发动机冷却系统设计.doc

发动机冷却系统设计目 录摘要2ABSTRACT31引言41。1 课题的背景和意义41.2 国内外发动机冷却系统研究现状及发展方向41。3 本次设计的主要内容62 475Q汽油机工作过程计算72.1已知条件72.2 参数选择82.3 额定工况工作过程计算83 475Q汽油机冷却系统的设计113。1 冷却系统的作用113。2 冷却系统的设计要求113。3 冷却系统的总体设计方案和参数选取113.4 散热器设计及选型133.5 风扇的设计及选型183。6水泵设计及选型243。7 475Q汽油机冷却系统的调节机构294 475Q汽油机冷却系统整体布置图355 结论36总结与体会37谢辞38参考文献39附录1 475Q汽油机工作过程计算源代码及运行结果40附录2 475Q汽油机冷却系统布置图51附录3 475Q汽油机纵剖面图5254475Q汽油机冷却系统的设计摘 要冷却系统的作用是使发动机总是工作在最佳温度范围内。本设计通过在475Q汽油机额定功率工况下进行的工作过程计算,对该汽油机冷却系统的参数进行了计算并对其总体布置方案进行了设计.本设计在475Q汽油机冷却系统总体设计的基础上，同时也对该冷却系统中的各组成，如散热器、水泵、风扇、节温器、进行了一系列的计算、选型、布置设计和匹配研究。结果表明，本设计所选择的各个部件都符合475Q汽油机的冷却要求,保证了该汽油机在各种环境下都能工作在最佳温度范围内。关键词：475Q汽油机,冷却系统,散热器，水泵，风扇The Design of Cooling System for 475Q Gasoline EngineAbstractThe purpose of the cooling system is to make the engine always work in the best temperature range. The design and calculation of work through the process in the 475Q gasoline engine rated power conditions， the parameters of the cooling system of the gasoline engine were calculated and the general layout scheme is designed。 The design is based on the general design of the cooling system for 475Q gasoline engine， but also on the composition of the cooling system， such as radiator， fan， water pump, thermostat， were calculated, and a series of selection, layout design and matching study。 The results show that， the design of each part of the selected are consistent with 475Q gasoline engine cooling requirements， ensure that the engine can work at the best temperature range in a variety of environments。Key words：475Q Gasoline engine， Cooling system， Water pump， Fan， Radiator1引言1。1 课题的背景和意义随着现代车用发动机采用更加紧凑的设计和更大的单位体积功率，强化程度越来越高,发动机产生的热流密度也随之明显增大,目前几乎所有的发动机强化都面临着如何解决高功率密度下的冷却及热平衡问题,在满足不断提高的输出功率的同时，又要具有良好的经济性。此外,日益严格的排放标准也对冷却系统提出了新的要求。冷却系统工作性能的优劣，直接影响着动力系统的整体性能.冷却系统即便出现小的故障也可能在排气门散热周围的区域造成灾难性的后果。发动机冷却系统的散热能力一般应满足发动机满负荷时的散热需求，已为此时发动机产生的热量最大。然而,在部分负荷时，冷却系统会发生功率损失，水泵所提供的冷却液流量超过所需的流量.发动机冷起动时间应尽可能短,因为发动机怠速时排放的污染物较多，油耗也大。而冷却系统的结构对发动机的冷起动时间有较大的影响。现代的发动机设计充分考虑这些问题,将发动机的热量管理系统纳入到整个发动机控制系统中，全面考虑发动机的暖机、冷却效率、废气排放控制、燃油利用、 乘客室的取暖和三元催化剂活化时间等。目前的冷却系统属于被动系统,只能有限地调节发动机和汽车的热分布状态1。开发高效可靠的冷却系统,已成为发动机进一步提高功率、改善经济性所必须突破的关键技术问题。因此，采用先进的冷却系统设计理念，对发动机冷却系统进行深入研究具有十分重要的实际意义。1.2 国内外发动机冷却系统研究现状及发展方向1.2。1 国外发动机冷却系统发展方向传统冷却系统采用的是冷却风扇或离合器式冷却风扇，两种风扇均由发动机曲轴通过皮带驱动，其冷却灵敏度不高，功率损失也大。为优化风扇，就出现了自控电动冷却风扇.最早的汽车电动冷却风扇出现在1981年三月的美国专利文件中(专利号US4257554），该专利提出使用电动风扇替代传统的皮带带动，根据发动机温度和负荷的不同实现风扇的运转;1985年德国大众在中国申请专利（专利号CN851095/A),此专利在汽车散热器前方设置空气输入口和辅助通口,加快散热器散热，降低风扇能耗；1989年,美国发明专利（专利号US4875521），该专利首次在载重货车上采用电动风扇;1999年，法国Valeo公司提出在发动机上配置智能热调节系统的新型电控系统,改善发动机的冷却性能。上世纪70年代,美国、日本、英国等国家提出了“绝热发动机”,其基本思路是对发动机燃烧室表面进行耐高温陶瓷的喷涂，从而减少散热损失2。经过数十年的发展，绝热发动机在高温陶瓷零件方面取得了较大成功.绝热发动机的整机热效率接近40%，复合式绝热发动机的整机热效率达到了40%以上。目前，还出现了发动机常规冷却机理中的强化冷却措施，如活塞的“內油冷”、排气门的“钠冷”以及喷油嘴的“內油冷”等内冷技术。另外,采用的一些节油技术也具有内部冷却的功能，如乳化柴油、进气喷水、进气引气、代用燃料冷却和过量空气冷却等。1.2.2 国内冷却系统的发展方向目前国内对发动机冷却系统的研究手段主要为试验研究和计算机模拟数值研究。在冷却液流动研究方面，以朱义伦等人为代表的采用多普勒测速仪（LDV）进行发动机缸盖冷却液流动测量,得到了冷却水在平行于缸盖和缸体结合面之间的二维流场；以王书义等人为代表的利用流动显形法得到冷却水流动的二维流场，通过研究冷却流场以改进水腔设计。通过计算机模拟数值研究，利用CFD分析技术及有限元（FEA）耦合分析技术对冷却液流场进行模拟。目前常用的技术载体，如大型的CFD商业软件有FLU2ENT，STAR CA，FIRE等。计算机软硬件水平飞速提高，使得采用计算机模拟数值研究复杂结构水腔内流动特性成为了越来越重要的研究手段3。自主品牌长城汽车近年来也在发动机冷却系统方面取得了许多技术成果,如充钠气门，通过在气门内充入金属钠，利用比热较大的钠快速吸收和传递热量，降低气门的在恶劣工作环境下的温度；如无极变速风扇，相比传统的2级或3级转速的散热器风扇，该技术可以做到风扇转速的无极调节，进而可以精细地调节冷却系统的散热量。总之，汽车发动机冷却系统正在由机械化逐渐向电控及智能化发展,一些新的工艺和技术不断在冷却系统上得到发挥和应用,各个冷却系统机构之间的协调性不断地提高，冷却装置的体积和重量不断向轻量化发展。精确冷却系统、分流式冷却系统、可控式冷却系统等新旧概念在冷却系统运用中得到了高度的配合统一。1.3 本次设计的主要内容475Q汽油机的冷却系统采用强制循环式冷却系统，本设计通过对冷却系统各个部件的精确计算然后对其进行选型，然后根据所选的构件确定冷却系统的总体布置方案，最后利用绘图软件画出布置图。在冷却系统的总体参数上，主要针对散热量、冷却水循环量、冷却空气需要量、泵水量等进行计算，再展开对散热器和风扇组件、冷却水泵的计算，确定参数后，对比市场上已经成型的产品进行选择，选择的产品应该符合475Q汽油机冷却系统的实际需要和相匹配车辆的尺寸要求4。计算完成后,再对冷却系统的其它组件进行设计。 最后,根据所选择的部件再对冷却系统的总体布置进行设计，合理安排冷却水的流动路线，科学规划各个部件的位置分布，画出布置图。2 475Q汽油机工作过程计算2.1已知条件 本设计中的475Q汽油机基本参数见表21。表21 475Q汽油机的基本参数名称 475Q汽油机缸径 活塞行程连杆长度压缩比点火提前角上止点前8°进气门提前开12°进气门滞后关68°排气门提前开72°排气门滞后关10°燃烧室型式半球形燃烧室发动机型式四冲程、水冷缸数大气压力大气温度0。8450。1550最大扭矩额定功率额定转速2.2 参数选择根据分析，以及相似汽油机的实验数据和统计资料，再结合所给机型的具体条件，选定参数如表22所示。表2-2 发动机工作过程计算参数选择表名称参数过量空气系数=0.90热利用系数=0.86机械效率=0。88示功图丰满系数=0.902.3 额定工况工作过程计算(一） 排气过程 排气压力： 排气温度：(二） 进气过程（1） 进气终点压力：（2） 残余废气系数: (3） 进气终点温度： （4） 充气效效: （三) 压缩过程：（1)平均多变压缩指数： （2)压缩终点压力: （3)压缩终点温度：（四）燃烧过程： （1)理论所需空气量: （2)新鲜空气量：(3） 理论上完全燃烧 (即=1） 时的燃烧产物:(4）理论分子变更系数:（5）实际分子变更系数： （6）燃烧终点温度： 最高燃烧温度： 压力升高比：燃烧压力：（五）膨胀过程（1）平均多变膨胀指（2）膨胀终点压力:（3)膨胀终点温度：（六）发动机性能指标（1）平均指示压力： (2)指示热效率:(3)有效热效率：（4）有效燃油消耗率：（5）平均有效压力： (6)有效功率：3 475Q汽油机冷却系统的设计3。1 冷却系统的作用内燃机运转时，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,充气效率下降，燃烧不正常，机油变质和烧损，零件的摩擦和磨损加剧，引起内燃机的可靠性、耐久、动力性和经济性全面恶化.如果冷却过强也不行，会使摩擦损失散热损失增加3。因此，冷却系统的作用就是使内燃机在各种环境和工况下都能够在合适的温度下工作。3。2 冷却系统的设计要求一个良好的冷却系统，应满足下列各项要求：1)内燃机在各种工况、气候下都能正常工作。当工况和环境变化时,冷却系统的冷却强度也能随之做出变化以使发动机工作在最佳工作范围内。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、质量轻，拆装维修方便。4） 性能可靠、成本低、寿命长。3.3 冷却系统的总体设计方案和参数选取此设计中，冷却系统采用的冷却方式为闭式强制冷却。闭式强制冷却系统由缸体和缸盖的水套、水泵、风扇、散热器组成5.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4。发动机主要参数如表3-1.表31 发动机主要参数发动机类型水冷4冲程475Q气缸直径与行程75.0mm×90.0mm发动机排量1600ml压缩比9.5：1有效功率72.455kw最大扭矩135Nm（1） 进入冷却系统的热量用经验公式：=式中，-燃料热能传给冷却系的分数，取同类机型的统计量，汽油机A=0。230.30，取A=0.25燃料低热值44100；有效燃油消耗率272；有效功率72。455。若水冷式机油散热器,要增加散热量,增大510%。（2） 冷却水循环量在算出发动机所需的散走的热量后，可计算冷却水循环量： 式中，冷却水在内燃机中循环时的容许温升，对现代强制循环冷却系统，可取=9；-水的密度，=1000；-水的比定压热容， =4。187 。（3） 冷却空气需要量冷却空气的需要量一般根据散热器的散热量确定。散热器的散热量一般等于冷却系统的散热量,所以冷却空气需要量可由下式求得：式中，空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差，取=25C；空气密度，一般为1。01； 空气的比定压热容，一般为1.047。3。4 散热器设计及选型散热器由上贮水箱、下贮水箱和散热器芯部组成。目前常用的散热器芯部结构分管片式和管带式两种。水管一般都是扁平形,以减小空气阻力，增加传热面积,减小冻裂的危险。管外的大量散热片或散热带是为了增加对空气的传热面积。管片式结构由于刚度好、耐压高,目前广泛采用.它的缺点是制造工艺比较复杂，坏了的水管只好焊死,一般若有20%的管子堵死就要更换新的芯部.管带式结构刚度和强度不如管片式，零件数少，制造方便,散热效果好，但空气阻力较大.它在新型汽车上应用愈来愈多。传热系数是评价散热效能的重要参数，它表示当冷却水和空气之间的温差为1时，每秒通过1与空气接触表面所散走的热量。提高散热系数可以改善散热效能，减少尺寸和材料消耗.传热系数受散热器芯部结构、水管中冷却水的流速、通过散热器的空气流速、管片材料以及制造质量（特别是焊接质量)等许多因素的影响。散热器的另一质量指标是空气阻力，只能通过专门的试验才能确定6。管片散热器由于采用公共散热片，对散热片的冲孔精度要求高，不然就不能保证焊缝质量。当散热片管子接触不良时，散热系数会下降2530。管带式结构工艺性要好得多,适于大量生产。散热器材料的导热性能和焊缝等工艺质量对有很大影响。目前常用导热性能、焊接性能和耐磨性能好的黄铜或紫铜制造散热器,但这是贵重的有色金属，成本高7。为了节约贵重的有色金属,水管和散热片的厚度已减到最低限度，目前水管壁厚为0.10.2，散热片厚度为0。060.1.散热器的上下水箱用0。8的黄铜或钢皮冲压而成，在散热器尺寸较大的用厚1。01.5的板料。上水箱的高度为60100。散热器要用弹性支承。3.4.1 散热器的正面积根据冷却空气量计算散热芯的正面积：=0.38式中，冷却空气量；散热器正面前的空气流速，取6。在车用发动机中， =0.20.4 m2.3.4。2 散热器的水管数根据冷却水的循环量计算冷却水管数：t =60式中，t冷却水管数；-冷却水循环量；-水在散热器水管中的流速一般在0.60.8m/s范围内,取为0.7 ；-选取水管尺寸为219，求得每根水管的横截面积为3.810 。3。4.3 传热系数传热系数是散热器的重要参数,的大小直接决定了散热器的换热效能，其主要受制造散热器的管片材料、焊接工艺、芯部结构、冷却水的流动速度、通过散热片的空气速度等因素的影响9。由于本次设计中,所选散热器为紫铜管片式，根据散热特性曲线(见图31），选取相应的冷却水流速和空气流速条件下的传热系数。图3-1 散热特性曲线图3。4.4 散热器的散热表面积=式中，在散热器里的冷却水和冷却空气的平均温差，=。式中，-冷却水平均温度=；-冷却空气平均温度=。式中,散热器进水温度，对开式冷却系统取97; 冷却空气（散热器）的进口温度,一般取40; -冷却水（散热器）的进出口温度，一般取9； 冷却空气（散热器）的进出口温度,一般取25。因为经过散热器的冷却空气流速不能达到均匀，散热片蒙上尘土时，散热性能要有所降低,实际选取的散热面积要比计算的大一些,通常取：= =15。07式中,储备系数,取=1。1。 3。4.5 散热器芯部厚度=0.07 其中为散热器芯部容积紧凑系数，取=500。 本次设计的散热器的结构参数如表3-2所示。表3-2 本次设计的散热器结构参数发动机型号标定功率（）散热面积(）芯部正面积（）散热管总数475q汽油机72。45515.070.38603。4.6 散热器结构图散热器的结构如图32所示，本次设计选取管片式散热器。图32 散热器结构图3。4.7散热器的选取 根据以上散热器的参数和风扇的参数,在网上查询市场上已经成型的散热器相关产品，本设计选取了重庆弘美制冷设备有限公司QLZ-9R型散热器带电子风扇总成。根据厂家资料，该产品的实物图3-3所示及该产品的技术参数表3-3.图3-3 QLZ9R型散热器带电子风扇总成表3-3 散热器参数参数名称参数大小产品型号QLZ9R产品材料铝塑散热量（kw)80（1±10%）尺寸（mm）1000x800x80散热器正面积()0.4风扇散风量（）2.5适用车型1。6L发动机3.5 风扇的设计及选型风扇的功用是使冷却空气在风道内不断流动，提高流经散热器的空气流速和流量，使发动机和散热器散发出的热量散发到大气中，强化散热器的散热能力。传统风扇通常安装在散热器后，与水泵同轴。用螺钉固定在水泵轴前端的带轮或凸轮盘边缘上。当风扇旋转时，抽吸空气通过散热器芯部，使冷却液在散热器内得到充分的热交换，加速冷却液的冷却，加强对发动机的冷却作用。风扇的外径略小于散热器的宽度和高度，风扇的布置应对准散热器芯的中心。本设计所选用的风扇是电动风扇,总体布置与普通风扇相同，但是电动风扇不与水泵同轴，它由电动机进行驱动，在电控系统中,风扇的工作状态由温控开关(水温传感器）和汽车ECU控制，其转速与发动机转速无关，具有结构简单，布置方便的优点。在小轿车发动机上,电控风扇已经得到了广泛的应用。风扇常采用的形式有两种：轴流式和离心式。目前汽车水冷发动机上应用较普遍的是轴流式风扇.因为它的结构简单，在系统中布置方便,在低压下风量大.轴流式风扇的叶片一般用12厚的钢板冲压而成,为了提高刚度和扇风压力，多采用将断面弯成圆弧的叶片，圆弧的半径为叶片断面弦长的0。82.5倍，有时为了风扇叶片和叶轮的装配方便，将圆弧叶片的安装部位作成小平面.这种冲压风扇在大量生产条件下工艺性较好。有的内燃机上,采用铝合金铸造或增强尼龙制造的风扇，它的轮叶是机翼型断面叶片。它在攻角变化较大的范围内具有较高的效率,而薄钢板圆弧叶片只有在攻角变化4的范围内才具有较好的效率，但即使在较好的效率范围内,也赶不上机翼型断面叶片。由于水冷内燃机的风扇没有前后导向装置，机翼型风扇提高效率有限，以因它的制造成本较高，限制了它在水冷内燃机上的广泛应用10。风扇的外径略小于散热器芯部的宽度和高度,其值在0。30。7m之间，风扇轮毂半径与风扇外径之比称为轮毂比，一般取=0。20。25左右，风扇叶片长与风扇外径之比为0.340.36之间。风扇轮叶所扫过的圆环面积与散热器芯部正面面积之比为0。450.6.风扇的中心线一般在散热器芯部中心线上,但也有些风扇由于总布置的要求，它的中心线略高于散热器芯部的中心线，这时，由于芯部上部的水温较高，散热效果较好.在散热器与风扇之间要设导流风罩，并且必须密封导风罩与散热器的联结处,防止风扇抽风时，外界空气从不密封处短路流入风扇，使流过散热器的风量减少，使散热器的散热效果下降11。风扇主要根据所要求的扇风量和风压来选择.由于水冷内燃机风扇的外径主要由散热器芯部正面积决定，然后再决定其它参数和尺寸.水冷内燃机风扇计算如下：3。5.1 风扇的扇风量风扇的扇风量应当等于通过散热器的冷却空气量，而冷却空气量又由散热器的散热量决定。所以扇风量的计算为：3.5.2 风扇的压力冷却空气流过散热器时,会遇到很多阻力。要使冷却空气能够通过散热器并且把散热量带走，风扇所供给的冷却空气必须具有一定的压力，应为150,以克服空气道的阻力。空气道的阻力计算如下：=140式中,散热器的阻力,当为1020时,管片式散热器的阻力为100500，计算时取=100；-除散热器以外的所有阻力,如百叶窗、导风窗、发动机罩等的阻力取=0.4.3.5.3 风扇外径因为风扇叶轮扫过的环面积等于散热器芯部正面积的45%60%，而风扇轮叶内径与外径之比=0。280.36，则，即D=（0。790.93）。计算中，取 3.5.4 风扇外径处的圆周速度 =式中,n风扇的转速，电子风扇的转速由发动机水温所确定，本设计中取3000r/min。此时，风扇皮带速度在1030范围内。风扇叶顶圆周速度不可太高，太高则产生的噪声会很高，一般控制在<70，最高不超过120。3。5.5 风扇轮叶外径处的压力系数=式中，风扇压力；-空气密度.一般取=0。50.6,本设计中取=0。56。3.5。6 风扇轮叶内径=式中，风扇轮叶内径处的压力系数，一般取>0。1.3。5.7 风扇气流的有效轴向速度=412。73.5.8 风扇轮叶外径处的流量系数=3.5.9 节流系数=太大，则会降低容积效率，一般0。25。本设计取=0。113.5。10 风扇的容积效率 先确定风扇轮叶外径与风扇护风圈之间的间隙，如果间隙过小，则风扇和护风圈可能相碰12，所以取在20.再计算相对间隙,由公式=0.068,再由“容积效率与相对间隙的关系图”（图3-4）中找到节流系数的曲线,以为横坐标，就可查到相对应的容积效率=0。6。图 34 容积效率与相对间隙关系图3。5.11 通过风扇轮叶气流的轴向速度=式中，为考虑了风扇叶顶处空气回流后通过风扇轮叶气流的轴向速度.从提高散热器的散热效率出发，经过散热片间的气流速度应相等,在计算风扇轴向速度时，应当使所设计的风扇在不同风扇半径处的相同。但当风扇叶片过长时,这样设计会使风扇叶片根部过宽，安装角过大，叶片之间的间隙过小，会引起气流的扰动而发生噪音。故有许多风扇设计时,使从叶片顶部沿根部逐渐变小。这样设计的风扇结构合理。但不应相差太大。3。5。12 空气气流的周向分速度=式中，风扇液力效率，薄钢片叶轮风扇时为0.50。7，铸铝机翼型叶轮风扇时为0.550。75，由于所选的风扇为薄钢片叶轮风扇，取=0。6。3.5.13 气流相对速度=3。5.14 平均气流角因为tan=,所以=3。5.15 风扇轮叶宽=先取工作轮轮叶数=6，均匀布置。将选取的风扇叶片数代入式=中计算得=0。11。本设计选取的叶片为薄钢片叶片，翼形参数=0。15，然后从“薄钢片叶片空气动力特性曲线"（见图35）图中根据曲线，在值较低的区间内选攻角=8，然后在曲线上求得对应的=1.6。经过计算，既得到风扇轮叶宽度=0.09。图35 薄钢片叶片空气动力特性曲线3。5。16 风扇轮叶安装角在设计计算风扇时,要从风扇轮叶的不同半径处选取36个断面上进行上述计算.应用计算得的风扇结构参数、及所选的叶片翼型就可设计风扇。3。5。17 风扇的消耗功率=934式中，总效率,为、的乘积。为风扇的机械效率,由风扇传动方式决定，用V带传动时=0。95，只有当V带弹性很好而且支座刚度较好时，才能取上限值。3.5。18 风扇的结构图本次设计选取的风扇结构为轴流式，下图为轴流式风扇的几种形式如图36所示：图36 轴流式风扇3。5。19 风扇及散热器的选取475Q汽油机选用了QLZ9R型散热器带电子风扇总成（见图33），该风扇为电动风扇,由电动机直接驱动，根据温控开关（传感器）调节扇风量,是一种智能化的风扇。通常，当冷却液温度为9097 oC时，风扇转速为2300r/min；当冷却液温度升高到99105 oC时,风扇转速为2800r/min；当冷却液温度降到8491 oC时，风扇停止转动。3。6水泵设计及选型内燃机的冷却系统一般都用离心式水泵，通过三角皮带传动.水泵的结构中，影响效率的关键是轮叶和蜗壳的形状，而影响可靠性的关键是水封，水泵的叶轮多半是半闭式的，即只有一个圆盘，水泵体上专门加工的泵盖起着第二圆盘的作用.它的构造简单，但水泵容积效率较低。半开式叶轮自高压区泄入进口处的水量 较多，特别是现有冷却水泵均无防回流装置，在小流量时，泄漏更为严重13.所以叶轮与泵体之间的径向间隙不应超过1，轴向间隙不应超过0.2。许多水泵采用径向叶片叶轮，它的构造简单，铸造方便，理论扬程较高,但叶片的安装角不能与水流方向吻合，产生很大的撞击损失,所以液力效率略有提高；为了进一步提高液力效率，采用了后向弯曲的双圆弧或多圆弧叶片叶轮。它的叶型与水流方向基本吻合，所以效率较高,是一种较好的结构。有些水泵将叶轮的叶片做成矩形，在水流作径向流动时,水流通过断面过度扩大，从而引起强烈的局部涡流损失.为了减少这种涡流损失，使其水流通道断面相等，常将轮叶作成梯形.水泵的叶轮轮叶数一般为48片，轮叶过少会降低水泵效率,但轮叶过多,水的有效流通面积减少，同时水与轮叶的摩擦阻力增加,也会影响效率。轮叶数过多使水泵实际进水断面减小,这是特别有害的.为了改善水泵进口处的水流情况,有些水泵轮叶一长一短交替，有半数轮叶不延伸到进水口,使进水口处轮叶数减少.轮叶厚度应尽量薄，主要由铸造工艺决定,一般厚度35 .叶轮盘上有两个小孔，起平衡轴向力的作用。水泵涡壳的正确形状，在宽度相等时应为一对数螺线.实际上为了设计时便于作图,常用阿基米德螺线代替.水泵叶轮、壳体和皮带轮一般用铸铁铸造.近年来壳体常用铝合金铸造，叶轮开始用工程塑料压制，驱动皮带轮则广泛用薄钢板滚压成形，以减轻重量，降低成本。水泵大都用钢制造。水泵的轴承现在大多用结构紧凑的轴连轴承，这种轴承工作过程中不必再加油润滑，使用方便.水泵主要根据所需的泵水量和泵水压力来选择，其计算如下:3.6。1 水泵的泵水量水泵的泵水量可根据冷却水的循环量按下式初步确定：=0.002式中,水泵的容积效率，主要考虑水泵中冷却水的泄漏，取=0。8。3.6。2 水泵的泵水压力水泵的压力应当足以克服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，为了冷却可靠,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。当压力不够时，水泵入口处可能发生气蚀现象，因为此处的压力最低。如果这个地方的水压等于或低于该温度下水的气化压力,就会有蒸汽及溶解在水中的气体从水中大量逸出，形成许多蒸气与气体混合的小气泡。这些小气泡随水流到高压区时，由于气泡内是气化压力，而气泡周围大于气化压力,产生了压差，在这个压差的作用下，气泡会破裂现重新凝结。但凝结过程中,液体质点从四周向周向气体气泡中心加速运动，在凝结的一瞬间，质点相互撞击，产生很高的局部压力。这些气泡如果在金属表面附近破裂而凝结，则液体质点就像无数小弹头一样，连续打击在金属表面上。在压力很大频率很高的连续打击下，金属表面逐渐因疲劳而破坏，通常把这种破坏称为剥蚀。在所产生的气泡中还杂有一些活泼气体，如氧等，借助气泡凝结时所放出的热量，对金属起化学腐蚀作用.化学腐蚀与机械剥蚀的共同作用,更加快了金属的损坏，这种现象叫做气蚀破坏。在汽车发动机中,管道的液力阻力一般为0。0750.125,气缸水套阻力为0.130。15,散热器为0。20。25，总阻力等于0。40。53.为了安全起见，一般取泵水压力=1.5。 3。6.3 叶轮进水孔半径式中,-叶轮轮毂的半径，根据内燃机冷却水泵水封系列推荐的数据取15mm；-水泵进口处的水流速度，一般取=1.5，一般取=12m/s 。取得过大,水泵可能发生气蚀。将参数代入上式可得=0。025。3。6.4 水流流出叶轮外缘的圆周速度=36。7式中，叶片出口处水流绝对速度与叶轮切线夹角，取。-叶片出口安装角，取。-液力效率，=0.8. 泵水压力,=1。5。3.6.5 叶轮外缘半径=式中，-水泵的转速,与发动机正时齿轮和水泵驱动齿轮的尺寸有关,本设计取6500r/min。3.6.6 进口处与出口处的叶片宽度 式中 轮叶厚度，在现有结构中=35mm，本设计取3。5mm；-轮叶数，一般取48片，本设计取6片.在现有结构中=1235毫米，=725毫米。经计算可知=15。8mm;=8.2mm。3。6.7 轮叶进口安装角在现有结构中，=40 o55 o，本设计为47 o3.6。8 水泵所消耗的功率=395式中，水泵的机械效率,取=0。95。-泵水压力，=1.5=帕。根据对国内外大量的内燃机水泵的试验表明，水泵的总效率=很低，只有2045%,其中径向轮叶的水泵效率只有2030,向后弯曲单圆弧轮叶的水泵效率不3036,向后弯曲多圆弧轮叶的水泵效率才有4045%。原因是和很低。一般=（0.0050.01)。上述满足此要求。3。6.9 水泵平面图所设计的水泵结构图如图37 所示。图 3-7 水泵结构图1-凸缘盘 2-轴承 3-通气孔 4-小循环进水道 5水封 6-叶轮 7水泵轴 8水泵壳 9-大循环进水道3.6.10 水泵的选取根据以上水泵参数，在网上查询市场上已经成型的水泵相关产品，本设计选取了成都嘉源汽配的JL475型号水泵。根据厂家资料，该产品的实物图38以及参数表34如下所示。图38 JL475型号水泵表3-4 JL475型水泵参数名称参数水泵型号HA-119泵水量0。002外形尺寸210*150*50（mm×mm×mm)泵水压力1.5(）芯子尺寸32*6024(mm×mm×mm）适用发动机型号和车型475Q发动机，长安悦翔3。7 475Q汽油机冷却系统的调节机构3.7.1 冷却系统的调节方法冷却系统的任务就是保证发动机在任何工况下都工作在最佳工作温度范围以内。但是,当工况改变时，例如转速不变而负荷改变时，机件的受热量随着平均有效压力的增加而增加，但因为风扇转速不变和水泵转速不变，扇风量和泵水量就不变,因而冷却系的散热强度也就不会发生变化.因此,按照大负荷设计的冷却系,在小负荷工况下可能过冷，反之则可能过热。当发动机负荷不变而转速变化时，发动机受热量不变，但由曲轴带动的水泵则会发生泵水量的变化,这导致按高转速设计的发动机，在低转速时可能过热，反之则可能过冷14.因此，一般设计冷却系都是按照高温气候条件下额定功率工况下设计的，如果出现过冷，则对冷却系的散热量进行调节。常用的冷却强度调整方法有两种：一是改变流经散热器的空气流量或转速，其中包括百叶窗、风扇离合器、电动风扇(据统计,轿车用发动机水冷却系统只有25%的时间需要风扇工作，而在冬天仅有5%的时间,大部分时间不需要风扇工作)；二是改变冷却液的流量和循环路线，主要通过使用节温器来实现。3.7。2 节温器节温器是控制冷却液流动路径的阀门,节温器在冷却系统中有两种布置形式：一种是布置在气缸盖出水管路上；另一种是布置在气缸体进水管路上。前者结构简单，布置于冷却系统的最高处，易于排除水泡，但在冷起动、寒冷地区高速行车时，容易出现节温器反复开闭的震荡现象,易损坏节温器，并使油耗增加。后者易于控制冷却液温度，减少节温器震荡，特别适于冬季或寒冷地区高速行驶车辆，但排气困难，需要在冷却液通道中设置几个排气孔，结构相对复杂。475Q汽油机的节温器布置于缸盖出水管路之上。目前，水冷内燃机通常使用的是蜡式节温器,这种节温器的工作介质为石蜡，在固态和液态之间转换，基本可以视为不可压缩介质，因此对冷却系统内的变化不敏感，工作可靠性高，使用寿命长，结构简单，制造方便,成本较低。图39为蜡式节温器实物图片。图3-9 蜡式节温器蜡式节温器的结构如图310所示,节温器由上支架、下支架、主阀门、旁通阀、感应体、橡胶管和弹簧等组成。上支架3和下支架7与阀座铆接成一个整体。中心杆11上端固定在上支架的中心，其下部插入橡胶管4的中心孔内，中心杆下端呈锥形。橡胶管与感应体9外壳之间的空腔里装有石蜡8，为提高导热性，石蜡中常掺有铜粉和铝。为防止石蜡外溢，外壳上端向内卷边，并通过上盖和密封垫2将橡胶管紧压在感应体壳的台肩是上。外壳上下部有连动的主阀门1和旁通阀10。主阀门上有通气孔6，它的作用是在加热冷却液时使水套内的空气经小孔排出,保证能加满冷却液。图310 蜡式节温器结构图1-主阀门 2上盖和密封垫 3-上支架 4-橡胶管 5-阀座 6通气孔 7下支架 8石蜡 9感应体 10旁通阀 11-中心杆 12弹簧常温状态下,石蜡呈固体状态，当冷却液温度低于349K(76oC）时，主阀门完全关闭，旁通阀完全开启，由缸盖出来的冷却液经过旁通管直接进入水泵,这个循环叫做小循环，如图311。此循环通常是在发动机冷起动状态下运行。由于水只是在水泵和水套之间循环，不经过散热器,流量小,散热能力低，有利于冷却液快速升温，减少了有害物质的排放，降低了油耗，还可以使车厢内的暖风系统及冷却液加热的油管、预热系统快速投入工作。图3-11 冷却液小循环1-节温器 2-水套 3水泵 4散热器 5旁通管当发动机冷却液温度升高到359K（86 oC）时,主阀门完全开启，旁通阀完全封闭，冷却液全部流经散热器，这个循环叫做大循环，如图3-12。由于此时的冷却液流动路线长，流量大，因此冷却强度好。图312 冷却液大循环1节温器 2水套 3水泵 4-散热器 5旁通管当冷却液温度在349359K（7686 oC