F1-01 发动机冷却系统设计（大小循环、节温器）

课程代码 F1-01 · 板块 F 动力总成与整车其他热源 / 发动机冷却 时长 约 3.5 小时（5 讲） 前置 A1 传热与热力学基础；A2-02 泵与风机工作点匹配；B2-01 燃油车热管理架构 本讲义定位 讲师授课蓝本 / 学员自学讲义，是 F1-01 大纲的完整展开版

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引言：设计对象是一条窗口，不是一个水温

发动机冷却系统的活儿，常被一句话概括成「把水温控在某个值附近」。这句话一旦当真，设计从第一步就走偏了——水温低了和高了坏在完全不同的地方，把守两沿的也是完全不同的机理。低了，摩擦大、混合气加浓、催化器迟迟不起燃、机油被燃油稀释，代价落在油耗与排放上；高了，爆震裕度被吃掉、水套局部沸腾、直至开锅，代价落在动力与硬件上。所以本课的设计对象是一条上下两沿由不同机理把守的温度窗口，这是全课的第一根钉子；由它引出一条贯穿全课的验收纪律：改节温器开启点、加大散热器、换大风扇、抬高盖压、放宽允许进出水温差——任何一条决策都必须同时报出它把哪一沿推向哪个方向，只报一沿的方案在本课一律不合格。

第二根钉子在压力这一侧：一条闭式冷却回路只有一个压力基准点，它叫定压点——补液口接在哪一点，哪一点就成了基准。基准落在哪，同时决定三件事：泵入口是不是正压（NPSHa 够不够）、沸点被抬到多少、回路里的气能不能被赶出去。这三件事常被拆给三个人（气蚀归泵、沸点归盖、排气归壶），本课要把它们钉成同一条链——讨论其中任何一件而不先说清定压点在哪，结论都不成立。两根钉子在这里交汇，但要分开算：抬高定压点既抬高沸点（钉子一的上沿），也抬高泵入口压力（泵的可靠性判据），这是两条各自成立的判据链，不得互相推导，界线在第 4 讲画。

读完本课要建立三个判断力：把一个工况折成散热量、冷却液流量与散热器/风扇需求的核算链；读得懂节温器这类「热驱动自治执行器」的行程—温度曲线、迟滞与热惯性；把定压点、沸点裕度、NPSHa 与排气写成一张能逐项核查的账。最后先提醒一条本课最容易被读反的：图控（加热式）节温器的加热丝一通电，很多人顺着名字理解成「把水温加上去」——方向恰好相反，通电的结果是把水温拉低。被加热的是蜡包这个测温元件，不是冷却液；加热丝移的是等效开启温度这条判据线，判据线下移，阀就提前开、冷却液走散热器、水温随之下降。读反了会在标定、诊断与策略三处一起做反，第 2 讲把这条链拆开讲。

第 1 讲　热平衡与散热需求：把温度窗口的上沿折成一个散热量和一个流量

温度窗口有上下两沿，这一讲只做上沿这一侧的功课：先弄清楚发动机到底把多少热甩给冷却液，再把这份热折成"每秒要流过多少冷却液"。下沿（暖机、节温器、目标水温怎么定）是第 2 讲的事，这一讲一句不越界。

要提前说清的是，这一讲交出的不是一个数，而是一条可复算的链和几条不许写反的方向。散热量、流量、各工况的热负荷，在整车上全都是平台相关量；本讲能给你的，是"这个量该怎么取、取错了会往哪个方向错"。凡是本讲写"须由本平台实测/标定确定"的地方，那就是这门课给出的合格答案，不是没写完。

本讲用到的量与符号（本讲统一口径，后面几讲另有约定的以各讲为准）：

• ṁ_fuel——燃油质量流量，kg/s；
• LHV——燃料低热值，kJ/kg，由本项目的燃料牌号给出（汽油、柴油、替代燃料各不相同），本课不给数；
• φ_cool——冷却分数，无量纲，冷却系统带走的热占燃料输入热的份额；
• Q_cool——冷却液侧散热量，kW。⚠ 这是全课统一口径，不是本讲的局部约定：Q 一律表示热量，且必须带量名下标（Q_cool 冷却系统散热量、Q_rad 散热器散热量）；⛔ 全课不写裸 Q，也⛔ 不用 Q 表示流量——大纲把回路阻力式写成 H_回路 = H₀ + K·Q²，其中那个 Q 是体积流量，本课为消歧统一改写为 V̇（见第 3 讲符号约定与关键公式详解，那里也列出了两处仅有的例外）；
• ṁ——冷却液质量流量，kg/s；V̇——冷却液体积流量，m³/h。两者靠密度换算，⛔ 不可互相顶替；
• c_p——冷却液定压比热，kJ/(kg·K)；ρ——冷却液密度，kg/m³。两者都随温度与配方变，引用时必须报温度；
• ΔT_水——冷却液允许进出水温差，K，断面取发动机侧（缸体缸盖水套进口到出口），是设计者选定的允许值。图3 的横轴就是这个量。⚠ 散热器进出口之间那个温差是另一个断面上的实际值，本课记作 ΔT_水,rad（定义与两者的关系见 3.1），⛔ 两个符号不得互相顶替、也不得直接划等号。

1.1 三分法只交出第三份，但被扫进"其他"的那几项必须先列名

是什么。燃料烧进气缸，热量按量级分成三份：一份变成有效功（真正推车的那份），一份随排气焓离开，一份进了冷却液与机油。这门课的设计对象只有第三份——冷却系统要处理的就是它。

但账面上还有一栏"其他"，它不是垃圾桶。里面至少有四项有名有姓的东西：摩擦损失、泵气损失（换气过程的功损失）、附件驱动（水泵、油泵、发电机、空调压缩机等从曲轴取的功）、机体与管路对机舱的辐射与杂散散热。

为什么必须先列名。这四项的绝对值不随负荷等比缩小：摩擦力矩、附件的功耗在低负荷时几乎照旧，而燃料输入却小了一大截。于是它们在燃料输入里占的比例，在低负荷段与冷起动段显著上升。这正是"三分法的比例不能当作全工况常数"的直接原因，也是后面 1.2 那三条方向的根。不把它们列名，你就说不清两件事：暖机为什么慢（可用来加热金属的那份热被这些项分走了一块），以及低负荷时"热到底少在哪"。

工程量级。本讲只给一句量级锚：冷却液带走的这一份与有效功同量级（1 的量级）。这句话的来源级别必须写明——它是本课程体系内的量级口径（承自 B2-01 燃油车热管理架构：发动机冷却 + 空调 的能量三分法骨架），不是标准原文、也不是实测结论，必须以台架热平衡实测修正。用途也限死：只用于在还没有实测数据时起一个初值，⛔ 不得拿它反算 φ_cool、⛔ 不得反算排气分数、⛔ 不得跨机型套用（尤其不能套到 IEM 机型上，见 1.4）。⛔ 本课不给三分法的百分比配比——那是机型与工况的函数，给了就等于给了一个假的常数。

易错点。

1. 把"其他"当成第四股独立的热再加一遍，造成重复记账。摩擦与附件驱动最终确实以热的形式出现，但它们的落点主要仍是机油与冷却液，已经含在第三份里；泵气损失落在换气功上，不是另一股热流。列名是为了知道热在低负荷段少在哪，不是为了再加一股进来。可闭合的整车能量账（控制体怎么划、时间基怎么取、残差带怎么留）归 B4-01 整车能量流与热量流协同分析，本课不重讲。
2. 把本课的"水泵气蚀"与内燃机的"泵气损失"当成同一件事。⚠ 这两个词同形异义，必须当场点破：水泵气蚀是泵入口的当地压力低于该温度下冷却液的饱和压力，液体在泵入口局部汽化、气泡随后在高压区溃灭，属泵的可靠性问题（本课第 4、5 讲会反复用到）；泵气损失是活塞在进排气行程里为换气所做的功损失，属发动机的机械/换气账。两者除了共用一个"泵"字和一个"气"字，没有任何关系。
3. 把三分法当台账用。它是个量级骨架，用来在没有 map 的时候起初值；要闭合的账去 B4-01 整车能量流与热量流协同分析。

1.2 冷却分数 φ_cool 不是常数，它沿三个方向都在往下走

是什么。φ_cool 就是"冷却系统带走的热 ÷ 燃料输入的热"这个分数，它的唯一用途是把燃油流量折成散热量的量级：

Q_cool ≈ ṁ_fuel · LHV · φ_cool

为什么它会动，三条方向各有各的机理。

• 随负荷升高而下降。高负荷时缸内温度更高、燃气流量更大，更多热量以排气焓的形式被带走；同时壁面换热在总账里占的相对份额下降。
• 随转速升高而下降。转速高了，单个循环里燃气与壁面接触的时间变短，传给壁面的那一份在每循环的燃料热里占比减小。
• 燃烧相位推迟时下降。点火（或喷油）推迟使燃烧重心后移，更多热量在排气门开启时还没来得及交给壁面，直接以排气焓离开，φ_cool 同向被压低。

工程量级。⛔ φ_cool 是平台相关量，本课不给数——不给单点值，也不给区间。本讲交付的只有上面三条方向和一条纪律：要取值，必须用本平台的散热量—工况 map 或台架热平衡实测。⛔ 单点分数只能做量级初判，禁止跨工况线性外推。

易错点。

1. 把某一个工况点上测到的分数当成常数套全工况。这是"三分比例当常数"的同一个错误在分数上的翻版，它会让你在最需要散热的那一格算出偏低的散热量。
2. 把"点火推迟让排气更热"误推成"冷却负担也更重"——方向恰好相反。那部分热是从冷却液这一侧被移走的，冷却液侧的负担是下降的。⚠ 但同一个动作会让排气侧与催化器侧的负担同时上升，那一路的机理与限值归 F2-03 排气热管理与后处理起燃（催化器暖机），本课不判。这条是典型的"反过来说听起来也通"，所以必须把机理写出来，而不是只给结论。
3. 拿分数直接跨工况做线性外推。三条方向都是单调方向而不是线性关系，外推出来的数没有任何可用性。

1.3 分数在降、绝对散热量却在升：两条线方向相反，必须同时读

是什么。这是本讲最容易读错的一处：φ_cool 随负荷单调下降，而 Q_cool 仍随负荷单调上升。两条曲线一条是比值、一条是绝对量，方向相反，读者必须能同时读出两条。

为什么。回到那条乘积式 Q_cool ≈ ṁ_fuel · LHV · φ_cool：负荷上升时，燃油流量 ṁ_fuel 的增幅压过了 φ_cool 的降幅，所以乘积仍然单调上升。分数在降只说明"这台机器把热更多地交给排气了"，不说明"冷却系统轻松了"。

工程量级。两条曲线的具体形状都是机型相关量，⛔ 不给数。本讲只给"一升一降、乘积仍升"这一条定性判断，图2 因此画成无刻度的双纵轴示意。

易错点。

1. 看到"大负荷时冷却分数下降"就推出"大负荷时散热器压力小"，进而把选型工况定到部分负荷去。这是本课钉子①上沿被推错方向的典型：上沿由散热能力与沸点裕度把守，选型工况一挪，上沿的裕度就在纸面上被虚增了一截，而实车上那一截并不存在。
2. 拿单点分数做跨工况线性外推（同 1.2 第 3 条）。
3. 把这条结论原样套到 IEM 机型上——下一节就是讲这个。

1.4 IEM 机型的分数基数整体更高：同一套口径直接套过去会低估散热需求

是什么。一体式排气歧管（IEM，integrated exhaust manifold）把排气歧管直接铸进缸盖、并纳入缸盖水套。结果是：本应随排气离开的一部分热，被直接灌进了冷却液。同一台机器，φ_cool 的基数因此整体上移。

为什么它是结构性的，而不是标定出来的。IEM 是被动常在的——它不受控、也无法退出。这就带来两笔必须一起报的账：暖机段它是收益（排气的热更快地把冷却液和金属带到工作温度，等于把温度窗口的下沿更快地跨过去）；暖机结束之后它转为净负荷（这份热此后每一秒都要由散热器排到环境里去，直接顶在窗口上沿）。⛔ 只报其中一笔就是本课不合格的方案。

工程量级。⛔ 抬升幅度是机型相关量，本课不给数——既然 φ_cool 本身不给单点值，就更不能拿它去说"IEM 高多少"或"高几成"。本讲只给一条纪律：IEM 机型的 φ_cool 基数须单独取值，⛔ 不得沿用非 IEM 机型的口径。定量重算与由此展开的几本账归 F2-06 涡轮增压器本体热管理：涡壳/轴承体冷却、停机热浸与机油焦化、电动增压器。

易错点。

1. 拿上一代非 IEM 平台的散热量 map 直接给 IEM 平台用。后果很具体：散热需求被系统性低估 → 散热器面积定小 → 风扇功率定小 → 到了低速大负荷那一格才发现不够，而那时前端空间已经冻结。
2. 只记住 IEM 的暖机收益、忘了它热机后是净增的冷却负荷。
3. 把 IEM 与 EGHR 混为一谈。IEM 是缸盖/歧管的结构件，被动常在；EGHR 是排气路上外挂的换热器，可控、可退出，那一路归 F2-04 排气余热回收与热电利用。两者对散热账的影响完全不同——一个是必须常年背着的，一个是需要时才接进来的。

1.5 由散热量反推流量：ΔT_水 是设计者选的一个权衡，不是可以随手填的数

是什么。冷却液带走的热由三个量定死：

Q_cool = ṁ · c_p · ΔT_水　⇒　ṁ = Q_cool / (c_p · ΔT_水)

三个量各有各的出处：Q_cool 由前面四节定（燃油流量 × LHV × φ_cool，或直接读 map），c_p 由冷却液配方与温度定，ΔT_水 由设计者选。所以流量不是"填"出来的，是被这三者算出来的。

为什么 ΔT_水 是一个权衡。因为它同时牵着两头，而两头的代价形状完全不同：

• ΔT_水 取小：ṁ ∝ 1/ΔT_水，流量成倍上升；回路压降按流量的高次方上升（湍流段约 1.75~2 次方，指数怎么退化见第 3 讲）；泵的水力功还要在压降上再乘一次流量，于是水力功大致按流量的三次方走。代价落在泵的功耗、泵的选型体积与噪声上。
• ΔT_水 取大：流量降下来了，但缸盖出口的局部温度更高，鼻梁区与排气门座这些最热的点更靠近局部沸腾。代价直接顶在温度窗口的上沿上。

⚠ 按本课的纪律，这条决策必须两沿都报：放大 ΔT_水 吃掉的是上沿（局部温度与局部沸腾裕度）；它不直接推下沿——ΔT_水 是热机后大循环上的量，而暖机段节温器关闭、散热器被旁通，下沿由暖机策略与节温器行程把守（第 2 讲）。把"不推另一沿"明写出来，这条方案才算报全；只报泵功一侧的方案在本课不合格。

工程量级：可给的和不给的，要分清。

⛔ 本平台的 ΔT_水 取值是平台相关量，本课不给数。可以给的是纯代数的相对关系——以 ΔT_水 = 6 K 为归一基准（该基准是教学假设值），流量与水力功随 ΔT_水 的变化可逐点复算：

ΔT_水（K）	相对质量流量 ṁ/ṁ_ref	相对泵水力功 P/P_ref
4	1.500	3.375
5	1.200	1.728
6（归一基准）	1.000	1.000
8	0.750	0.422
10	0.600	0.216

读法：把 ΔT_水 从 6 K 收窄到 4 K，流量变成 1.500 倍，而泵的水力功变成 3.375 倍；反过来把 ΔT_水 从 6 K 放宽到 10 K，流量降到 0.600 倍、水力功降到 0.216 倍。这几个数是 6/ΔT_水 与 (6/ΔT_水)³ 的直接结果，读者可以自己按三位小数复算一遍。⚠ 表里的水力功那一列是按"压降取流量平方"的工程简化算的；低流量段指数会由 2 退向 1，实际增幅与本表有偏差，方向见第 3 讲的图13。

c_p 取哪一个值：两个出处都要记，⛔ 不许单值化。冷却液不是水，这一步用错值，流量会直接算错一成半。下表给的是物性库级别的来源（不是标准原文，也不是某个供应商的产品数据表）：

出处（同一物性库同一版本的两套关联式）	c_p，kJ/(kg·K)	ρ，kg/m³
CoolProp 8.0.0 · INCOMP::MEG-50%（90 ℃、200 kPa）	3.616	1019.0
CoolProp 8.0.0 · INCOMP::AEG-50%（90 ℃、200 kPa）	3.551	1031.0
本课统一取用的包络	3.55~3.62	1019~1031
同温同压纯水（对照，CoolProp 8.0.0 · IAPWS）	4.205	965.35

⚠ 三条口径必须一起记：① 上面这个区间是两套关联式的包络，⛔ 不是实测散差，别拿它当公差用；② 50 vol% 乙二醇水溶液的定压比热比同温同压纯水低 14.0%~15.6%——这个百分比自带分母，分母是纯水的 c_p = 4.205 kJ/(kg·K)（1 − 3.616/4.205 = 14.0%，1 − 3.551/4.205 = 15.6%，可逐步复算）；③ 浓度与配方对这两个量的影响归 H7-01 冷却液（乙二醇型）配方、性能与劣化，本课不展开。

走一遍完整的算例（输入全部是教学假设值）。取 Q_cool = 60 kW、ΔT_水 = 6 K、c_p = 3.6 kJ/(kg·K)（上表包络取整后的教学口径）：

• ṁ = 60 / (3.6 × 6) = 2.778 kg/s = 166.7 kg/min；
• 换成体积流量，按 ρ = 1019~1031 kg/m³（90 ℃）：V̇ = 9.70~9.81 m³/h。

⚠ 三句必须同时说出来：这组输入不对应任何平台；⛔ 禁止照抄取用；读者必须代入本平台自己的 Q_cool 与 ΔT_水 重算一遍。这个算例存在的意义只有一个——让你确认自己会走这一步、并且知道每个量的单位与温度口径。

易错点。

1. 把 ΔT_水 当成"散热器的进出水温差"直接抄别人的。它是本平台自己要选的设计量，抄来的那个数背后是别人的缸盖热点分布、别人的泵、别人的冷却液。
2. 忘了 c_p 用的是冷却液不是水。用纯水的 4.205 代进去，同样的 Q_cool 与 ΔT_水 会把流量算小约一成半——而流量算小的方向是非保守的：泵会选小、实际温差比设计值大、缸盖出口更热。
3. 用体积流量代替质量流量却不带密度与温度口径。ρ 随温度变（本讲给的 1019~1031 是 90 ℃ 的值），冷态与热态换算出来的体积流量不是一个数；换算时必须写明取的是哪个温度下的 ρ。

1.6 选型工况不在额定点：最窄的一格落在"热没降、风塌了"的地方

是什么。散热能力由两件事共同决定：要散的热有多少，以及可用的迎面风量有多少。这两者在车速轴上走向相反，于是"最窄的那一格"既不在怠速的最左端、也不在最高车速的最右端，而是出现在中低车速端——具体就是低速大负荷爬坡拖挂与长怠速（尤其开空调时）这两格。

为什么。高车速时热负荷确实高，但冲压风也最充足，散热能力跟着上去了；低速爬坡时驱动侧仍接近峰值输出、废热几乎不减，而冲压风几乎归零，空气全靠风扇抽——一边热量没降、一边风量塌了，两头一起挤，窗口的上沿就在这一格最先被顶破。长怠速开空调是同一个机理的另一种版本：车不动没有冲压风，而冷凝器与散热器还要抢同一股风。

怎么挑那一格：先把工况的全集画出来，再逐格核。⚠ 下面这个"三个轴"的划法是本讲为选型工况归纳的枚举纪律，⛔ 不是既有的现成条目：

• 轴 A · 运行态：① 冷起动/暖机 ② 常用部分负荷 ③ 额定/最高车速 ④ 低速大负荷爬坡拖挂 ⑤a 长怠速（含开空调，稳态） ⑤b 高负荷后转怠速（蓄热瞬态） ⑥ 下坡断油 ⑦ 混动/增程的频繁起停与定点发电。⚠ ⑤ 之所以拆成两格：⑤a 是已经稳下来的怠速（蓄热早已饱和，判据就是稳态散热能力够不够），而拉完长坡停车怠速的头几分钟是另一件事——泵还在转（⛔ 不是 B⑧ 的 key-off 热浸），可缸体与机油的蓄热远未饱和、还在往冷却液里放，同时冲压风已经归零。⛔ 两格的判据不同，合成一格必然漏掉后者（判据见第 5 讲 5.2）。
• 轴 B · 停机态：⑧ key-off 之后的热浸（车速为零、转速为零，泵与风扇还转不转取决于有没有 after-run）。
• 轴 C · 环境与状态修正：⑨ 高环温 ⑩ 高原（当地大气压下降） ⑪ 在役衰减态（风侧脏堵、冷却液劣化、结垢、缺液）。

⛔ 只沿轴 A 的车速去枚举，必然漏掉轴 B 一整类——而停机热浸的机理与运行工况恰好相反：热源没了、输运也没了，靠的是蓄热回渗。照运行态的规程去处置它只会做无用功。这一整类的机理与对策在第 5 讲展开，本讲只要求你在挑选型工况时先承认它存在、并且不与稳态工况共用同一套坐标。轴 C 的三项都不是"新增一格"，而是把整条散热能力包线整体往坏里推的修正，逐格的校核表同样在第 5 讲交。

工程量级。⛔ 各工况的热负荷、可用风量、风扇功率与散热器规格全是平台相关量，本课不给数——一律写"须由本平台的散热量—工况 map、台架热平衡试验与整车热平衡对标确定"。本讲交付的只有"怎么挑那一格"的方法和图4 这张落点图，图上两条轴都是相对量、不标刻度。

易错点。

1. 只按额定功率或最高车速选散热器。这是本课误区节点名的一条：额定点上热负荷虽高，冲压风也最足，它不是最窄的那一格；照它选出来的散热器，到爬坡拖挂那一格就不够了。
2. 只沿车速轴枚举，把停机热浸整类漏掉。漏掉的那一类是整类不出现的——你的工况表看起来是完整的，因为表上每一行都在车速轴上。自检两问：我沿什么线索在数？有没有不在这条线索上、但同属"工况"这个集合的？
3. 把这条判断当成本课独有的结论。它与 G2-04 散热器（水箱）设计与选型（散热器本体选型）、G7-01 前端冷却模块（FEM/Cooling Module）总体设计（前端模块）给出的结论一致，本讲的增量只有一条：把停机段一并放进同一张图，并声明它不与稳态工况共用坐标。

本讲小结：上沿这一侧的功课分两步走完——先把燃料热能的第三份估出来（φ_cool 沿负荷、转速、燃烧相位三个方向都在降，但 Q_cool 仍随负荷上升，⛔ 分数下降推不出负担减轻；IEM 机型的基数须单独取值），再由 Q_cool = ṁ·c_p·ΔT_水 反推流量（ΔT_水 是设计者选的权衡：取小则泵功按三次方涨，取大则缸盖出口更热、直接吃上沿；c_p 用冷却液不用水）。最后，这两步要对着正确的那一格做——最恶劣工况在低速大负荷爬坡拖挂与长怠速，不在额定点，而且工况的全集有三个轴，只沿车速轴数必然漏掉停机热浸整类。本讲交出的每一个绝对量都是平台相关量：写"须由本平台实测标定"，就是这门课要的答案。