單文強　羅吉

摘 要：冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機的關鍵組成部分，它可以保證發(fā)動機始終工作在適合的溫度范圍內，發(fā)揮出最佳動力性能。但汽車發(fā)動機的工況多變，冷卻系統(tǒng)的設計有一定的難度?；诖?，本文針對某車用汽油發(fā)動機系統(tǒng)開發(fā)設計了一款強制式水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，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(fā)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(yōu)化設計。應用結果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、適應性強，具有較好的應用推廣價值。

關鍵詞：汽車發(fā)動機;冷卻系統(tǒng);系統(tǒng)開發(fā)

1冷卻方式選擇

按照冷卻介質的不同，汽油機冷卻系統(tǒng)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(fā)動機的熱量先傳遞給冷卻液，再由冷卻液循環(huán)流動將熱量帶走，由于水冷式系統(tǒng)可以對水路和冷卻強度進行調節(jié)，保證發(fā)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(huán)式水冷卻系統(tǒng)。

2總體結構設計

本文設計的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)主要由風扇、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，其結構如圖1所示。

冷卻液由加水口注入，發(fā)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(huán)流動，當冷卻液流過發(fā)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(xù)進入散熱器。在風扇的高速轉動下，產(chǎn)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(xù)帶走發(fā)動機氣缸壁的熱量，如此不斷循環(huán)，源源不斷地帶走發(fā)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(fā)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(jīng)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(tǒng)內不斷循環(huán)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(huán)，持續(xù)為冷卻液的流動提供動力。冷卻液可以源源不斷地帶走發(fā)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(huán)系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)，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(tǒng)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(fā)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(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)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(tǒng)的優(yōu)化設計

4.1優(yōu)化目標

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

4.2優(yōu)化方案

由冷卻系統(tǒng)的工作原理不難發(fā)現(xiàn)，調節(jié)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(huán)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(jié)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(jié)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(fā)動機的功率，另一方面還會產(chǎn)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(xiàn)了對風扇轉速的人為控制。當發(fā)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(fā)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(fā)動機系統(tǒng)開發(fā)設計了一款強制式水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，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(fā)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(yōu)化設計。該冷卻系統(tǒng)與發(fā)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(huán)冷卻系統(tǒng)結構簡潔、性能穩(wěn)定、適應性強，滿足量產(chǎn)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(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設計[J].科研.2016，（4）：148.

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