摘 要

汽车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。冷却系统既要防止发动机过热，也要壁面冬季发动机过冷。在发动机冷起动之后，冷却系统还要保证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度。

为了仿真分析汽车发动机的冷却系统，本文利用了一个发动机仿真分析软件GT-Power。本文在市场调研确定发动机基本参数的基础上进行热平衡计算。运用GT-POWER软件建立发动机冷却系统模型，并进行仿真模拟运算。分析仿真模拟出的数据，对仿真所得的结果进行评价，发现所建冷却系统存在的问题。最后提出该重卡冷却系统性能优化的方案。

关键字：冷却系统，热平衡匹配，性能优化

Abstract

The purpose of an automotive engine cooling system is to keep the engine in an appropriate temperature range at all operating conditions. The cooling system should not only prevent the engine from overheating, but also keep the engine too cold in winter. After the engine starts cold, the cooling system should ensure that the engine heats up rapidly and reaches the normal working temperature as soon as possible.

In order to simulate and analyze the cooling system of automobile engine, an engine simulation software gt-power is used in this paper. In this paper, the heat balance calculation is carried out on the basis of determining the basic parameters of the engine through market research. Gt-power software was used to establish the model of engine cooling system and to carry out simulation operation. By analyzing the simulation data and evaluating the simulation results, the problems of the cooling system were found. Finally, a scheme to optimize the cooling system performance is proposed.

Keywords: cooling system, heat balance matching, performance optimization

目录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2冷却系统国内外现状 1

1.3本文主要研究内容 2

1.4本章小结 3

第2章 重卡冷却系统的组成与工作原理 4

2.1冷却系统的组成 4

2.2冷却系统的工作原理 4

2.3本章小结 5

第3章 某型重卡发动机冷却系统基本参数的确定 6

3.1市场调研 6

3.2某型重卡发动机冷却系统基本参数的确定 7

3.3零部件选型 8

3.3.1散热器的选型 8

3.3.2风扇的选型 10

3.3.3节温器的选型 11

3.4布置方式的设计 12

3.5本章小结 14

第4章 发动机冷却系统热平衡匹配计算 15

4.1冷却系统热平衡匹配的意义 15

4.2冷却系统热平衡匹配计算 15

4.3本章小结 17

第5章 发动机冷却系统仿真模型的建立 18

5.1冷却系统仿真模型的建立 18

5.2冷却系统仿真模型的验证 22

5.3本章小结 26

第6章 发动机冷却系统匹配评价 27

6.1冷却系统的评价 27

6.1.1功率系数 27

6.1.2体积系数 27

6.2动机冷却系统匹配评价 27

6.3本章小结 29

第7章 发动机机冷却系统优化设计 30

7.1发动机优化系统优化设计 30

7.2优化方案仿真模拟 32

7.3本章小结 34

参考文献 37

致谢 39

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

随着市场对商用车轻量化、节能减排、高能效的需求越来越迫切，同时随着物流市场的不断扩大，拥有大马力的重型卡车也越来越受市场欢迎。而重型卡车对冷却系统的要求比普通汽车要求更高，重型卡车工作时燃烧温度的变化更大，温差也相较于普通汽车大很多。

同时发动机的冷却系统的性能直接影响整车燃油经济性、排放性能、可靠性等。因此各个整车厂对发动机冷却系统的研究越来越深入和细致。同时随着发动机舱结构越来越紧凑，汽车发动机的冷却系统能力日益严峻。

1.2冷却系统国内外现状

近几年，随着市场对重卡冷却系统要求的提高，冷却系统取得了一定的发展。本文参考数片关于重卡冷却系统的国内外文献，以下为近年来国内外关于冷却系统的最新研究成果：

2016年，Vadivelu, M., Kumar, C., and Naiju, C. 对马鲁蒂800cc MPFI发动机冷却系统进行了研究，旨在寻找一种减少怠速和受限气流下发动机常见过热问题的方法。该研究涉及在风洞(热量计)中测试发动机散热器，以模拟实际驾驶条件。在发动机转速和负载变化的情况下，对冷却系统中不同位置的冷却剂流量、压力和温度特性进行了监测。对不同的散热器冲压空气速度进行了发动机性能试验。提出了一种改进冷却系统的方案，即采用外摆轮传动来改变速度，从而根据冷却剂的温度来改变冷却剂的流量^[16]。

2016年，Kumar, G., Sindgikar, P., Jadhav, N., Gaidhane, S. 等人研究探讨以模块化方法开发之冷却系统，以控制各子系统在不同作业条件下之调校，并以符合包装限制之紧凑设计，达到冷却系统之性能指标。对不同设计构型进行了Kuli仿真，以确定最佳概念。在车辆上进行实验，评估发动机实际工作频段接近其最佳热效率频段。完成在实际地形应用中减轻车辆占空比时的FEAD(发动机前附件驱动)负荷，实现燃油经济性的最大化^[19]。

2017年，东风柳州汽车有限公司的方贵盛对卡车冷却系统设计改善的热平衡试验进行探讨，对其中存在的问题进行进一步的研究，通过采取恰当的改善措施进一步完善我国各类卡车冷却系统^[4]。

2017年，陕西重型汽车有限公司和陕西通家汽车股份有限公司的冉凯，王磊，王琦等人对发动机冷却系统模拟计算，完成一维模型的建立及三维云图的分析。试验验证采用转鼓试验和实车行驶试验两种方法来进行发动机冷却系统性能专项试验，以验证仿真计算模型的有效性。开发冷却系统的数字化模型，并进行加大风扇的匹配，为现产车型和新车型的开发提供数据和技术支持^[12]。

2017年，安徽江淮汽车集团股份有限公司国际公司的叶思源对在常规和极限工况进行了汽车室内整车热平衡试验，得出不同环境工况下发动机冷却系统的温变特性，有效地评价了冷却系统的散热能力。为冷却系统的设计成果提供了有效的验证方法，并为冷却系统的优化提供了方向^[1]。

1.3本文主要研究内容

本毕业设计通过了解研究发动机冷却系统的结构及原理，为某型重卡发动机设计冷却系统，并基于GT-Power对其建模仿真并进行热平衡研究，之后对匹配结果进行评价，最后对设计的冷却系统进行优化设计。主要内容包括：

1、重卡发动机冷却系统组成与工作原理；

2、某型重卡发动机冷却系统基本参数的确定；

3、某型重卡发动机冷却系统布置方案设计与零部件选型；

4、发动机冷却系统热平衡匹配计算；

5、发动机冷却系统仿真模型的建立与验证；

6、发动机冷却系统匹配评价；

7、发动机冷却系统优化设计。

本毕业设计的主要目标如下：

1、了解发动机冷却系统的结构及原理

2、设计某型重卡的冷却系统

3、在GT-Power中建立发动机冷却系统模型

4、在GT-Power软件中设计的冷却系统进行分析及热平衡处理分析

5、对分析过的模型进行进一步优化处理

6、画出装配图

7、整理所做工作，并对其进行分析、完善及讨论

拟采用的技术方案及措施

1、在图书馆或者网上及相关网站查阅检索发动机冷却系统方面的文献资料，学习发动机冷却系统的结构和工作原理，了解发动机冷却系统的关键技术，了解我国在发动机冷却系统研究领域的发展现状，了解国际上关发动机冷却系统的最新研究进展；

2、调研市场上现有的发动机冷却系统，查找发动机冷却系统的相关特性参数及特性曲线图表。

3、 请教毕业设计指导老师，在每周一次的小组会议中经自己遇到的问题及时提出反馈给老师并加以解决；

4、通过阅读相关书籍和观看视频，认真学习使用GT-Power软件，熟悉其操作模块，困难的地方和同学相互交流学习；

1.4本章小结

随着市场对重卡的需求量不断扩大，以及对重卡在排放、高效率、轻量化等方面要求的不断提升，以此为背景，本章参考国内外关于重卡冷却系统的研究现状，制定出设计重卡冷却系统的主要目标以及研究的主要方法等。

第2章 重卡冷却系统的组成与工作原理

2.1冷却系统的组成

重卡即重型卡车的发动机冷却系统一般采用的是循环水冷系统，就是利用水泵来提高冷却液的压力，强制冷却液在发动机中循环流动带走热量并通往冷却部件内，从而达到冷却发动机的效果。同时循环水冷系统也可以分为空气循环与冷却液循环两个系统。空气流通系统中主要包括冷却部件如下：中冷器、散热器、风扇护风罩、风扇总成等；冷却液循环系统中主要包括的冷却部件如下：发动机气缸水套、水泵、节温器、散热器、散热管路、膨胀水箱等。两系统会在散热中冷总成处进行热量的交换，将水循环侧的热量传递到空气循环侧，以达到对发动机进行冷却的功能。

图2-1发动机冷却系统示意图^[5]

2.2冷却系统的工作原理

首先是冷却系统的自动调节系统，主要是冷却部件为节温器。节温器是安装在冷却液循环的通路中，作为水循环中重要的组成部件，节温器会根据发动机的负荷大小以及冷却液温度高低等来进行改变冷却液的流动流量，从而达到自动调节冷却系统的冷却强度，使冷却效果达到最优处，从而提高冷却效率。当发动机处在满负荷运行时，较高的运行温度可以带来很多不利影响因素而导致冷却效果的降低。因此，通过电子节温器可以在满负荷运行时达到有效降低地冷却液温度的目的^[8]。

同时在发动机前端，由传动机构来进行驱动循环，强制使来自各个冷却回路部件的冷却液循环。就以大众1.4T型的发动机为例，其水泵是电子泵湿式转子电动机，它的输出功率是由安装在电动机线路接头盖下的电子模块进行电子控制。这种电子模块通过数位串行数据接口可以与发动机控制单元进行连接。发动机控制单元在运行的时候可以根据发动机的实际载荷、不同的工作模式和从温度传感器得到的数据来确定所需的冷却能力，并为其他冷却部件发布相应的指令。整个系统内的冷却液也会流过冷却液泵的电动机，所以这也会对电动机以及电子模块等进行冷却的作用。冷却液不仅仅对其进行冷却，也会起到对电动冷却液泵内的轴承起到了润滑的作用。

其次是补液罐盖，它的作用是在于确保产生压力并使冷却循环回路内的压力不受外部环境压力影响。这样可以避免空气压力不稳定时尤其是在高原地区作业时系统内的冷却液沸点会变得较低。

冷却液散热器的作用是确保可以在所有运行工况以及不同的工作环境条件下将发动机所产生的余热有效地释放到环境空气中，以此来达到冷却发动机的目的，为此必须根据不同的车辆和配置来调整冷却液散热器尺寸以及内部的结构^[10]。

在冷却系统循环之中，冷却液将其从散热器内部得到的热量传递给散热器壳体。再由散热器的壳体将热量从散热器内侧传至外侧，在外侧会通过散热器空气循环侧将热能释放到环境空气中，以此来达到散热冷却的目的。为此增加散热器内金属向环境空气传导热量的面积即为有效散热面积来达到更好的冷却效果，因为传导面积越大通过热传导传递也会越多，传导的热量也会越多。

最后是冷却液，冷却液即为水与防冻液的混合物，一般采用软水，这可以减少在发动机水套上形成的水垢。现在大多重卡发动机会采用含有硅酸盐成分的冷却液，是由于其在进行冷却的同时还可以在冷却部件的表面形成一层保护膜，这对部件可以提供保护的作用。但是也只有使用新冷却液时才能形成这种保护层结构对部件进行保护^[4]。

2.3本章小结

本章主要通过查阅资料，对冷却系统整体以及各系统的组成进行初步的描述，同时研究冷却系统的工作原理，对冷却系统有初步的认识，为后续的优化提供更好的帮助。

第3章 某型重卡发动机冷却系统基本参数的确定

3.1市场调研

重卡作为现今大型作业的主要汽车。从2005年开始，我国将在汽车行业实行新的车型统计分类。本次分类是我国汽车工业在车型统计分类上的第一次重要改革，也是为了满足加入WTO后与国际接轨的需要，对于今后汽车行业的发展影响深远。我国也在不断研发设计重卡，目前国内从事重型卡车生产的厂商有将近30家，每个公司也都有自己主要的产品，下面为市场调研的几款重卡以及其参数：

表3-1调研重卡数据表1

表3-2调研重卡数据表2

表3-3调研重卡数据表3

3.2某型重卡发动机冷却系统基本参数的确定

重卡冷却系统最主要的作用即为降低发动机及其零部件的温度以达到保护发动机及其零部件的作用，同时也要将从零件中吸收的部分热量及时散发到环境空气中去，以此循环。通过前期所调研的发动机并参考其参数等进行综合考虑，本文最终选择以某型重卡为基础上进行研究。同时经过市场调研可以得到该车型发动机设计时优先定型，水泵等的基本参数已经确定下来，所以可以通过优化散热器、风扇的结构布置方式的方法来进行优化设计。同时改款发动机的基本参数如下表所示：

表3-4重卡基本参数表

同时本文通过查阅网上资料可以得出在发动机在额定工况时水泵的流量为 340L/ min，当发动机处在最大扭矩工况点时的水泵流量为 240L/min，在两转速期间基本呈线性分布^[5]。

3.3零部件选型

发动机的基本参数已经确定下来，在此基础之上，开始对各零部件开始分析选型，选型原则等如下：

3.3.1散热器的选型

散热器作为冷却系统中最主要的组成部件之一，其优化设计对冷却系统的影响很大，其设计时所需要的要求有：尺寸尽量小，重量轻，风阻小，总散热面积大等等。目前的散热器主要分为管带式以及管片式两种类型。在这两种类型之中，第一种也就是管带式的散热器制作的工艺相比于另一种简单，成本也显著降低了，所以大部分的重型卡车普遍采用管带式的散热器。

图3-1 管带式散热器 ^[8] 图3-2 管片式散热器^[8]

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