某款汽油发动机冷却系统的优化设计

滕建耐，张增光，王次安

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥　230601）

某款汽油发动机冷却系统的优化设计

滕建耐，张增光，王次安

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥230601）

某款2.0L增压汽油发动机在搭载某款整车进行热平衡试验时无法达标，水温达到平衡时发动机出水温度高于设计指标，导致空调无法开启。经过分析与讨论，发动机冷却系统流量分布不合理以及整车散热器散热能力不足是主要原因，经过两轮次的优化设计，最终通过整车热平衡试验。

发动机冷却系统；整车热平衡试验；优化设计

随着发动机升功率及燃烧温度不断提高，冷却系统对发动机性能及可靠性越来越重要。一款发动机好的冷却系统匹配能够在提高输出功率的同时降低油耗及改善排放性能。冷却系统既要保证发动机本体部件的冷却，也要保证整个汽车冷却系统的热平衡。

发动机冷却系统的功用是使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。发动机冷却系统既要防止发动机过热，也要防止发动机过冷，如果冷却能力不足，则会造成内燃机过热，充气效率下降，早燃和爆震倾向增大，致使发动机功率下降；润滑油粘度减小、油膜易破裂，零件摩擦磨损加剧。总而言之，发动机冷却能力不足会引起动力性、经济性、可靠性、耐久性全面恶化。而发动机冷却能力过度，会造成油气混合不良、可燃混合气点燃困难或燃烧延迟，致使发动机功率下降、油耗上升、排放气体非甲烷碳氢过多等。

1　冷却系统现状分析

某款2.0L增压汽油发动机搭载整车时的冷却系统原理图如图1所示，其中整车暖风散热器和DCT变速箱机油冷却器水路为并联关系。

虽然在设计之初经过计算分析及发动机冷却系统台架性能开发，但其搭载整车后，在进行整车热平衡试验时，发动机冷却液温度达到平衡时发动机出水温度高于设计指标（110℃），在整车热平衡试验的3种工况均因为发动机水温过高，而设计时为了保护发动机过热，当发动机冷却液水温高于设计指标时关闭空调，如表1所示。

图1　冷却系统原理图

表1　整车热平衡工况

表2　整车热平衡水温

发动机搭载整车热平衡试验结果如表2所示，由于发动机平衡水温高于设计指标，整车空调无法开启。

2　原因分析

冷却液温度过高，一般是由于冷却系统冷却能力不足、冷却液流量分布不合理造成。进行原因分析时也主要从这两个方面进行排查。根据以上冷却系统原理图进行冷却系统仿真分析模型搭载以及计算，结果如图2、表3所示。

图2　仿真分析模型搭载及流量分布

表3　冷却液流量分布

由以上结果可以看出，造成整车热平衡试验使发动机出水温度水温过高的原因有：

（1）发动机冷却系统的整车暖风器与DCT变速器冷却器为常通流路且为并联关系，在高温地区由于整车暖风鼓风机不工作，冷却液流经整车暖风散热器前后温差基本无差别，无法达到冷却液降温的目的。

（2）发动机冷却液流经整车散热器流量偏小是造成热平衡冷却液温度过高的主要原因。

（3）另外整车散热器散热能力也是影响因素之一。

3　优化方案

3.1第一轮优化方案

为了解决热平衡冷却液温度过高问题，结合以上故障分析原因，对发动机冷却系统进行优化设计。

（1）DCT机油冷却器水路与整车暖风水路由并联方式改为串联方式，发动机冷却系统原理图如图3所示。

图3　冷却系统原理图

（2）增大整车散热器，散热器散热能力由54kW增大到60kW。

针对第一条优化设计方案对发动机冷却系统进行流量分布仿真分析，模型搭载及计算结果如图4、表4所示。

图4　仿真分析模型搭载及流量分布

表4　冷却液流量分布

对优化冷却系统进行整车热平衡试验结果如表5所示，结果有了较明显的改善，空调处于切断和开启状态中间来回切换，即开空调时发动机平衡水温达到112℃导致空调切断，但空调切断后5s内发动机水温下降到108℃，空调重新启动，空调重新启动后30s左右水温高于110℃重新切断。

3.2第二轮优化方案

从整车热平衡试验结果来看，第一轮设计优化方案有了比较明显的改善，因此在第一轮优化方案的基础上继续改善。

（1）变更DCT机油冷却器与暖风散热器水路管径。原串联方案发动机暖风出水管内径为φ18mm、DCT机油冷却器支路管内经为φ17mm、整车暖风散热器支路管内径为φ15mm，变更为串联后总管径内径为φ6mm，如图5、图6所示。

图5　整车暖风散热器、DCT变速箱机油冷却器并联关系管径分布

图6　整车暖风散热器、DCT变速箱机油冷却器串联关系管径分布

（2）增大整车散热风扇，散热风扇风量由2800m3/h增大到3150m3/h。

针对第一条优化设计方案对发动机冷却系统进行流量分布仿真分析，模型搭载及计算结果如图7、表6所示。

图7　仿真分析模型搭载及流量分布

表6　冷却液流量分布

对优化冷却系统进行整车热平衡试验结果如表7所示，结果有了非常明显的改善，整车热平衡试验时各种工况平衡水温均低于设计指标最高水温110℃，空调始终可以处于开启状态。

表7　整车热平衡水温

4　结语

通过仿真分析和实车试验验证，得出以下结论：

（1）整车暖风散热器和DCT变速箱机油冷却器为串联时，发动机冷却系统大循环流经整车散热器冷却液流量比并联时更大，有利于降低整车热平衡发动机冷却液温度。

（2）整车暖风管径的节流，能较大提升大循环时流经整车散热器的冷却液流量，有利于降低整车热平衡发动机冷却液温度。

（3）整车散热器散热能力以及散热风扇同样是影响整车热平衡时发动机冷却温度的重要因素。

［1］陈家瑞.汽车构造（上册）第五版［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［2］潘云，杨鸿.某汽油发动机冷却系统故障研究［J］.装备制造技术，

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，大学本科，助理工程师，主要研究方向：汽油发动机设计及试验开发。