某车用汽油机冷却系统开发与应用

工作在适合的温度范围内，发挥出最佳动力性能。但汽车发动机的工况多变，冷却系统的设计有一定的难度。基于此，本文针对某车用汽油发动机系统开发设计了一款强制式水循环冷却系统，对其散热器、水泵、风扇等关键部件进行了详细的分析和设计，并针对发动机在冬季或小负荷条件下的保温要求，进行了冷却强度控制的优化设计。应用结果表明该系统性能稳定、适应性强，具有较好的应用推广价值。

关键词：汽车发动机;冷却系统;系统开发

1冷却方式选择

按照冷却介质的不同，汽油机冷却系统的冷却方式可以分为风冷式和水冷式两种。其中水冷式以冷却液为冷却介质，发动机的热量先传递给冷却液，再由冷却液循环流动将热量带走，由于水冷式系统可以对水路和冷却强度进行调节，保证发动机始终处于适合的工作温度范围内。因而本文采用强制循环式水冷却系统。

2总体结构设计

本文设计的发动机冷却系统主要由风扇、水泵、散热器、节温器、温度传感器、中央控制芯片等部分组成，其结构如图1所示。

冷却液由加水口注入，发动机启动后，水泵同时开始工作，水泵将冷却液进行加压，使其在水套中不断循环流动，当冷却液流过发动机的气缸壁时，将热量吸收，水温相应升高，高温冷却液流过气缸盖水套后，继续进入散热器。在风扇的高速转动下，产生强大的吸引力将空气吸入，空气不断吹向散热器，将水的热量带到空气中，散热器中的水温相应下降。低温冷却液在水泵的作用下又由下水室重新进入水套，继续带走发动机气缸壁的热量，如此不断循环，源源不断地带走发动机的热量，达到冷却的目的。

3关键部件结构设计

3.1散热器设计

散热器的作用是把水套流出的高温冷却液分成多个小股，增加其表面积，从而将热量迅速传递给附近的空气。散热器由上水室、下水室、散热片、直管等部分构成，上水室一方面接收由发动机气缸盖流出的高温冷却液，另一方面也通过加水管接收外部注入的新鲜低温冷却液。上水室与下水室之间有直管和散热片，考虑到散热要求，本文采用了管带式散热片，以进一步增加其与空气的接触面积。高温冷却液经散热片后温度下降，进入下水室，然后在水泵的作用下由出水管重新进入管套。

3.2水泵设计

水泵可以对水进行加压，驱动冷却液在系统内不断循环流动。综合考虑了成本、性能、体积等因素后，本文采用了目前应用最为广泛的离心式水泵。水泵在叶轮的高速转动下，通过压水-吸水两个过程的不断循环，持续为冷却液的流动提供动力。冷却液可以源源不断地带走发动机的热量，水泵起到了关键的作用，它可以加速冷却液的流动，提高冷却效率。

3.3风扇设计

风扇是冷却循环系统的一个重要环节，它使空气高速流动，迅速带走散热片上的热量。因此，风扇的性能对于整个冷却系统的冷却效果也有着十分重要的影响。本文设计的风扇采用轴流式风扇，安装于发动机和散热器的中间位置，与水泵共用一条轴，以简化硬件结构，提高系统的动态稳定性。风扇叶片共4片，材料为铝合金，叶片间的夹角相互不同，以减轻噪声等级。风扇设置高速挡和低速挡，当冷却液未达到上限值时，以低带挡运行，当冷却液达到上限值后，自动开启高速挡。

4冷却系统的优化设计

4.1优化目标

冷却系统的冷却速度并非越快越好，它应根据发动机的工况进行调节。强制式循环水冷却系统的冷却强度与众多因素有关，例如车速、发动机转速、水泵转速、外部温度等等。发动机工作在低速大负荷的条件下，要求冷却系统具有足够大的冷却强度，以避免发动机过热;相反，当发动机工作在低负荷条件下，则要求冷却系统的冷却强度相应减小，以避免发动机过冷。显然，冷却系统必须具有一个可以自动调节冷却强度的机制，以适应不同的发动机运行工况。

4.2优化方案

由冷却系统的工作原理不难发现，调节冷却强度可以通过两个途径来完成：一是调整流过散热片的空气流量和流速，也就是调整风速的转速;二是调整冷却液在水套内的流量和流速，也就是调整水泵的转速，或者改变循环路径。为达到更好的控制效果，本文综合运用了这两种方案。

4.2.1百叶窗设计

在冷却水温度低于正常值时，调节散热片上的空气流量，从而对冷却强度进行调整。例如在严冬时期，水温通常很低，在节温器的控制下，水流速减缓甚至停止，此时散热器中的水很容易结冰。本文通过在散热片外部加装百叶窗，并在冬季时由驾驶员手动将窗叶关闭，可以使有效控制水温的下降。

4.2.2风扇离合器设计

风扇的调整运转一方面会严重消耗发动机的功率，另一方面还会产生噪声和磨损，更重要的是，高速流动的空气有可能使水温过低，造成结冰。由于风扇与水泵同轴同速，为了单独控制风扇转速，本文设计了风扇离合器，实现了对风扇转速的人为控制。当发动机冷起动或负荷很小时，通过进油孔阀片动作使离合器分离，主动的转速只有少量通过摩擦传递到风扇上，使风扇转速下降;当发动机大负荷工作时，如果水温超过设定温度，感温装置受热变形使阀片开启，硅油注入使离合吕闭合，主轴的转速通过硅油完全传递到风扇上，带动风扇高速旋转。

5结论

本文针对某车用汽油发动机系统开发设计了一款强制式水循环冷却系统，对其散热器、水泵、风扇等关键部件进行了详细的分析和设计，并针对发动机在冬季或小负荷条件下的保温要求，进行了冷却强度控制的优化设计。该冷却系统与发动机总成后安装在某型SUV汽車上进行了为期三个月的试运行，结果表明，本文设计的强制式水循环冷却系统结构简洁、性能稳定、适应性强，满足量产的要求，具有较好的应用推广价值。

参考文献：

[1]李鹏飞.汽车发动机冷却系统的设计[J].科研.2016，（4）：148.

[2]姜成春.汽车发动机冷却系统设计及稳定性分析与研究[J].科技与企业.2014，（22）：144.

推荐访问:汽油机 车用 冷却 开发 系统