滕建耐，張增光，王次安

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥　230601）

某款汽油發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

滕建耐，張增光，王次安

（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥230601）

某款2.0L增壓汽油發(fā)動機(jī)在搭載某款整車進(jìn)行熱平衡試驗時無法達(dá)標(biāo)，水溫達(dá)到平衡時發(fā)動機(jī)出水溫度高于設(shè)計指標(biāo)，導(dǎo)致空調(diào)無法開啟。經(jīng)過分析與討論，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)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(jīng)過兩輪次的優(yōu)化設(shè)計，最終通過整車熱平衡試驗。

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)；整車熱平衡試驗；優(yōu)化設(shè)計

隨著發(fā)動機(jī)升功率及燃燒溫度不斷提高，冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機(jī)性能及可靠性越來越重要。一款發(fā)動機(jī)好的冷卻系統(tǒng)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(tǒng)既要保證發(fā)動機(jī)本體部件的冷卻，也要保證整個汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的熱平衡。

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的功用是使發(fā)動機(jī)在所有工況下都保持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)。發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)既要防止發(fā)動機(jī)過熱，也要防止發(fā)動機(jī)過冷，如果冷卻能力不足，則會造成內(nèi)燃機(jī)過熱，充氣效率下降，早燃和爆震傾向增大，致使發(fā)動機(jī)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l(fā)動機(jī)冷卻能力不足會引起動力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、耐久性全面惡化。而發(fā)動機(jī)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(fā)動機(jī)功率下降、油耗上升、排放氣體非甲烷碳?xì)溥^多等。

1　冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

某款2.0L增壓汽油發(fā)動機(jī)搭載整車時的冷卻系統(tǒng)原理圖如圖1所示，其中整車暖風(fēng)散熱器和DCT變速箱機(jī)油冷卻器水路為并聯(lián)關(guān)系。

雖然在設(shè)計之初經(jīng)過計算分析及發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)臺架性能開發(fā)，但其搭載整車后，在進(jìn)行整車熱平衡試驗時，發(fā)動機(jī)冷卻液溫度達(dá)到平衡時發(fā)動機(jī)出水溫度高于設(shè)計指標(biāo)（110℃），在整車熱平衡試驗的3種工況均因為發(fā)動機(jī)水溫過高，而設(shè)計時為了保護(hù)發(fā)動機(jī)過熱，當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻液水溫高于設(shè)計指標(biāo)時關(guān)閉空調(diào)，如表1所示。

圖1　冷卻系統(tǒng)原理圖

表1　整車熱平衡工況

表2　整車熱平衡水溫

發(fā)動機(jī)搭載整車熱平衡試驗結(jié)果如表2所示，由于發(fā)動機(jī)平衡水溫高于設(shè)計指標(biāo)，整車空調(diào)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(tǒng)冷卻能力不足、冷卻液流量分布不合理造成。進(jìn)行原因分析時也主要從這兩個方面進(jìn)行排查。根據(jù)以上冷卻系統(tǒng)原理圖進(jìn)行冷卻系統(tǒng)仿真分析模型搭載以及計算，結(jié)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(jié)果可以看出，造成整車熱平衡試驗使發(fā)動機(jī)出水溫度水溫過高的原因有：

（1）發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的整車暖風(fēng)器與DCT變速器冷卻器為常通流路且為并聯(lián)關(guān)系，在高溫地區(qū)由于整車暖風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)不工作，冷卻液流經(jīng)整車暖風(fēng)散熱器前后溫差基本無差別，無法達(dá)到冷卻液降溫的目的。

（2）發(fā)動機(jī)冷卻液流經(jīng)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(yōu)化方案

3.1第一輪優(yōu)化方案

為了解決熱平衡冷卻液溫度過高問題，結(jié)合以上故障分析原因，對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

（1）DCT機(jī)油冷卻器水路與整車暖風(fēng)水路由并聯(lián)方式改為串聯(lián)方式，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3　冷卻系統(tǒng)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(yōu)化設(shè)計方案對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行流量分布仿真分析，模型搭載及計算結(jié)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(yōu)化冷卻系統(tǒng)進(jìn)行整車熱平衡試驗結(jié)果如表5所示，結(jié)果有了較明顯的改善，空調(diào)處于切斷和開啟狀態(tài)中間來回切換，即開空調(diào)時發(fā)動機(jī)平衡水溫達(dá)到112℃導(dǎo)致空調(diào)切斷，但空調(diào)切斷后5s內(nèi)發(fā)動機(jī)水溫下降到108℃，空調(diào)重新啟動，空調(diào)重新啟動后30s左右水溫高于110℃重新切斷。

3.2第二輪優(yōu)化方案

從整車熱平衡試驗結(jié)果來看，第一輪設(shè)計優(yōu)化方案有了比較明顯的改善，因此在第一輪優(yōu)化方案的基礎(chǔ)上繼續(xù)改善。

（1）變更DCT機(jī)油冷卻器與暖風(fēng)散熱器水路管徑。原串聯(lián)方案發(fā)動機(jī)暖風(fēng)出水管內(nèi)徑為φ18mm、DCT機(jī)油冷卻器支路管內(nèi)經(jīng)為φ17mm、整車暖風(fēng)散熱器支路管內(nèi)徑為φ15mm，變更為串聯(lián)后總管徑內(nèi)徑為φ6mm，如圖5、圖6所示。

圖5　整車暖風(fēng)散熱器、DCT變速箱機(jī)油冷卻器并聯(lián)關(guān)系管徑分布

圖6　整車暖風(fēng)散熱器、DCT變速箱機(jī)油冷卻器串聯(lián)關(guān)系管徑分布

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

針對第一條優(yōu)化設(shè)計方案對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行流量分布仿真分析，模型搭載及計算結(jié)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(yōu)化冷卻系統(tǒng)進(jìn)行整車熱平衡試驗結(jié)果如表7所示，結(jié)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(shè)計指標(biāo)最高水溫110℃，空調(diào)始終可以處于開啟狀態(tài)。

表7　整車熱平衡水溫

4　結(jié)語

通過仿真分析和實車試驗驗證，得出以下結(jié)論：

（1）整車暖風(fēng)散熱器和DCT變速箱機(jī)油冷卻器為串聯(lián)時，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)大循環(huán)流經(jīng)整車散熱器冷卻液流量比并聯(lián)時更大，有利于降低整車熱平衡發(fā)動機(jī)冷卻液溫度。

（2）整車暖風(fēng)管徑的節(jié)流，能較大提升大循環(huán)時流經(jīng)整車散熱器的冷卻液流量，有利于降低整車熱平衡發(fā)動機(jī)冷卻液溫度。

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

［1］陳家瑞.汽車構(gòu)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(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)故障研究［J］.裝備制造技術(shù)，

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(xué)本科，助理工程師，主要研究方向：汽油發(fā)動機(jī)設(shè)計及試驗開發(fā)。