发动机电控冷却系统设计与优化

发动机电控冷却系统设计与优化

纪成成

徐州徐工挖掘机械有限公司   江苏省徐州市   221100

摘要：在民众生活水平普遍提升的影响下，汽车已经走进千家万户，同时人们也越来越重视汽车性能，发动机作是汽车动力源，只有保证发动机正常工作，汽车才能持续稳定行驶，电控冷却系统作为发动机重要构成部分，对发动机工作效率及使用寿命具有深远影响，因此应高度重电控冷却系统设计的科学性，并不断对其进行合理优化，基于此以便提升汽车性能，下文首先进行发动机冷却系统的全面分析，继而探讨发动机电控冷却系统设计及优化措施。

关键词：发动机电控冷却系统；设计；优化

引言

发动机可以说是汽车的生命支柱，由于发动机工作过程中，会产生一定热量，只有依靠冷却系统运行产生的冷却液循环进行散热，才能保障发动机平稳正常运转，但是传统的发动机冷却系统配置比较低，不能实现冷却液的合理有效供给，因此冷却系统的冷却效果难以满足汽车发展的需要，故而迫切需要改进和优化发动机电控冷却系统设计，可见合理分析发动机电控冷却系统水泵驱动电路及冷却风扇和水泵选型等设计细节的优化途径，具有一定的现实意义。

1.发动机冷却系统

润滑系统以及发动机冷却系统是组成汽车发动机温度调节系统的两个重要部分，运行状态下的发动机内有可燃性很高的混合气体实施燃烧流程，把气缸的内部的温度推高到摄氏1000到2000度，温度覆盖区域内的相关构件可能在遭受高温炙烤后发生变化，引发机械强度下降或者被损毁，所以配置冷却系统是必备步骤。汽油机的运行功率中大概只能有接近15的功率用来为车辆提供驱动力，另外的接近85%在运行期间因为热损或者摩擦因素白白浪费了，如果这些热量不能及时冷却所散发，会造成严重后果。冷却系统内部填装的冷却液负责吸收这部分多余热量，再经由散热器向外散发。假设发动机产生的总热量中接近35%由冷却系统完成处理，则排气门部位的温度就可以达到摄氏2482度，热量随尾气向大气外排，剩余的热量经由缸盖，活塞以及发动机自身外排。水冷型的发动机设有气缸，它的缸体以及缸盖加设了储水夹层，就是水套，保证冷却液能够在水套内循环时和受热构件近距离接触。水泵吸入外部的冷却液后对其加压，最终到达缸体水套之内。冷却液在接触缸壁过程中带走热量，自身升温，到达缸盖水套后实现二次升温，最终随水管到达散热器。散热器内始终维持着高速穿行的气流，带走了流经此地冷却液携带的热量，进而冷却下来后到达散热器下部，被水泵再次提升到缸体水套里，如此周而复始，受热构件上的热量被源源不断地带走完成冷却过程。需要注意的是，对发动机进行冷却并非无限量的，需要适可而止。冷却达不到预期效果，会导致气缸气量不足和异常燃烧，导致功率降低，构件得不到足够润滑加速磨损；如果过分冷却，就会导致有功热量不足，同时混合气频繁接触冷却的缸壁，气化完成的燃油遇冷再次凝结到达曲轴箱，导致燃油率上升，机油也会发生变质失去原有润滑性能，整机也会加速磨损，功率降低。所以要保证无论发动机转速及负荷怎样，始终维持合理温度，还须把对冷却液进行循环量调控的节温器安装在冷却系统中。同时，发动机自身的润滑系统也会发挥部分冷却功效。举例来说，运行期间的发动机活塞头能够与高温燃烧室实现部分直接接触，这些热量全部被润滑系统进行冷却。而且运行期间的发动机传力构件相互摩擦生热可能损毁构件，也要进行散热，这些热量由润滑油负责外排。润滑油在润滑系统中循环，在构件的摩擦面形成油膜，在达到润滑目的的同时也把热量带到油底壳后向外界扩散。如果发动机出现异常高温，会严重拉低润滑性能，要避免这种问题。就必须设置机油冷却器，它接通机体冷却管，让冷却液进来把热量带走，所以，冷却系统也是调控发动机温度的主要构造。发动机启动后升高到合理温度需要一个时间段，再持续运行就会升温，必须通过冷却系统实现快速热车，温度过高后再予以降温到允许范围，保持发动机正常运行。

2.优化设计发动机电控冷却系统

2.1.总体设计

系统的供电模块为直流电压源，输出电压是12伏，负责全系统电源供应；主控制器在系统中是大脑，负责冷却液温度数据采集，对冷却风扇以及电动水泵进行转速控制，确保系统温度能够保持高燃油率；功放电路是驱动模块的主要构成部分，主控制器输出12伏的直流电压，与电动水泵12到24伏的电压范围有差距，因此来自主控制器上的电压必须接受放大去适应电动水泵所需电压，达到调控转速的目的，确保冷却系统内部循环的冷却液达到足量；冷却风扇跟直连驱动模块，对冷却风扇进行驱动。运行期间的主控制器利用温度传感器得到冷却液即时状态下的温度数据，自动比对控制策略所设温度标准，二者数据之差传输到主控制器后，进而控制冷却风扇和电动水泵的工作温度，保证冷却液始终维持合理温度，促进发动机始终保证高燃油率，最大限度延长使用寿命。本文讨论的冷却系统采用了TLE9869QXA20主控制器芯片，可驱动各种电机，不仅电路设计更加简洁，硬件空间及成本都得到大幅压缩，促进冷却系统整体降低重量和占用面积，而且还解算了驱动算法。下载器在电路板上实现集成，程序调试无须再应用物理器件，同时电路板还设置有电机驱动模块，对冷却风扇进行驱动，芯片在外置端口额外加设驱动模块，对电动水泵进行驱动。香蕉头与12伏电源相接，保证电路板有充足电量。发动机电控冷却系统总体结构如下图。

图1总体示意图

2.2.水泵驱动电路设计

发动机冷却系统主要构件是电动水泵和冷却风扇，它们由控制器驱动后开始运行，为冷却风扇提供驱动的驱动模块安装在电路板，芯片外接的驱动模块为电动水泵提供驱动。为保证整体运行对电子器件信号进行屏蔽，电路输出信号由光电耦合器对水泵运行进行控制。T2三极管负责水泵驱动，2SC3998是它的具体型号，电流极限值是25安，散热功率极限值是250瓦，T1三极管具体型号为TIP122NPN，需要运行时连通T2三极管。

2.3.冷却风扇和水泵选型

①冷却风扇选型。升温后的冷却液从机体出水管外流，途径散热器丧失热量后冷却。本次设计的冷却风扇包括下列参数：12伏额定电压，340毫米扇叶直径，风量在每秒1.5立方米以上，风压在70帕以上；②水泵选型。发动机的传统类型转速与整机转速同步变化，无法结合即时工况实现自动调控，进而无法调控循环水量。本次设计发动机以及水泵各自独立，水泵可以结合即时工况通过调控转速达到调控循环水量的目的，循环水量参数是每秒0.0007立方米。同时，水泵压力须能够对冷却液流动阻力以及饱和蒸汽压力予以有效抵消，确保冷却液可以流动。所以水泵选型参数如下：476ZQA类型，每分钟40.2升流量，5米扬程。

结束语：在新时代背景下，优化创新是各领域发展进步的重要依托，鉴于汽车性能越来越受广大民众的关注与重视，为了通过提高汽车发动机工作效率与延长使用寿命，提升汽车整体质量，相关人员应深刻认识到发动机电控冷却系统对于发动机的重要影响，针对电控冷却系统的水泵驱动电路及冷却风扇和水泵选型设计进行合理改进，以便提升其冷却效果，借此保证汽车发电机持续正常运行。

参考文献

[1]邓义斌.基于冷却液温度MAP的天然气发动机电控冷却系统研究[D].华中科技大学,2011.

[2]王先瑞.汽车发动机电控冷却系统的试验研究[J].汽车世界,2019(16):1.