汽油发动机冷却系统建模与水温控制

李佳 孙超 晏双鹤

摘要：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。

关键词：汽油发动机；冷却系统；建模；水温控制

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。

2增压汽油发动机冷却系统的校核

2.1结合发动机最大扭矩进行校核设计

首先，使用QMmax-Q/QMmax<±10%作为校核的主体公式，散热量的校核要使用QMmaxQMmax=1000QhCW（t2-t1）。结合冷水资源的循环量Qh，对超过0.0043m3/s的值予以控制。要将CW作为水资源的热比例控制基础，并将超过4.187kJ/kg·℃的水比热加以控制，使t2与t1的比例值能够得到缩减，并为水比热的合理控制提供支持。发动机装置进水温度的控制要实现与最大扭矩状态的结合，进水口的温度还必须适应t2与t1的差值特征。将超过8℃的扭矩参数带入公式，并使用QMmax为141kJ/s完成校核处理。

2.2冷却系统平均散热量校核

可以从水泵装置的水温控制出发，对增压式发动机装置的节温器予以调查控制，为系统的热量校核提供基础性帮助。平均性散热系统的建设工作需要与冷却系统建设的实际需求保持一致，可使用公式：Q=FS·KS·Δt对平均散热量予以控制，结合散热面积管理需要，对超过13.75m2的校核业务公式进行明确，为散热量的优化控制提供必要支持。要将Δt作为散热控制的一项关键资源，还要将KS做为散热参数加以调查，使冷却系统能够较为全面的适应汽油发动机使用需求提供帮助。

3冷却系统匹配

3.1基于匹配参数的冷却系统匹配

可以结合水套对于温度控制的主体性作用，对冷却系统的技术匹配要求加以建设，优化增压式汽油机装置应用价值。匹配点的确定是维护冷却系统的综合性匹配价值的关键，要使用匹配参数赛选的方式选择如上表所示的五项要素作为风扇及水套装置的参数调查基础。调查显示，冷却系统的风扇装置转速为2300r·min-1，小于nmax。2300r·min-1，表明与匹配点控制方位存在偏差。调查还显示，风扇装置功率为0.21kW，效率为40%。风扇转速在3000r的情况下，功率为0.3kW，效率为25%。而超过5000r的情况下，功率为nmax。3500r·min-1，而这一阶段的最小功率为0.2kW，可以判定其效率为30%，使之能够与水套参数的具体管理诉求保持一致，以更好的明确冷却系统的操作价值。

3.2冷却系统技术调控对比分析

要结合节温器对温度的重要控制性影响，将节温器定性为冷却系统的关键性设备资源，为发动机更好的实现温度调控创造有利条件。冷却技术的操作要与噪声控制格局相適应，按照噪声处在较低状态下的冷却系统特点，对增压汽油发动机的最低点效率予以控制，使冷却系统的优化建设方案可以得到更高水平的明确。在风扇装置进行匹配点效率分析的过程中，风扇装置自身具备较强的消耗性能，其消耗功率的影响较为广泛。因此，风扇装置的转速可以借此得到控制，并保证噪音可以得到较为有效的控制。风扇的转速大于2300r·min-1的情况下，必须保证其额定功率NS为在0.21kW以上，将冷却系统的效率调整在40%左右，以便风扇装置的选型可以适应汽油发动机应用的要求。

4汽车发动机冷却系统的优化设计

4.1散热器结构设计

通过合理设计散热器可促进散热器散热能力的提升，增大散热面积，优化散热器芯部结构。

合理设计散热器结构对冷却系统大有裨益，不仅可大大缩减芯部厚度，另外还可促进散热效率的提升，使资源消耗得到有效开展。

值得注意的是，散热器芯部结构将影响到散热效率，其结构包括：散热带片间距、冷却管排列、散热带片的形貌，这些因素均会影响到散热效果。适当增加冷却水管数量有利于空气的流畅，对散热起到一定效果，提高汽车发动机冷却系统的运行效率。

4.2对护风罩合理设计

护风罩作为汽车发动机的重要组成部分，又被称为导风罩，通过合理设计护风罩可促进风扇的风量及风压的提升，使气流均匀流过散热器，加剧了系统冷却强度。

4.3应用可控式发动机冷却系统

经笔者研究，传统发动机冷却系统成本低廉，结构简单，基于这种情况下应采取可控式冷却系统对传统系统不足加以弥补，可控式发动机冷却系统是由执行器、传感器、电控模块构成，依据发动机运行状态对可控式冷却系统加强控制，将发动机热状态传给控制器。将可控式发动机冷却系统作用充分发挥出来，提高汽车的运行速度及效率，确保汽车发动机的正常的运行。

4.4合理调节温度设定点

在汽车发动机冷却系统设计中应对温度设定点加以合理，有效提高温度设定点，降低了发动机散热量与摩擦损失，使汽车发动机传递效果得以提升，改善了燃油的经济性。与此同时还应降低温度设定点，促进充气效率的提高，延长部件的使用寿命，总的来说不论是降低温度设定点还是提高温度设定点都应可大大改善性能的效果，但在具体实施中应根据实际情况来选择，降低汽车发动机系统的不良运行事件的发生，为人们的出现增添更多便利性。

4.5检查点火正时

假如点火器超出规定值之内，则需要对系统相关零件进行检查。在发动机发动之前，要把变速杆挂至“空挡”，并且拉近停车制动器）。在使用SUZUKI诊断仪进行诊断时，需要将点火开关关闭，并且将诊断仪SUZUKI与DLC连接在一起。在点火正时检查时，应满足汽车运行需求，提高系统运行效率。

结论

增压汽油发动机装置是冷却系统领域较为常见的一类装置，对这一装置进行设计与匹配分析，可以为设计冷却系统创造更好的散热性能，使冷却水可以更好的凭借自身的循环量优势适应发动机装置的使用需求，并保证水套以及风扇得到快速冷却。

参考文献

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（作者单位：长城汽车股份有限公司河北省汽车工程技术研究中心）