汽油發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)建模與水溫控制

李佳 孫超 晏雙鶴

摘要：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。總而言之，發(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。

關(guān)鍵詞：汽油發(fā)動機(jī)；冷卻系統(tǒng)；建模；水溫控制

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)。

2增壓汽油發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的校核

2.1結(jié)合發(fā)動機(jī)最大扭矩進(jìn)行校核設(shè)計

首先，使用QMmax-Q/QMmax<±10%作為校核的主體公式，散熱量的校核要使用QMmaxQMmax=1000QhCW（t2-t1）。結(jié)合冷水資源的循環(huán)量Qh，對超過0.0043m3/s的值予以控制。要將CW作為水資源的熱比例控制基礎(chǔ)，并將超過4.187kJ/kg·℃的水比熱加以控制，使t2與t1的比例值能夠得到縮減，并為水比熱的合理控制提供支持。發(fā)動機(jī)裝置進(jìn)水溫度的控制要實現(xiàn)與最大扭矩狀態(tài)的結(jié)合，進(jìn)水口的溫度還必須適應(yīng)t2與t1的差值特征。將超過8℃的扭矩參數(shù)帶入公式，并使用QMmax為141kJ/s完成校核處理。

2.2冷卻系統(tǒng)平均散熱量校核

可以從水泵裝置的水溫控制出發(fā)，對增壓式發(fā)動機(jī)裝置的節(jié)溫器予以調(diào)查控制，為系統(tǒng)的熱量校核提供基礎(chǔ)性幫助。平均性散熱系統(tǒng)的建設(shè)工作需要與冷卻系統(tǒng)建設(shè)的實際需求保持一致，可使用公式：Q=FS·KS·Δt對平均散熱量予以控制，結(jié)合散熱面積管理需要，對超過13.75m2的校核業(yè)務(wù)公式進(jìn)行明確，為散熱量的優(yōu)化控制提供必要支持。要將Δt作為散熱控制的一項關(guān)鍵資源，還要將KS做為散熱參數(shù)加以調(diào)查，使冷卻系統(tǒng)能夠較為全面的適應(yīng)汽油發(fā)動機(jī)使用需求提供幫助。

3冷卻系統(tǒng)匹配

3.1基于匹配參數(shù)的冷卻系統(tǒng)匹配

可以結(jié)合水套對于溫度控制的主體性作用，對冷卻系統(tǒng)的技術(shù)匹配要求加以建設(shè)，優(yōu)化增壓式汽油機(jī)裝置應(yīng)用價值。匹配點的確定是維護(hù)冷卻系統(tǒng)的綜合性匹配價值的關(guān)鍵，要使用匹配參數(shù)賽選的方式選擇如上表所示的五項要素作為風(fēng)扇及水套裝置的參數(shù)調(diào)查基礎(chǔ)。調(diào)查顯示，冷卻系統(tǒng)的風(fēng)扇裝置轉(zhuǎn)速為2300r·min-1，小于nmax。2300r·min-1，表明與匹配點控制方位存在偏差。調(diào)查還顯示，風(fēng)扇裝置功率為0.21kW，效率為40%。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在3000r的情況下，功率為0.3kW，效率為25%。而超過5000r的情況下，功率為nmax。3500r·min-1，而這一階段的最小功率為0.2kW，可以判定其效率為30%，使之能夠與水套參數(shù)的具體管理訴求保持一致，以更好的明確冷卻系統(tǒng)的操作價值。

3.2冷卻系統(tǒng)技術(shù)調(diào)控對比分析

要結(jié)合節(jié)溫器對溫度的重要控制性影響，將節(jié)溫器定性為冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵性設(shè)備資源，為發(fā)動機(jī)更好的實現(xiàn)溫度調(diào)控創(chuàng)造有利條件。冷卻技術(shù)的操作要與噪聲控制格局相適應(yīng)，按照噪聲處在較低狀態(tài)下的冷卻系統(tǒng)特點，對增壓汽油發(fā)動機(jī)的最低點效率予以控制，使冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化建設(shè)方案可以得到更高水平的明確。在風(fēng)扇裝置進(jìn)行匹配點效率分析的過程中，風(fēng)扇裝置自身具備較強(qiáng)的消耗性能，其消耗功率的影響較為廣泛。因此，風(fēng)扇裝置的轉(zhuǎn)速可以借此得到控制，并保證噪音可以得到較為有效的控制。風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速大于2300r·min-1的情況下，必須保證其額定功率NS為在0.21kW以上，將冷卻系統(tǒng)的效率調(diào)整在40%左右，以便風(fēng)扇裝置的選型可以適應(yīng)汽油發(fā)動機(jī)應(yīng)用的要求。

4汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

4.1散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過合理設(shè)計散熱器可促進(jìn)散熱器散熱能力的提升，增大散熱面積，優(yōu)化散熱器芯部結(jié)構(gòu)。

合理設(shè)計散熱器結(jié)構(gòu)對冷卻系統(tǒng)大有裨益，不僅可大大縮減芯部厚度，另外還可促進(jìn)散熱效率的提升，使資源消耗得到有效開展。

值得注意的是，散熱器芯部結(jié)構(gòu)將影響到散熱效率，其結(jié)構(gòu)包括：散熱帶片間距、冷卻管排列、散熱帶片的形貌，這些因素均會影響到散熱效果。適當(dāng)增加冷卻水管數(shù)量有利于空氣的流暢，對散熱起到一定效果，提高汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

4.2對護(hù)風(fēng)罩合理設(shè)計

護(hù)風(fēng)罩作為汽車發(fā)動機(jī)的重要組成部分，又被稱為導(dǎo)風(fēng)罩，通過合理設(shè)計護(hù)風(fēng)罩可促進(jìn)風(fēng)扇的風(fēng)量及風(fēng)壓的提升，使氣流均勻流過散熱器，加劇了系統(tǒng)冷卻強(qiáng)度。

4.3應(yīng)用可控式發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)

經(jīng)筆者研究，傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)成本低廉，結(jié)構(gòu)簡單，基于這種情況下應(yīng)采取可控式冷卻系統(tǒng)對傳統(tǒng)系統(tǒng)不足加以彌補(bǔ)，可控式發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)是由執(zhí)行器、傳感器、電控模塊構(gòu)成，依據(jù)發(fā)動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)對可控式冷卻系統(tǒng)加強(qiáng)控制，將發(fā)動機(jī)熱狀態(tài)傳給控制器。將可控式發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)作用充分發(fā)揮出來，提高汽車的運(yùn)行速度及效率，確保汽車發(fā)動機(jī)的正常的運(yùn)行。

4.4合理調(diào)節(jié)溫度設(shè)定點

在汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)對溫度設(shè)定點加以合理，有效提高溫度設(shè)定點，降低了發(fā)動機(jī)散熱量與摩擦損失，使汽車發(fā)動機(jī)傳遞效果得以提升，改善了燃油的經(jīng)濟(jì)性。與此同時還應(yīng)降低溫度設(shè)定點，促進(jìn)充氣效率的提高，延長部件的使用壽命，總的來說不論是降低溫度設(shè)定點還是提高溫度設(shè)定點都應(yīng)可大大改善性能的效果，但在具體實施中應(yīng)根據(jù)實際情況來選擇，降低汽車發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的不良運(yùn)行事件的發(fā)生，為人們的出現(xiàn)增添更多便利性。

4.5檢查點火正時

假如點火器超出規(guī)定值之內(nèi)，則需要對系統(tǒng)相關(guān)零件進(jìn)行檢查。在發(fā)動機(jī)發(fā)動之前，要把變速桿掛至“空擋”，并且拉近停車制動器）。在使用SUZUKI診斷儀進(jìn)行診斷時，需要將點火開關(guān)關(guān)閉，并且將診斷儀SUZUKI與DLC連接在一起。在點火正時檢查時，應(yīng)滿足汽車運(yùn)行需求，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

結(jié)論

增壓汽油發(fā)動機(jī)裝置是冷卻系統(tǒng)領(lǐng)域較為常見的一類裝置，對這一裝置進(jìn)行設(shè)計與匹配分析，可以為設(shè)計冷卻系統(tǒng)創(chuàng)造更好的散熱性能，使冷卻水可以更好的憑借自身的循環(huán)量優(yōu)勢適應(yīng)發(fā)動機(jī)裝置的使用需求，并保證水套以及風(fēng)扇得到快速冷卻。

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（作者單位：長城汽車股份有限公司河北省汽車工程技術(shù)研究中心）