发动机冷却系统的研究与优化设计

王文涛 满文林

长城汽车股份有限公司徐水哈弗分公司动力事业部

发动机冷却系统的研究与优化设计

王文涛 满文林

长城汽车股份有限公司徐水哈弗分公司动力事业部

冷却系统不仅对发动机的可靠性会产生重大影响，而且也是影响发动机动力性和经济性的重要因素，其功用就是保证发动机在任何负荷条件下和工作环境下均能在最适合的温度状态下正常和可靠地工作。通过对冷却系统散热量和内部结构的计算，采用有限元分析手段对冷却系统散热器结构进行流体分析，优化结构设计，提高动力系统性能。本文就发动机冷却系统开展研究。

发动机冷却系统；设计；要点

冷却系统是发动机的重要组成部分，对发动机的动力性、经济性和可靠性有很大影响。随着发动机转速和功率的不断提高，对冷却系统的要求越来越高，因而对发动机冷却系统的设计与研究也愈来愈深入。散热系统设计，主要考虑要点如：散热量、冷却形式、冷却流量、散热面积等要素，下面文章将会就这些方面进行简要阐述和分析，仅供参考。

1 发动机冷却系统的作用

发动机工作时，由于气缸内混合气燃烧而释放出大量的热量，其中约三分之一的热量通过与高温燃气接触的零件传给冷却系统。按照热平衡的热量分配，必须将散入冷却系统的热量，应当由冷却介质散走。汽油机可达2500/2000，除机械负荷产生应力外，热负荷也会在零件内引起热应力，因而活塞、气门、气缸壁、气缸盖等与高温燃气接触的零部件要承受很大的机械负荷和热负荷。零部件由于强烈受热而温度升高，若不及时散热，则会造成发动机过热。

过度地冷却会造成不良的后果。过度冷却使得大量的热量被冷却介质带走，造成发动机的输出功率减小和油耗增加：过冷还会使汽油机混合气形成不好， CO和HC排放增加：润滑油由于温度低而粘度变大，使运动件间的磨损加剧，尤其是气缸的磨损会成倍增加，因此对发动机的冷却要适度。

2 冷却系统的优化设计

2.1 散热器结构设计

提高散热器的散热能力，是冷却系统设计的重要环节。

1)增大散热器芯部正面积。在安装空间允许的前提下，采用大的芯部面积，对冷却系有利，这样可以缩减芯部厚度，从而提高散热效率和降低风扇消耗功率和风扇噪声。最合理的布置是希望高度和宽度相等，呈正方形结构，并使风扇中心与散热器中心重合，使风扇未扫过的四角死区最小，气流能均匀通过芯部。但是一般情况下，由于受到安装空间的严格限制，尤其是在高度方向上，因此往往是宽度大于高度，呈长方形结构。

2)增大散热器总面积散热器的总散热面积。它是所有冷却管和散热带片暴露在空气中的表面积之和。散热器芯部正面积确定以后，调整散热器的结构和厚度，包括改变冷却管排数和管数以及散热带片尺寸、间距和数量，可以改变散热器的总散热面积，从而增加冷却能力。但如果散热器过厚，由于风阻增加，转速等措施造成风量不足，结果不得不加强风扇的能力，如采用提高风扇使风扇消耗功率增加，因此散热器芯部厚度过大得其反，而且材料消耗增加，利用率减小。此外由于散热带过密有时会适，芯部容易被尘土堵塞，使散热性能恶化。所以在芯部正面积不变的情况下，依靠增加总散热面积来提高散热能力是有一定限度的。

3)散热器芯部的结构。散热器芯部结构对散热效率的影响是显而易见的。散热器的结构特征，如冷却管的排列、散热带片的间距、散热带片的形貌等都会对散热效果产生不同影响。当冷却水管排数增加时，由于空气扰流增加，有利于散热，但排数太多时空气阻力增加，散热效果的改善不明显。在散热带片上冲出凹凸不平的波纹或冲翻出很多小窗口，使空气通过散热带片表面时加强扰流和扩大接触，改善了二次散热表面的散热条件，可提高散热能力。

2.2 合理设计护风罩以及风扇伸入护风罩的位置

护风罩，又称为导风罩，可以用来提高风扇的风压和风量，引导气流均匀流过散热器芯部，以充分利用散热器的冷却面积，避免气流的回流或涡流现象的出现，从而提高发动机的冷却强度。特别是对于发动机散热器和冷却风扇受到安装空间的制约，总体布置达不到理想状态的条件下，护风罩的作用则更为重要。设计护风罩应尽量减小风扇与护风罩之间的径向间隙。风扇工作时，由于离心力的作用，部分气流会径向流动，形成涡流；同时，由于风扇前后存在压差，空气在风扇叶端处会产生回流，使风扇的风量减少。理论上，在不发生接触的前提下，叶端的径向间隙越小越好。但由于风扇与护风罩不是装在同一刚体上而是分别装在支架上，因车架变形或发动机工作中产生颠震相互之间存在着运动，风扇叶片可能会因碰撞而损坏，为保护风扇叶片，间隙不能过小。设计经验表明，径向间隙控制在风扇直径2.5%以内是较为理想的。在风扇结构尺寸的优化设计中，该间隙取lOmm。

2.3 可控式发动机冷却系统的应用

传统的发动机冷却系统属于被动式的，结构简单或成本低。可控式冷却系统可弥补目前冷却系统不足。现在冷却系统的设计标准是解决满负荷时的散热问题，因而部分负荷时过大的散热潜力导致发动机功率浪费。这对轻型车辆来说尤为明显，这些车辆大多数时间都在市区，部分负荷下行驶，只利用部分发动机功率，引起冷却系统较高损耗。为解决发动机在特殊情况下过热的问题，现在的冷却系统体积大，导致冷却效率降低，增大冷却系统功率需求，延长发动机暖机时间。可控式发动机冷却系统一般包括传感器、执行器和电控模块。可控式冷却系统能够根据发动机工作状况调整冷却量，降低发动机功率损耗。在可控式冷却系统中，执行器为冷却水泵和节温器，一般由电动水泵和液流控制阀组成，根据要求调整冷却量。温度传感器为系统的一部分，可迅速把发动机的热状态传给控制器。

综上所述，优化散热器内部结构，降低生产成本，改善发动机冷却系统散热性能，提高车辆工作可靠性和稳定性。同时，仿真分析和试验结果验证了散热器设计的合理性，为后续发动机冷却系统的设计和优化提供参考。

[1] 黄晖. 发动机冷却系统的研究与优化设计[D]. 山东大学，2005.

[2] 顾宁，裴梅香，陶鸿莹，吴小飞. 发动机冷却系统节能优化设计[J].交通节能与环保，2013，02：45-50.