发动机冷却系统-动总

发动机冷却系统周婷婷目录一、发动机冷却系统概述二、发动机冷却系统匹配三、发动机冷却系统控制四、冷却系统前舱布置五、整车冷却系统的实验验收六、基于GT的发动机冷却系统建模分析一、发动机冷却系统概述发动机冷却系统作用：冷却系的作用保证发动机正常工作温度，零部件机械强度及合理间隙保证燃烧室正常温度，避免异常燃烧，优化性能保证自动变速箱正常油温，防止传动性能下降为乘员仓提供暖风冷却系统能够保证发动机在所有工况下在最适宜的温度范围内工作。既要防止发动机夏天过热，又要防止发动机冬季过冷。在启动时还要保证发动机能迅速升温，尽快达到正常的工作温度。发动机是将热能转变为机械能的装置，在内燃机不断地工作中，汽缸内部温度达2000℃以上，为保证机械连续有效地工作，必须对相应部件采取冷却措施，尤其是气门周围更为重要；但是又不能过冷却，比如在启动阶段应让发动机尽快热起来，否则燃油雾化困难，影响燃烧及排放，增加油耗；冷却系统还保证机油正常工作温度，防止机油高温老化及失去润滑作用。发动机理想的冷却液温度在95℃~115℃之间，机油温度在125~145℃之间。对于自动变速箱车型，冷却系统还需保证变速箱油温在正常工作范围内，一般自动变速箱油温控制在100℃~125℃之间。一部分高温冷却液通过空调系统为乘员仓提供暖风。发动机冷却系统失效危害：一、发动机冷却系统概述1.发动机过热的危害1)降低充气效率，使发动机功率下降；2)早燃和爆燃的倾向加大，使零件因承受额外冲击性负荷而造成早期损坏；3)运动件的正常间隙（热胀冷缩）被破坏，运动阻滞，磨损加剧，甚至损坏；4)润滑情况恶化，加剧了零件的摩擦磨损；5)零件的机械性能降低，导致变形或损坏。2.发动机过冷的危害1)进入气缸的混合气(或空气)温度太低，可燃混合气品质差（雾化差），使点火困难或燃烧迟缓，导致发动机功率下降，燃料消耗量增加（热量流失过多，燃油凝结流进曲轴箱）。2)燃烧生成物中的水蒸汽易凝结成水而与酸性气体形成酸类，加重了对机体和零件的侵蚀作用；3)未汽化的燃料冲刷和稀释零件表面(气缸壁、活塞、活塞环等)上的油膜，使零件磨损加剧。4)润滑油黏度增大，流动性差，造成润滑不良，加剧机件磨损，增大功率消耗。一、发动机冷却系统概述冷却系统结构和原理，如下图所示。合理的冷却系统应根据发动机热平衡分布来匹配相应的散热器、风扇、膨胀箱、管路等零部件。发动机冷却系统示意图：HeaterExpansionRadiatorPump二、发动机冷却系统匹配为保证发动机始终在最适宜温度下安全高效的运行，冷却系统匹配良好尤为重要。下图所示为某款发动机燃油燃烧的主要热量分布图。根据图示，可得到发动机需要冷却系统带走的热量，为后期散热器的设计提供理论依据。发动机燃料能量分布：二、发动机冷却系统匹配冷却系统循环主要包括水泵总循环，散热器循环支路，机油冷却器循环支路，暖风加热器循环支路，其流量的分布根据各流阻的不同会有不同。下图所示为某款发动机台架测得冷却液流量在在各个支路循环的分配曲线。发动机冷却液流量分布：二、发动机冷却系统匹配冷却系统水循环经过冷却系统各不同的部件，由于各零部件本身的阻力，造成压力损失，因此冷却液经过各零部件会有不同压降，下图所示为某款发动机冷却系统各部分压力降的曲线图。发动机冷却系统压力分布：二、发动机冷却系统匹配发动机冷却系统风量计算：冷却系统所需风量，在设计时主要由低速高扭矩点和额定功率点发动机所需冷却系统带走的热量决定。冷却风扇的风量Va是根据冷却系统应散出的热量Qc来确定的。Va=Qc/Δtρaca(m3/s)其中：Qc－散热器的散热量（kw）Δt－经过散热器前后的空气温差，通常为10－30℃ρa－空气的密度，一般取1.17kg/m3ca－空气的定压比热容，一般取1.047kj/kg.℃风扇的供气压力，即静压，是根据冷却系统的类型、具体布置与结构而确定的。水冷系统通道风阻P一般为：P＝ΔPR+ΔPLΔPR－散热器的阻力ΔPL－除散热器以外的所有空气通道（如冷却空气百叶窗、导风罩和发动机罩等）的阻力以上为风扇和散热器理论匹配的基本原理，在实际匹配过程中，因为车型和发动机的差异，两者之间的匹配是优化组合的过程。膨胀箱容积和压力的匹配：二、发动机冷却系统匹配在闭式冷却系统中，膨胀箱起到储液和调压的作用。膨胀箱的总容积是膨胀空间的容积和冷却液储备量的容积之和。膨胀箱的储备水量，至少为冷却系统总容积的11%，当有暖风机时应达到总容积的20%。膨胀空间至少是总容积的6%。闭式和半闭式冷却系统中安装有压力盖，压力盖一般布置在膨胀箱或散热器水室上。压力盖的作用是调节系统的压力，压力盖的定义要根据整个冷去系统的要求来确定。压力盖上有真空阀和泄压阀：真空阀的作用是冷却液温度下降后冷缩，系统内部压力下降，及时补偿系统压力，开启压力一般为-2~-10kPa；泄压阀的开启压力根据不同的发动机有不同的定义值，根据压力经验值定义，然后做冷却系统的台架试验，对该值验证。泄压阀的开启值应满足，当冷却系统正常工作，发动机出水温度达到最大值（一般是在发动机高速急停时）时，系统不出现开锅现象。日韩车系此压力值较低，一般在0.88～1.1bar之间，欧洲车系压力值一般在1.2～1.5bar，较高的可以达到2.0bar。三、发动机冷却系统控制冷却系统合理的控制策略，精准的控制手段，有助于提高发动机的工作特性及寿命，对整车燃油消耗率的降低、排放的优化也有着非常重要的意义。水泵的控制：1）传统水泵的控制：传统的水泵由发动机附件轮系皮带驱动，其转速随发动机的转速变化而变化，相应的排量和扬程也随之变化。2）电子水泵分为两种，电磁离合器式电子水泵和纯电动式电子水泵。电磁离合水泵驱动机构是发动机的附件轮系，在驱动轮和水泵主轴之间加入电磁控制式离合器，根据温度传感器的信号，离合器断开或处于半吸合状态，实现流量的控制。电动式电子水泵由电动机驱动，根据水温传感器信号，不断调整水泵转速，实现对流量的精确控制。节温器的控制：三、发动机冷却系统控制节温器是控制冷却液流向的阀门。当发动机冷却液的温度较低时，节温器将通往大循环（散热器）的通道关闭，使冷却液经水泵入口直接流入缸体或缸盖水套，以便使冷却液迅速升温。冷却液温度较高时，大循环打开，小循环关闭，以利用迅速散发热量。1)普通蜡式节温器的控制：目前多数发动机采用蜡式节温器，当冷却液温度低于设定值时，节温器感温体内的石蜡呈固态，节温器控制阀在弹簧的作用下关闭冷却液流向散热器的通道，冷却液经旁通孔（连小循环）和水泵返回发动机；当冷却液温度达到设定值后，石蜡开始熔化逐渐变成液体，体积随之增大并压迫橡胶管使其收缩，在橡胶管收缩的同时对推杆作用以向上的推力，由于推杆上端固定，因此推杆对胶管和感温体产生向下的反推力使阀门开启，这时冷却液经节温器进入散热器，并由散热器经水泵流回发动机。2)电子节温器的控制：目前比较先进的发动机上使用到了电子节温器，与传统的节温器相比，其推杆的动力来自电驱动机。因为其响应迅速，动作灵敏，代表着先进冷却部件的方向。风扇的控制：三、发动机冷却系统控制目前轿车常用的风扇有两档风扇和无级风扇。1）两档风扇有外接电阻式两档风扇和内部调速式两档风扇。外接电阻式是通过根据水温传感器的信号，ECU控制调速电阻被串联或者被短接，从而实现转速的控制；内部调速是通过控制碳刷的接入个数实现转速的控制的。内部调速式风扇由于没有调速电阻，其能耗及稳定性相对较高，近年来应用越来越广泛，其耐久性在路试过程中已得到验证。目前一般风扇低速档开启水温为96℃左右，高速档为102℃左右。多数车型在空调开启时，风扇高速运转，也有部分车型空调开启时，风扇低速运转。对于急停工况，控制策略为：如果急停瞬间水温在96℃~102℃，风扇低速运转40s；如果急停瞬间水温超过102℃高，风扇高速运转40s。2）无级风扇是通过ECU控制PWM的占空比，即控制加在电机绕组两端的电压，从而实现转速的控制。其中输入端电压由整车供电情况决定，基本为12V~13.5V，占空比范围为0~100%。风扇噪声的控制：三、发动机冷却系统控制风扇的噪声是由于非定常压力脉冲产生的，根据产生的机理可分为旋转噪声和涡流噪声两类。研究表明，风扇噪声主要来源于旋转噪声，因此控制旋转噪声是控制风扇噪声的主要手段，在噪声水平与风扇的风量Va、风扇直径D以及转速n的关系为：通过上式可以看出降低风量，减小转速，增大风扇直径能够降低噪声，但在实际设计过程中由于边界条件和性能要求，这些参数往往很难有大的变动，因此往往通过改变叶形等手段降低噪声。四、冷却系统前舱布置冷却系统布置主要考虑两方面，一是空气流通系统；二是冷却液循环系统。空气流通系统的设计布置：在汽车底盘布置中，发动机一般置于驾驶室的前面。冷空气从车头方向流入，经散热器芯部后，温度提高20℃~40℃，这部分空气被风扇吸入动力舱后，从发动机两侧或底部排出舱外，形成空气流通系统。如右图所示：冷却系统在动力舱内，散热条件差、护风圈、风扇与散热器及发动机的相对位置以及风扇前后散热阻力等的存在，在设计时应尽量保证空气气流通畅，防止气流紊乱。改善冷却空气流通系统的措施：1）减少空气流动阻力（包括散热器前进风口阻力；气流经散热器本体引起的压降；风扇后的排风背压）；2）降低进风温度，防止热风回流：尽可能加大风扇至发动机机体的距离；尽量减小风扇轮毂直径；3）合理布置风扇和散热器芯部的相对位置：风扇与散热器相对位置是以散热器芯部未被风扇叶片扫过的面积最小时为最佳。冷却液循环系统的设计布置：冷却液循环系统布置的设计原则主要是提高冷却液循环中的除气能力。四、冷却系统前舱布置冷却系统关键部件的布置：1）散热器的布置：散热器布置时尽量增大散热器的迎风面积，减薄芯子厚度，结合前脸造型，即和通风口的设计相对应，保证通风口的面积在散热器的正面积上的投影占散热器芯体面积的20%~40%之间。散热器通常为四点悬置，也可以采用三点悬置。其中主悬置点为2个，辅助悬置点为2个或1个。所有悬置点应布置在同一个部件总成上，改善散热器受力情况，以尽量减少散热器的振动强度。四、冷却系统前舱布置2）风扇的布置：风扇与护风罩安装在同一零部件总成上，理论上，风扇中心与散热器中心一致，或风扇中心稍高一些，使气流能流经散热器上部的高温区。在不干涉的情况下，风扇叶端与护风罩的径向配合间隙越小越好，一般不大于风扇直径的2.5%~3%，一般取5mm左右。风扇叶片与散热器芯子的距离为10~15mm，风扇与护风罩的布置发动机的最小间距，原则上大于发动机纵向跳动量15mm，一般要求大于30mm；与其他周围零部件的距离，在动态时不接触即可。3）节温器的布置：节温器大多数布置在气缸盖出口处，控制从发动机出来的冷却液温度；节温器也可以布置在水泵的入口处，如右图所示控制从散热器出来的冷却液温度。4）管道的布置：膨胀箱出水管的走向不允许向上弯折，不许高出膨胀箱的min线；发动机或散热器除气管的走向不允许低于发动机的水套最高点或散热器水室的高度；管路与周围部件的间隙一般不小于15mm，如果保证不了，管子设计时需增加护套。五、整车冷却系统的实验验收冷却系统装载到整车上后，必须满足整车在各种环境和工况下的正常行驶。在开发过程中，整车冷却系统主要进行道路试验、零部件开发认可试验和转鼓试验验证和验收。道路试验：道路试验主要考察车辆在各种恶劣的路况和天气环境下，如在崎岖不平路况、爬山路况及高原、高温和低温等路况和环境下，冷却系统能够确保车辆的正常行驶。道路试验主要包括夏季环境试验，冬季环境试验，高原环境试验。零部件开发认可试验：该试验主要考察冷却系统零部件的可靠性试验，在不同的路况和天气环境下的道路验证试验，为零部件开发认可提供依据。试验道路条件主要包括：山区公路试验、高速环路试验、强化坏路试验、普通公路试验以及磨合试验，具体试验道路条件、试验方法及试验操作参照执行GB/T12678。试验过程中零部件不出现功能性故障、表面腐蚀、锈蚀等现象即判定合格，准予认可，具体参照各自企业标准。若在试验过程中某个零