某車用汽油機冷卻系統開發與應用

單文強　羅吉

摘 要：冷卻系統是發動機的關鍵組成部分，它可以保證發動機始終工作在適合的溫度范圍內，發揮出最佳動力性能。但汽車發動機的工況多變，冷卻系統的設計有一定的難度。基于此，本文針對某車用汽油發動機系統開發設計了一款強制式水循環冷卻系統，對其散熱器、水泵、風扇等關鍵部件進行了詳細的分析和設計，并針對發動機在冬季或小負荷條件下的保溫要求，進行了冷卻強度控制的優化設計。應用結果表明該系統性能穩定、適應性強，具有較好的應用推廣價值。

關鍵詞：汽車發動機;冷卻系統;系統開發

1冷卻方式選擇

按照冷卻介質的不同，汽油機冷卻系統的冷卻方式可以分為風冷式和水冷式兩種。其中水冷式以冷卻液為冷卻介質，發動機的熱量先傳遞給冷卻液，再由冷卻液循環流動將熱量帶走，由于水冷式系統可以對水路和冷卻強度進行調節，保證發動機始終處于適合的工作溫度范圍內。因而本文采用強制循環式水冷卻系統。

2總體結構設計

本文設計的發動機冷卻系統主要由風扇、水泵、散熱器、節溫器、溫度傳感器、中央控制芯片等部分組成，其結構如圖1所示。

冷卻液由加水口注入，發動機啟動后，水泵同時開始工作，水泵將冷卻液進行加壓，使其在水套中不斷循環流動，當冷卻液流過發動機的氣缸壁時，將熱量吸收，水溫相應升高，高溫冷卻液流過氣缸蓋水套后，繼續進入散熱器。在風扇的高速轉動下，產生強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下降。低溫冷卻液在水泵的作用下又由下水室重新進入水套，繼續帶走發動機氣缸壁的熱量，如此不斷循環，源源不斷地帶走發動機的熱量，達到冷卻的目的。

3關鍵部件結構設計

3.1散熱器設計

散熱器的作用是把水套流出的高溫冷卻液分成多個小股，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、直管等部分構成，上水室一方面接收由發動機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，以進一步增加其與空氣的接觸面積。高溫冷卻液經散熱片后溫度下降，進入下水室，然后在水泵的作用下由出水管重新進入管套。

3.2水泵設計

水泵可以對水進行加壓，驅動冷卻液在系統內不斷循環流動。綜合考慮了成本、性能、體積等因素后，本文采用了目前應用最為廣泛的離心式水泵。水泵在葉輪的高速轉動下，通過壓水-吸水兩個過程的不斷循環，持續為冷卻液的流動提供動力。冷卻液可以源源不斷地帶走發動機的熱量，水泵起到了關鍵的作用，它可以加速冷卻液的流動，提高冷卻效率。

3.3風扇設計

風扇是冷卻循環系統的一個重要環節，它使空氣高速流動，迅速帶走散熱片上的熱量。因此，風扇的性能對于整個冷卻系統的冷卻效果也有著十分重要的影響。本文設計的風扇采用軸流式風扇，安裝于發動機和散熱器的中間位置，與水泵共用一條軸，以簡化硬件結構，提高系統的動態穩定性。風扇葉片共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。風扇設置高速擋和低速擋，當冷卻液未達到上限值時，以低帶擋運行，當冷卻液達到上限值后，自動開啟高速擋。

4冷卻系統的優化設計

4.1優化目標

冷卻系統的冷卻速度并非越快越好，它應根據發動機的工況進行調節。強制式循環水冷卻系統的冷卻強度與眾多因素有關，例如車速、發動機轉速、水泵轉速、外部溫度等等。發動機工作在低速大負荷的條件下，要求冷卻系統具有足夠大的冷卻強度，以避免發動機過熱;相反，當發動機工作在低負荷條件下，則要求冷卻系統的冷卻強度相應減小，以避免發動機過冷。顯然，冷卻系統必須具有一個可以自動調節冷卻強度的機制，以適應不同的發動機運行工況。

4.2優化方案

由冷卻系統的工作原理不難發現，調節冷卻強度可以通過兩個途徑來完成：一是調整流過散熱片的空氣流量和流速，也就是調整風速的轉速;二是調整冷卻液在水套內的流量和流速，也就是調整水泵的轉速，或者改變循環路徑。為達到更好的控制效果，本文綜合運用了這兩種方案。

4.2.1百葉窗設計

在冷卻水溫度低于正常值時，調節散熱片上的空氣流量，從而對冷卻強度進行調整。例如在嚴冬時期，水溫通常很低，在節溫器的控制下，水流速減緩甚至停止，此時散熱器中的水很容易結冰。本文通過在散熱片外部加裝百葉窗，并在冬季時由駕駛員手動將窗葉關閉，可以使有效控制水溫的下降。

4.2.2風扇離合器設計

風扇的調整運轉一方面會嚴重消耗發動機的功率，另一方面還會產生噪聲和磨損，更重要的是，高速流動的空氣有可能使水溫過低，造成結冰。由于風扇與水泵同軸同速，為了單獨控制風扇轉速，本文設計了風扇離合器，實現了對風扇轉速的人為控制。當發動機冷起動或負荷很小時，通過進油孔閥片動作使離合器分離，主動的轉速只有少量通過摩擦傳遞到風扇上，使風扇轉速下降;當發動機大負荷工作時，如果水溫超過設定溫度，感溫裝置受熱變形使閥片開啟，硅油注入使離合呂閉合，主軸的轉速通過硅油完全傳遞到風扇上，帶動風扇高速旋轉。

5結論

本文針對某車用汽油發動機系統開發設計了一款強制式水循環冷卻系統，對其散熱器、水泵、風扇等關鍵部件進行了詳細的分析和設計，并針對發動機在冬季或小負荷條件下的保溫要求，進行了冷卻強度控制的優化設計。該冷卻系統與發動機總成后安裝在某型SUV汽車上進行了為期三個月的試運行，結果表明，本文設計的強制式水循環冷卻系統結構簡潔、性能穩定、適應性強，滿足量產的要求，具有較好的應用推廣價值。

參考文獻：

[1]李鵬飛.汽車發動機冷卻系統的設計[J].科研.2016，（4）：148.

[2]姜成春.汽車發動機冷卻系統設計及穩定性分析與研究[J].科技與企業.2014，（22）：144.