某款汽油發動機冷卻系統的優化設計

滕建耐，張增光，王次安

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥　230601）

某款汽油發動機冷卻系統的優化設計

滕建耐，張增光，王次安

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥230601）

某款2.0L增壓汽油發動機在搭載某款整車進行熱平衡試驗時無法達標，水溫達到平衡時發動機出水溫度高于設計指標，導致空調無法開啟。經過分析與討論，發動機冷卻系統流量分布不合理以及整車散熱器散熱能力不足是主要原因，經過兩輪次的優化設計，最終通過整車熱平衡試驗。

發動機冷卻系統；整車熱平衡試驗；優化設計

隨著發動機升功率及燃燒溫度不斷提高，冷卻系統對發動機性能及可靠性越來越重要。一款發動機好的冷卻系統匹配能夠在提高輸出功率的同時降低油耗及改善排放性能。冷卻系統既要保證發動機本體部件的冷卻，也要保證整個汽車冷卻系統的熱平衡。

發動機冷卻系統的功用是使發動機在所有工況下都保持在適當的溫度范圍內。發動機冷卻系統既要防止發動機過熱，也要防止發動機過冷，如果冷卻能力不足，則會造成內燃機過熱，充氣效率下降，早燃和爆震傾向增大，致使發動機功率下降；潤滑油粘度減小、油膜易破裂，零件摩擦磨損加劇?？偠灾?，發動機冷卻能力不足會引起動力性、經濟性、可靠性、耐久性全面惡化。而發動機冷卻能力過度，會造成油氣混合不良、可燃混合氣點燃困難或燃燒延遲，致使發動機功率下降、油耗上升、排放氣體非甲烷碳氫過多等。

1　冷卻系統現狀分析

某款2.0L增壓汽油發動機搭載整車時的冷卻系統原理圖如圖1所示，其中整車暖風散熱器和DCT變速箱機油冷卻器水路為并聯關系。

雖然在設計之初經過計算分析及發動機冷卻系統臺架性能開發，但其搭載整車后，在進行整車熱平衡試驗時，發動機冷卻液溫度達到平衡時發動機出水溫度高于設計指標（110℃），在整車熱平衡試驗的3種工況均因為發動機水溫過高，而設計時為了保護發動機過熱，當發動機冷卻液水溫高于設計指標時關閉空調，如表1所示。

圖1　冷卻系統原理圖

表1　整車熱平衡工況

表2　整車熱平衡水溫

發動機搭載整車熱平衡試驗結果如表2所示，由于發動機平衡水溫高于設計指標，整車空調無法開啟。

2　原因分析

冷卻液溫度過高，一般是由于冷卻系統冷卻能力不足、冷卻液流量分布不合理造成。進行原因分析時也主要從這兩個方面進行排查。根據以上冷卻系統原理圖進行冷卻系統仿真分析模型搭載以及計算，結果如圖2、表3所示。

圖2　仿真分析模型搭載及流量分布

表3　冷卻液流量分布

由以上結果可以看出，造成整車熱平衡試驗使發動機出水溫度水溫過高的原因有：

（1）發動機冷卻系統的整車暖風器與DCT變速器冷卻器為常通流路且為并聯關系，在高溫地區由于整車暖風鼓風機不工作，冷卻液流經整車暖風散熱器前后溫差基本無差別，無法達到冷卻液降溫的目的。

（2）發動機冷卻液流經整車散熱器流量偏小是造成熱平衡冷卻液溫度過高的主要原因。

（3）另外整車散熱器散熱能力也是影響因素之一。

3　優化方案

3.1第一輪優化方案

為了解決熱平衡冷卻液溫度過高問題，結合以上故障分析原因，對發動機冷卻系統進行優化設計。

（1）DCT機油冷卻器水路與整車暖風水路由并聯方式改為串聯方式，發動機冷卻系統原理圖如圖3所示。

圖3　冷卻系統原理圖

（2）增大整車散熱器，散熱器散熱能力由54kW增大到60kW。

針對第一條優化設計方案對發動機冷卻系統進行流量分布仿真分析，模型搭載及計算結果如圖4、表4所示。

圖4　仿真分析模型搭載及流量分布

表4　冷卻液流量分布

對優化冷卻系統進行整車熱平衡試驗結果如表5所示，結果有了較明顯的改善，空調處于切斷和開啟狀態中間來回切換，即開空調時發動機平衡水溫達到112℃導致空調切斷，但空調切斷后5s內發動機水溫下降到108℃，空調重新啟動，空調重新啟動后30s左右水溫高于110℃重新切斷。

3.2第二輪優化方案

從整車熱平衡試驗結果來看，第一輪設計優化方案有了比較明顯的改善，因此在第一輪優化方案的基礎上繼續改善。

（1）變更DCT機油冷卻器與暖風散熱器水路管徑。原串聯方案發動機暖風出水管內徑為φ18mm、DCT機油冷卻器支路管內經為φ17mm、整車暖風散熱器支路管內徑為φ15mm，變更為串聯后總管徑內徑為φ6mm，如圖5、圖6所示。

圖5　整車暖風散熱器、DCT變速箱機油冷卻器并聯關系管徑分布

圖6　整車暖風散熱器、DCT變速箱機油冷卻器串聯關系管徑分布

（2）增大整車散熱風扇，散熱風扇風量由2800m3/h增大到3150m3/h。

針對第一條優化設計方案對發動機冷卻系統進行流量分布仿真分析，模型搭載及計算結果如圖7、表6所示。

圖7　仿真分析模型搭載及流量分布

表6　冷卻液流量分布

對優化冷卻系統進行整車熱平衡試驗結果如表7所示，結果有了非常明顯的改善，整車熱平衡試驗時各種工況平衡水溫均低于設計指標最高水溫110℃，空調始終可以處于開啟狀態。

表7　整車熱平衡水溫

4　結語

通過仿真分析和實車試驗驗證，得出以下結論：

（1）整車暖風散熱器和DCT變速箱機油冷卻器為串聯時，發動機冷卻系統大循環流經整車散熱器冷卻液流量比并聯時更大，有利于降低整車熱平衡發動機冷卻液溫度。

（2）整車暖風管徑的節流，能較大提升大循環時流經整車散熱器的冷卻液流量，有利于降低整車熱平衡發動機冷卻液溫度。

（3）整車散熱器散熱能力以及散熱風扇同樣是影響整車熱平衡時發動機冷卻溫度的重要因素。

［1］陳家瑞.汽車構造（上冊）第五版［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］潘云，楊鴻.某汽油發動機冷卻系統故障研究［J］.裝備制造技術，

Optim ization Design of the Cooling System of One Gasoline Engine

TENG Jian-nai，ZHANG Zeng-guang，WANG Ci-an

（Anhui Jianghuai Automobile Joint-stock Co.Ltd，Hefei，Anhui 230601，China）

One 2.0L turbo engine cannot meet the standards during the thermal balance test.When the water temperature becomes stable，it is higher than the designed standard，which causes the air conditioner cannot be opened.After analysis and discussion，unreasonable flow distribution and insufficient vehicle radiator performance are the main causes.Optimization is carried out and the vehicle thermal test has passed.

engine cooling system；vehicle thermal balance test；optimization design

TK414.2

A

2095-980X（2016）09-0036-02

2016-08-04

滕建耐（1984-），男，大學本科，助理工程師，主要研究方向：汽油發動機設計及試驗開發。