某車用汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

單文強(qiáng)　羅吉

摘 要：冷卻系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵組成部分，它可以保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在適合的溫度范圍內(nèi)，發(fā)揮出最佳動(dòng)力性能。但汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的工況多變，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的難度。基于此，本文針對(duì)某車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)了一款強(qiáng)制式水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，對(duì)其散熱器、水泵、風(fēng)扇等關(guān)鍵部件進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)，并針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在冬季或小負(fù)荷條件下的保溫要求，進(jìn)行了冷卻強(qiáng)度控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī);冷卻系統(tǒng);系統(tǒng)開發(fā)

1冷卻方式選擇

按照冷卻介質(zhì)的不同，汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻方式可以分為風(fēng)冷式和水冷式兩種。其中水冷式以冷卻液為冷卻介質(zhì)，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量先傳遞給冷卻液，再由冷卻液循環(huán)流動(dòng)將熱量帶走，由于水冷式系統(tǒng)可以對(duì)水路和冷卻強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于適合的工作溫度范圍內(nèi)。因而本文采用強(qiáng)制循環(huán)式水冷卻系統(tǒng)。

2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由風(fēng)扇、水泵、散熱器、節(jié)溫器、溫度傳感器、中央控制芯片等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

冷卻液由加水口注入，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，水泵同時(shí)開始工作，水泵將冷卻液進(jìn)行加壓，使其在水套中不斷循環(huán)流動(dòng)，當(dāng)冷卻液流過發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸壁時(shí)，將熱量吸收，水溫相應(yīng)升高，高溫冷卻液流過氣缸蓋水套后，繼續(xù)進(jìn)入散熱器。在風(fēng)扇的高速轉(zhuǎn)動(dòng)下，產(chǎn)生強(qiáng)大的吸引力將空氣吸入，空氣不斷吹向散熱器，將水的熱量帶到空氣中，散熱器中的水溫相應(yīng)下降。低溫冷卻液在水泵的作用下又由下水室重新進(jìn)入水套，繼續(xù)帶走發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壁的熱量，如此不斷循環(huán)，源源不斷地帶走發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量，達(dá)到冷卻的目的。

3關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1散熱器設(shè)計(jì)

散熱器的作用是把水套流出的高溫冷卻液分成多個(gè)小股，增加其表面積，從而將熱量迅速傳遞給附近的空氣。散熱器由上水室、下水室、散熱片、直管等部分構(gòu)成，上水室一方面接收由發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋流出的高溫冷卻液，另一方面也通過加水管接收外部注入的新鮮低溫冷卻液。上水室與下水室之間有直管和散熱片，考慮到散熱要求，本文采用了管帶式散熱片，以進(jìn)一步增加其與空氣的接觸面積。高溫冷卻液經(jīng)散熱片后溫度下降，進(jìn)入下水室，然后在水泵的作用下由出水管重新進(jìn)入管套。

3.2水泵設(shè)計(jì)

水泵可以對(duì)水進(jìn)行加壓，驅(qū)動(dòng)冷卻液在系統(tǒng)內(nèi)不斷循環(huán)流動(dòng)。綜合考慮了成本、性能、體積等因素后，本文采用了目前應(yīng)用最為廣泛的離心式水泵。水泵在葉輪的高速轉(zhuǎn)動(dòng)下，通過壓水-吸水兩個(gè)過程的不斷循環(huán)，持續(xù)為冷卻液的流動(dòng)提供動(dòng)力。冷卻液可以源源不斷地帶走發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量，水泵起到了關(guān)鍵的作用，它可以加速冷卻液的流動(dòng)，提高冷卻效率。

3.3風(fēng)扇設(shè)計(jì)

風(fēng)扇是冷卻循環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它使空氣高速流動(dòng)，迅速帶走散熱片上的熱量。因此，風(fēng)扇的性能對(duì)于整個(gè)冷卻系統(tǒng)的冷卻效果也有著十分重要的影響。本文設(shè)計(jì)的風(fēng)扇采用軸流式風(fēng)扇，安裝于發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器的中間位置，與水泵共用一條軸，以簡化硬件結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。風(fēng)扇葉片共4片，材料為鋁合金，葉片間的夾角相互不同，以減輕噪聲等級(jí)。風(fēng)扇設(shè)置高速擋和低速擋，當(dāng)冷卻液未達(dá)到上限值時(shí)，以低帶擋運(yùn)行，當(dāng)冷卻液達(dá)到上限值后，自動(dòng)開啟高速擋。

4冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1優(yōu)化目標(biāo)

冷卻系統(tǒng)的冷卻速度并非越快越好，它應(yīng)根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工況進(jìn)行調(diào)節(jié)。強(qiáng)制式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)的冷卻強(qiáng)度與眾多因素有關(guān)，例如車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水泵轉(zhuǎn)速、外部溫度等等。發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低速大負(fù)荷的條件下，要求冷卻系統(tǒng)具有足夠大的冷卻強(qiáng)度，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)過熱;相反，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作在低負(fù)荷條件下，則要求冷卻系統(tǒng)的冷卻強(qiáng)度相應(yīng)減小，以避免發(fā)動(dòng)機(jī)過冷。顯然，冷卻系統(tǒng)必須具有一個(gè)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度的機(jī)制，以適應(yīng)不同的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況。

4.2優(yōu)化方案

由冷卻系統(tǒng)的工作原理不難發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度可以通過兩個(gè)途徑來完成：一是調(diào)整流過散熱片的空氣流量和流速，也就是調(diào)整風(fēng)速的轉(zhuǎn)速;二是調(diào)整冷卻液在水套內(nèi)的流量和流速，也就是調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速，或者改變循環(huán)路徑。為達(dá)到更好的控制效果，本文綜合運(yùn)用了這兩種方案。

4.2.1百葉窗設(shè)計(jì)

在冷卻水溫度低于正常值時(shí)，調(diào)節(jié)散熱片上的空氣流量，從而對(duì)冷卻強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。例如在嚴(yán)冬時(shí)期，水溫通常很低，在節(jié)溫器的控制下，水流速減緩甚至停止，此時(shí)散熱器中的水很容易結(jié)冰。本文通過在散熱片外部加裝百葉窗，并在冬季時(shí)由駕駛員手動(dòng)將窗葉關(guān)閉，可以使有效控制水溫的下降。

4.2.2風(fēng)扇離合器設(shè)計(jì)

風(fēng)扇的調(diào)整運(yùn)轉(zhuǎn)一方面會(huì)嚴(yán)重消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的功率，另一方面還會(huì)產(chǎn)生噪聲和磨損，更重要的是，高速流動(dòng)的空氣有可能使水溫過低，造成結(jié)冰。由于風(fēng)扇與水泵同軸同速，為了單獨(dú)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，本文設(shè)計(jì)了風(fēng)扇離合器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的人為控制。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)或負(fù)荷很小時(shí)，通過進(jìn)油孔閥片動(dòng)作使離合器分離，主動(dòng)的轉(zhuǎn)速只有少量通過摩擦傳遞到風(fēng)扇上，使風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下降;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)大負(fù)荷工作時(shí)，如果水溫超過設(shè)定溫度，感溫裝置受熱變形使閥片開啟，硅油注入使離合呂閉合，主軸的轉(zhuǎn)速通過硅油完全傳遞到風(fēng)扇上，帶動(dòng)風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)。

5結(jié)論

本文針對(duì)某車用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)了一款強(qiáng)制式水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，對(duì)其散熱器、水泵、風(fēng)扇等關(guān)鍵部件進(jìn)行了詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)，并針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)在冬季或小負(fù)荷條件下的保溫要求，進(jìn)行了冷卻強(qiáng)度控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該冷卻系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)總成后安裝在某型SUV汽車上進(jìn)行了為期三個(gè)月的試運(yùn)行，結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的強(qiáng)制式水循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔、性能穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)，滿足量產(chǎn)的要求，具有較好的應(yīng)用推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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