發動機冷卻系統的研究與優化設計

王文濤 滿文林

長城汽車股份有限公司徐水哈弗分公司動力事業部

發動機冷卻系統的研究與優化設計

王文濤 滿文林

長城汽車股份有限公司徐水哈弗分公司動力事業部

冷卻系統不僅對發動機的可靠性會產生重大影響，而且也是影響發動機動力性和經濟性的重要因素，其功用就是保證發動機在任何負荷條件下和工作環境下均能在最適合的溫度狀態下正常和可靠地工作。通過對冷卻系統散熱量和內部結構的計算，采用有限元分析手段對冷卻系統散熱器結構進行流體分析，優化結構設計，提高動力系統性能。本文就發動機冷卻系統開展研究。

發動機冷卻系統；設計；要點

冷卻系統是發動機的重要組成部分，對發動機的動力性、經濟性和可靠性有很大影響。隨著發動機轉速和功率的不斷提高，對冷卻系統的要求越來越高，因而對發動機冷卻系統的設計與研究也愈來愈深入。散熱系統設計，主要考慮要點如：散熱量、冷卻形式、冷卻流量、散熱面積等要素，下面文章將會就這些方面進行簡要闡述和分析，僅供參考。

1 發動機冷卻系統的作用

發動機工作時，由于氣缸內混合氣燃燒而釋放出大量的熱量，其中約三分之一的熱量通過與高溫燃氣接觸的零件傳給冷卻系統。按照熱平衡的熱量分配，必須將散入冷卻系統的熱量，應當由冷卻介質散走。汽油機可達2500/2000，除機械負荷產生應力外，熱負荷也會在零件內引起熱應力，因而活塞、氣門、氣缸壁、氣缸蓋等與高溫燃氣接觸的零部件要承受很大的機械負荷和熱負荷。零部件由于強烈受熱而溫度升高，若不及時散熱，則會造成發動機過熱。

過度地冷卻會造成不良的后果。過度冷卻使得大量的熱量被冷卻介質帶走，造成發動機的輸出功率減小和油耗增加：過冷還會使汽油機混合氣形成不好， CO和HC排放增加：潤滑油由于溫度低而粘度變大，使運動件間的磨損加劇，尤其是氣缸的磨損會成倍增加，因此對發動機的冷卻要適度。

2 冷卻系統的優化設計

2.1 散熱器結構設計

提高散熱器的散熱能力，是冷卻系統設計的重要環節。

1)增大散熱器芯部正面積。在安裝空間允許的前提下，采用大的芯部面積，對冷卻系有利，這樣可以縮減芯部厚度，從而提高散熱效率和降低風扇消耗功率和風扇噪聲。最合理的布置是希望高度和寬度相等，呈正方形結構，并使風扇中心與散熱器中心重合，使風扇未掃過的四角死區最小，氣流能均勻通過芯部。但是一般情況下，由于受到安裝空間的嚴格限制，尤其是在高度方向上，因此往往是寬度大于高度，呈長方形結構。

2)增大散熱器總面積散熱器的總散熱面積。它是所有冷卻管和散熱帶片暴露在空氣中的表面積之和。散熱器芯部正面積確定以后，調整散熱器的結構和厚度，包括改變冷卻管排數和管數以及散熱帶片尺寸、間距和數量，可以改變散熱器的總散熱面積，從而增加冷卻能力。但如果散熱器過厚，由于風阻增加，轉速等措施造成風量不足，結果不得不加強風扇的能力，如采用提高風扇使風扇消耗功率增加，因此散熱器芯部厚度過大得其反，而且材料消耗增加，利用率減小。此外由于散熱帶過密有時會適，芯部容易被塵土堵塞，使散熱性能惡化。所以在芯部正面積不變的情況下，依靠增加總散熱面積來提高散熱能力是有一定限度的。

3)散熱器芯部的結構。散熱器芯部結構對散熱效率的影響是顯而易見的。散熱器的結構特征，如冷卻管的排列、散熱帶片的間距、散熱帶片的形貌等都會對散熱效果產生不同影響。當冷卻水管排數增加時，由于空氣擾流增加，有利于散熱，但排數太多時空氣阻力增加，散熱效果的改善不明顯。在散熱帶片上沖出凹凸不平的波紋或沖翻出很多小窗口，使空氣通過散熱帶片表面時加強擾流和擴大接觸，改善了二次散熱表面的散熱條件，可提高散熱能力。

2.2 合理設計護風罩以及風扇伸入護風罩的位置

護風罩，又稱為導風罩，可以用來提高風扇的風壓和風量，引導氣流均勻流過散熱器芯部，以充分利用散熱器的冷卻面積，避免氣流的回流或渦流現象的出現，從而提高發動機的冷卻強度。特別是對于發動機散熱器和冷卻風扇受到安裝空間的制約，總體布置達不到理想狀態的條件下，護風罩的作用則更為重要。設計護風罩應盡量減小風扇與護風罩之間的徑向間隙。風扇工作時，由于離心力的作用，部分氣流會徑向流動，形成渦流；同時，由于風扇前后存在壓差，空氣在風扇葉端處會產生回流，使風扇的風量減少。理論上，在不發生接觸的前提下，葉端的徑向間隙越小越好。但由于風扇與護風罩不是裝在同一剛體上而是分別裝在支架上，因車架變形或發動機工作中產生顛震相互之間存在著運動，風扇葉片可能會因碰撞而損壞，為保護風扇葉片，間隙不能過小。設計經驗表明，徑向間隙控制在風扇直徑2.5%以內是較為理想的。在風扇結構尺寸的優化設計中，該間隙取lOmm。

2.3 可控式發動機冷卻系統的應用

傳統的發動機冷卻系統屬于被動式的，結構簡單或成本低。可控式冷卻系統可彌補目前冷卻系統不足。現在冷卻系統的設計標準是解決滿負荷時的散熱問題，因而部分負荷時過大的散熱潛力導致發動機功率浪費。這對輕型車輛來說尤為明顯，這些車輛大多數時間都在市區，部分負荷下行駛，只利用部分發動機功率，引起冷卻系統較高損耗。為解決發動機在特殊情況下過熱的問題，現在的冷卻系統體積大，導致冷卻效率降低，增大冷卻系統功率需求，延長發動機暖機時間。可控式發動機冷卻系統一般包括傳感器、執行器和電控模塊。可控式冷卻系統能夠根據發動機工作狀況調整冷卻量，降低發動機功率損耗。在可控式冷卻系統中，執行器為冷卻水泵和節溫器，一般由電動水泵和液流控制閥組成，根據要求調整冷卻量。溫度傳感器為系統的一部分，可迅速把發動機的熱狀態傳給控制器。

綜上所述，優化散熱器內部結構，降低生產成本，改善發動機冷卻系統散熱性能，提高車輛工作可靠性和穩定性。同時，仿真分析和試驗結果驗證了散熱器設計的合理性，為后續發動機冷卻系統的設計和優化提供參考。

[1] 黃暉. 發動機冷卻系統的研究與優化設計[D]. 山東大學，2005.

[2] 顧寧，裴梅香，陶鴻瑩，吳小飛. 發動機冷卻系統節能優化設計[J].交通節能與環保，2013，02：45-50.