应增大5%～10%。

（2）冷却水的循环量。根据散入冷却系统中的热量，可以算出冷却水的循环量

式中，

ΔtW为冷却水在柴油机中循环时的容许温升，对现代强制循环冷却系，可取ΔtW=6～12℃；

ρW为水的密度，ρW=1000 kg/m3；

cW为水的比热容，cW=4.187 kJ/（kg·℃）。

2.2.2 水泵的计算

（1）确定水泵的泵水量。水泵的泵水量可根据冷却水的循环量按式初步确定

式中，ηV为水泵的容积效率，主要考虑水泵中冷却水的泄漏，一般取0.6～0.85。

（2）水泵泵水压力确定。水泵的压力，应当足以克服重型卡车柴油机冷却系统中所有的流动阻力，并得到必要的冷却水循环的流动速度。此外，为冷却可靠，在工作温度下水在任一点的压力均应大于此时饱和蒸汽压力。因为冷却水的局部压力低于某一给定温度下的蒸发压力时，就会产生气泡，使水泵形成汽液两相供水现象，流量大为下降，造成发动机过热。同时因为水泵入口处的压力最低，当水泵的泵水压力不足时，可能发生气蚀现象。因此，重型卡车柴油机水泵泵水压力可由式（4）确定

式中，

ns为水泵转速；

n为重型卡车柴油机转速。

2.3 冷却装置设计

冷却装置设计主要包括散热器、水泵、风扇以及膨胀水箱等部分的设计。

2.3.1 散热器

重型卡车柴油机冷却系统的散热器，主要是横流式，分为左水室、右水室、散热器芯子等（如图1所示）。散热器左水室装有散热器的入水管，通过橡胶管与柴油机出水管连接；左水室上部有加水管，加水管口一般装泄汽管。当冷却水沸腾时，水蒸汽可以从此管排出。加装防冻液的冷却系统，此管接膨胀水箱。右水室有出水管，用软管与水泵进水口连接，两水室之间焊接散热器芯管。散热器芯片的形式为管片式铝质芯子，其芯管为扁圆形直管（防冻裂性好），周围制有散热片，芯管横置。为使冷却系统压力高于大气压力，从而提高冷却水的沸点，在散热器盖上带有如图2所示蒸汽—空气阀。

图1 横流式散热器

图2 具有空气-蒸汽阀的散热器盖

蒸汽阀一般在散热器内压力达到126～137 kPa时开启，部分水蒸汽经泄气管排入大气，避免损坏散热器，而空气阀在散热器内气压降到99～87 kPa时打开。

2.3.2 水泵

由于离心式水泵具有尺寸小、出水量大、结构简单、损坏后不妨碍水在冷却系统中自然循环的特点，故重型卡车柴油机冷却系统采用如图3所示的在机体外安装与风扇同轴驱动的水泵。水泵由壳体、叶轮、泵盖板、水泵轴、支承轴承、水封等组成。该水泵具有以下特点：

图3 离心式水泵示意图

（1）水泵与风扇同轴，通过三角皮带传动；

（2）泵盖上有出水孔。泵壳上有进水孔A，用橡胶管与散热器出水管相连。泵壳上面有旁通孔A，与气缸盖上的出水管相连，当冷却水温度低于76℃时，部分冷却水由此直接进入水泵；

（3）叶轮工作室的进水室B与进水孔、旁通孔相通；出水室由出水孔与水套相连；

（4）水泵轴通过两个轴承支承在壳体上，轴承间有隔套定位；

（5）水泵轴上装有抛水圈，以防水封渗漏时浸湿轴承，渗出的水被抛水圈从检视孔甩出，可避免破坏轴承润滑；

（6）水封装在叶轮的前面，水封通常由密封垫圈、水封皮碗和弹簧等组成；

（7）水泵叶轮常用铸铁或塑料制成。采用向后弯曲的半圆弧、双圆弧或多圆弧形叶片的叶轮，其叶型与水流方向一致，效率较高。

2.3.3 风扇

为提高流经散热器的空气流速和流量，以增强散热器的散热能力并冷却柴油机附件，重型卡车柴油机冷却系统采用轴流式风扇，装在柴油机与散热器之间，与水泵同轴驱动。

由于风扇扇风量与风扇的直径、转速、叶片形状、叶片安装角及叶片数目有关。因此，采用螺旋桨式风扇，风扇叶片材料为铝合金，叶片数为6片。风扇用螺钉安装在水泵轴前端的皮带轮或凸缘盘上。风扇常和发电机一起由曲轴通过三角皮带带动。若皮带过松，皮带将在皮带轮上打滑，风扇和水泵等的转速下降，扇风量和泵水量减小，使柴油机过热；皮带过紧，将增加轴承和皮带的磨损。故常将发电机支架做成可移动式的，以便调节皮带的紧度。

2.3.4 膨胀水箱

膨胀水箱因为要参与循环，对材料的耐热性、耐压性方面要求更高，故重型卡车柴油机冷却系统主要采用透明的尼龙66，透过箱体可直接方便地观察到液面高度，无需打开散热器盖。此外，还可以把冷却系统变成永久性封闭系统，减少了冷却液的损失，避免因空气不断进入而引起的机件氧化腐蚀，减少了穴蚀以及使冷却系统中水汽分离，保持系统内压力稳定，提高了水泵的泵水量。

重型卡车柴油机冷却系统容积为10 L，根据重型卡车设计理论，膨胀水箱的容积应占整个水系的12%～20%，膨胀空间应占5%～10%，膨胀水箱容积定为整个水系的15%（即1.5 L），膨胀空间为5%～8%，即FULL线为1.0 L，LOW线为0.7 L。冷却液应加到上刻线（FULL），当液面降到下刻线（LOW）时，应及时补充。

2.4 冷却强度调节装置设计

强制式水冷却系统统的冷却强度，一般受重型卡车的行驶速度、曲轴、水泵和风扇的转速及外界气温的影响。当使用条件变化时，如外界气温高，柴油机在低速大负荷情况下工作，要求冷却强度要强，否则柴油机易于过热；而当外界气温低，柴油机负荷又不大时，其冷却强度应弱些，不然就会使柴油机过冷。因此，要保证柴油机在最佳的温度下工作，不出现过热过冷现象，就必须能根据使用条件的变化，自动调节重型卡车柴油机冷却强度。冷却强度的调整方法是：改变流经散热器的空气流量和流速；或者是改变冷却液的流量和循环路线。

2.4.1 节温器

随柴油机负荷和水温的大小而自动改变冷却液的流量和循环路线，蜡式节温器可保证柴油机在适宜的温度下工作，减少燃料消耗和机件的磨损。蜡式节温器由上支架、下支架、主阀门、旁通阀、感应体、中心杆、橡胶管和弹簧等组成。

1）当水温低于86℃时，主阀门完全关闭，旁通阀完全开启，由气缸盖出来的水经旁通管直接进入水泵，故称小循环。由于水只是在水泵和水套之间流动，不经过散热器，且流量小，所以冷却强度弱。

2）当冷却水温度在86℃～106℃时，大小循环同时进行。当柴油机水温达86℃左右时，石蜡逐渐变成液态，体积随之增大，迫使橡胶管收缩，从而对中心杆下部锥面产生向上的推力。由于杆的上端固定，故中心杆对橡胶管及感应体产生向下的反推力，克服弹簧张力使主阀门逐渐打开，旁通阀开度逐渐减小，经小孔排出，保证能加满水。为了防止通气孔阻塞，故加装一个摆锤。

3）当柴油机内水温升高到86℃，主阀门完全开启，旁通阀完全关闭，冷却水全部流经散热器，称为大循环。由于此时冷却水流动路线长，流量大，冷却强度强。

2.4.2 百叶窗

在冷却水温度较低时百叶窗可以通过改变吹过散热器的空气流量控制冷却强度。百叶窗安装在散热器前面，它是由许多片活动挡板组成的。挡板垂直或水平安装，由驾驶员通过装在驾驶室内的手柄操纵调节挡板的开度。

2.4.3 风扇离合器

风扇是柴油机功率的消耗者，最大时约为柴油机功率的10%。为了降低风扇功率消耗，减少噪声和磨损，防止柴油机过冷，降低污染，节约燃料，重型卡车柴油机冷却系统采用硅油风扇离合器，由前盖、壳体、主动板、从动板、阀片、主动轴、双金属感温器、阀片轴、轴承、风扇等组成。

（1）当柴油机冷起动或小负荷下工作时，冷却水及通过散热器的气流温度不高，进油孔被阀片关闭，工作腔内无硅油，离合器处于分离状态。主动轴转动时，仅仅由于密封毛毡圈和轴承的摩擦，使风扇随同壳体在主动轴上空转打滑，转速极低。

（2）当柴油机负荷增加时，冷却液和通过散热器的气流温度随之升高，感温器受热变形而带动阀片轴及阀片转动。当流经感温器的气流温度超过65℃时，进油孔被完全打开，于是硅油从贮油腔进入工作腔。硅油十分粘稠，主动板即可利用硅油的粘性带动壳体和风扇转动。此时风扇离合器处于接合状态，风扇转速迅速提高。

（3）当柴油机负荷减小，流经感温器的气体温度低于35℃时，感温器恢复原状，阀片将进油孔关闭，工作腔中油液继续从回油孔流回贮油腔，直至甩空为止。风扇离合器又回到分离状态。

2.5 两点建议

（1）水箱罩应包含风扇叶轮纵向宽度的2/3较为合适。另外，空气流量还受到水箱罩与风扇叶片径向间隙的影响，间隙越小越好。但由于水箱罩与风扇在行车震动时，步调经常不一致，因此一般取15～20mm。但若风扇轴座与水箱罩是刚性连接的，可取5～6mm，效果更佳。

（2）加装膨胀水箱时应注意：一是膨胀水箱的安装高度应尽量大些，以形成足够的静水压；二是膨胀水箱要限制水位，形成一定的膨胀空间，以利于汽泡的排出，膨胀空间应占膨胀水箱容积的1/3～1/2。

3 结束语

某重型卡车柴油机在国产化过程中，由于柴油机油耗较高，散热量大，还有气候、地貌、环境等原因，原先冷却系统的性能已不能满足部分地区（如新疆、内蒙古）的市场需求。为适应市场需求，在原冷却系统设计的基础上进行了一系列的改进，比如由单节温器改为双节温器，系统开启压力由110 kPa增加到130 kPa，降低散热器芯子的厚度以减小风阻，提高散热器正面进风面积，增加密封条等措施后，结果表明，系统性能得到显著提高。

[1]李慧萍.面向重型卡车的新型高性能标定功率发动机[J].国外内燃机，2008，40（3）：60.

[2]冯茂林，李 静，韩鹏勃.防爆柴油机排气歧管冷却系统固流耦合热分析[J].煤矿机械，2007，28（2）：65-67.

[3]韩江桂，吴瑞林，宋继忠.用MATLAB实现防爆柴油机排气冷却系统的优化[J].煤矿机械，2004，25（11）：23-25.

[4]陈红岩，李 婷.柴油机活塞—缸套冷却水系统固流耦合传热研究[J].农业机械学报，2006，（5）：37-40.