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(yè)部

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究與優(yōu)化設(shè)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(yè)部

冷卻系統(tǒng)不僅對發(fā)動機(jī)的可靠性會產(chǎn)生重大影響，而且也是影響發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素，其功用就是保證發(fā)動機(jī)在任何負(fù)荷條件下和工作環(huán)境下均能在最適合的溫度狀態(tài)下正常和可靠地工作。通過對冷卻系統(tǒng)散熱量和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的計算，采用有限元分析手段對冷卻系統(tǒng)散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高動力系統(tǒng)性能。本文就發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)開展研究。

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)；設(shè)計；要點

冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)的重要組成部分，對發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性有很大影響。隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的不斷提高，對冷卻系統(tǒng)的要求越來越高，因而對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計與研究也愈來愈深入。散熱系統(tǒng)設(shè)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(jìn)行簡要闡述和分析，僅供參考。

1 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的作用

發(fā)動機(jī)工作時，由于氣缸內(nèi)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?xì)饨佑|的零件傳給冷卻系統(tǒng)。按照熱平衡的熱量分配，必須將散入冷卻系統(tǒng)的熱量，應(yīng)當(dāng)由冷卻介質(zhì)散走。汽油機(jī)可達(dá)2500/2000，除機(jī)械負(fù)荷產(chǎn)生應(yīng)力外，熱負(fù)荷也會在零件內(nèi)引起熱應(yīng)力，因而活塞、氣門、氣缸壁、氣缸蓋等與高溫燃?xì)饨佑|的零部件要承受很大的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。零部件由于強(qiáng)烈受熱而溫度升高，若不及時散熱，則會造成發(fā)動機(jī)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(zhì)帶走，造成發(fā)動機(jī)的輸出功率減小和油耗增加：過冷還會使汽油機(jī)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(yùn)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(fā)動機(jī)的冷卻要適度。

2 冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計

提高散熱器的散熱能力，是冷卻系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

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(fēng)扇消耗功率和風(fēng)扇噪聲。最合理的布置是希望高度和寬度相等，呈正方形結(jié)構(gòu)，并使風(fēng)扇中心與散熱器中心重合，使風(fēng)扇未掃過的四角死區(qū)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(yán)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(jié)構(gòu)。

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(diào)整散熱器的結(jié)構(gòu)和厚度，包括改變冷卻管排數(shù)和管數(shù)以及散熱帶片尺寸、間距和數(shù)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(fēng)阻增加，轉(zhuǎn)速等措施造成風(fēng)量不足，結(jié)果不得不加強(qiáng)風(fēng)扇的能力，如采用提高風(fēng)扇使風(fēng)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(jié)構(gòu)。散熱器芯部結(jié)構(gòu)對散熱效率的影響是顯而易見的。散熱器的結(jié)構(gòu)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(chǎn)生不同影響。當(dāng)冷卻水管排數(shù)增加時，由于空氣擾流增加，有利于散熱，但排數(shù)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(qiáng)擾流和擴(kuò)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(shè)計護(hù)風(fēng)罩以及風(fēng)扇伸入護(hù)風(fēng)罩的位置

護(hù)風(fēng)罩，又稱為導(dǎo)風(fēng)罩，可以用來提高風(fēng)扇的風(fēng)壓和風(fēng)量，引導(dǎo)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(xiàn)象的出現(xiàn)，從而提高發(fā)動機(jī)的冷卻強(qiáng)度。特別是對于發(fā)動機(jī)散熱器和冷卻風(fēng)扇受到安裝空間的制約，總體布置達(dá)不到理想狀態(tài)的條件下，護(hù)風(fēng)罩的作用則更為重要。設(shè)計護(hù)風(fēng)罩應(yīng)盡量減小風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)罩之間的徑向間隙。風(fēng)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(fēng)扇前后存在壓差，空氣在風(fēng)扇葉端處會產(chǎn)生回流，使風(fēng)扇的風(fēng)量減少。理論上，在不發(fā)生接觸的前提下，葉端的徑向間隙越小越好。但由于風(fēng)扇與護(hù)風(fēng)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(fā)動機(jī)工作中產(chǎn)生顛震相互之間存在著運(yùn)動，風(fēng)扇葉片可能會因碰撞而損壞，為保護(hù)風(fēng)扇葉片，間隙不能過小。設(shè)計經(jīng)驗表明，徑向間隙控制在風(fēng)扇直徑2.5%以內(nèi)是較為理想的。在風(fēng)扇結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化設(shè)計中，該間隙取lOmm。

2.3 可控式發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)屬于被動式的，結(jié)構(gòu)簡單或成本低。可控式冷卻系統(tǒng)可彌補(bǔ)目前冷卻系統(tǒng)不足?，F(xiàn)在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是解決滿負(fù)荷時的散熱問題，因而部分負(fù)荷時過大的散熱潛力導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率浪費。這對輕型車輛來說尤為明顯，這些車輛大多數(shù)時間都在市區(qū)，部分負(fù)荷下行駛，只利用部分發(fā)動機(jī)功率，引起冷卻系統(tǒng)較高損耗。為解決發(fā)動機(jī)在特殊情況下過熱的問題，現(xiàn)在的冷卻系統(tǒng)體積大，導(dǎo)致冷卻效率降低，增大冷卻系統(tǒng)功率需求，延長發(fā)動機(jī)暖機(jī)時間。可控式發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)一般包括傳感器、執(zhí)行器和電控模塊?？煽厥嚼鋮s系統(tǒng)能夠根據(jù)發(fā)動機(jī)工作狀況調(diào)整冷卻量，降低發(fā)動機(jī)功率損耗。在可控式冷卻系統(tǒng)中，執(zhí)行器為冷卻水泵和節(jié)溫器，一般由電動水泵和液流控制閥組成，根據(jù)要求調(diào)整冷卻量。溫度傳感器為系統(tǒng)的一部分，可迅速把發(fā)動機(jī)的熱狀態(tài)傳給控制器。

綜上所述，優(yōu)化散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本，改善發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱性能，提高車輛工作可靠性和穩(wěn)定性。同時，仿真分析和試驗結(jié)果驗證了散熱器設(shè)計的合理性，為后續(xù)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

[1] 黃暉. 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究與優(yōu)化設(shè)計[D]. 山東大學(xué)，2005.

[2] 顧寧，裴梅香，陶鴻瑩，吳小飛. 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2013，02：45-50.