冷却系统设计与开发

闭兰兰　王许梅

摘 要：本文针对汽车冷却系统的设计与开发做相关介绍（仅介绍燃油车），介绍内容包括整车冷却系统的设计开发流程、冷却系统工作原理及相关零部件介绍和环模实验。不同车企采用的冷却策略和实验标准各有千秋，本文的介绍不具通用代表性，请读者按需采纳借鉴。

关键词：开发流程 冷却系统 环模实验

Design and Development of Automotive Cooling System

Bi Lanlan Wang Xumei

Abstract：In this paper， the design and development of automotive cooling system is introduced （only fuel vehicles）， including the design and development process of the vehicle cooling system， the working principle of the cooling system and the introduction of relevant parts and ring mold experiments. The cooling strategies and experimental standards adopted by different automobile companies have their own strengths and weaknesses. The introduction in this paper is not representative of any general purpose. Readers are invited to adopt and learn from them as needed.

Key words：development process， cooling system， ring mold experiment

1 引言

众所周知，发动机是燃油车的“心脏”，是动力之源，而发动机的冷却系统对发动机而言，是不可或缺的部分，下面对发动机冷却系统做简单介绍。

2 整车冷却系统的设计开发流程

在整车开发的过程中，不同零件开发起止点不同，流程细化起来非常繁琐，下文就冷却系统零部件的开发流程做简单介绍，大致可分为6个阶段（如图一所示）：对标、骡子车、软工装、试验（包括工装样件认可、耐久试验和环模实验）、试生产和量产。

新车立项时，根据市场需求和对标其他车企的车明确定位目标，对标工作主要是研究对标车冷却系统的工作原理，各冷却部件的重量、外观、材料、内部设计结构和安装方式等等，如有必要，还将测试其性能参数、特征曲线。

骡子车阶段主要验证动力、底盘和车身结构的可行性;而软工装阶段则是要验证零件结构设计的正确性，以保证后期零件生产或总装安装时不会出现不合理的人为设计而影响造车进度。

软工装验证合理后，便进入试验认证阶段，包括：1）冷却部件工装样件认可;2）整车耐久试验;3）环模实验。工装样件认可是指零件通过工装模具生产出来后，并进行一系列的零件材料和性能测试。后两个验证开始的前提是冷却部件已经通过了工装样件认可，认可时要做的零件材料和性能试验是国标和企标规定的。整车耐久试验历时30～40天，试验道路包括坏路、高速、坡路、洼地等，在经过各路段时，零件的安装、结构和性能问题都将“爬坡式”暴露，工程师需在此阶段需完成零件的相关整改。环模实验下文会做相关介绍，在此先不详述。试验认证完成后到量产之前，会有个车间试装的过渡时期，主要是为量产前选择一个合理的最优的生产工艺和整车装配流程。

3 冷却系统工作原理及相关零部件介绍

冷却系统的功用是保证发动机在各种工况条件下都能保持在适当的温度范围，一般来说，发动机正常工作温度在1000℃～2500℃之间。

3.1 冷却系统工作原理

燃油车的冷却系统分两条水路，即小循环和大循环，如图二。为避免发动机在冷启动或怠速的情况下温度过低，大循环是关闭的，只开启了小循环，因此，小循环不会流经散热器。在发动机出水口有一个冷却温度传感器和节温器，冷却温度传感器能时刻监控循环的冷却液在流经发动机出水口后的温度，当这个温度大于预设值时，节温器里的固體蜡会融化，里面的弹簧将大循环的阀门顶开;小于预设值时，节温器里的固体蜡便凝固收缩，同时将弹簧拉回，大循环的阀门就关上了。大循环是冷却发动机的关键水路，当发动机在恶劣工况下，需打开电子扇加大流经散热器的风速，以此提高散热效果 ，电子扇的打开、关闭和调速是由发动机控制模块控制的。膨胀箱虽然没有冷却功用，但它是水路循环中必不可少的部分，它能调节冷却系统的压力，保证冷却液在管路中循环畅通。在高配置的车中，主动进气格栅和导风板还用来改善发动机舱的进气，以提高燃油经济性。

3.2 散热器

散热器分纵流式和横流式两种，纵流式散热器顾名思义冷却液在散热器内自上而下流，横流式是从左到右或从右到左流。散热器由散热器支架、缓冲胶、减震垫、上水室（左水室）、下水室（右水室）、散热器芯体等零部件构成。散热器支架在设计之初会做CAE仿真测试其强度和动刚度，至于采用横流式还是纵流式散热器，得受限于装配空间和散热量考虑 。散热器芯体主要包括散热管和散热带，不同厂家生产的散热器，主要区别就在于散热管和散热带。

风洞试验是检测散热器散热性能的一个重要指标，相关的还有气密性、耐腐蚀性、耐高温、振动性和冲击性实验。

3.3 电子扇

电子扇通过提升散热器的散热性能来达到冷却效果，我们知道，单位时间通过散热面的风量对散热器的散热量有影响，那么，电子扇的作用就显得相当重要了。电子扇按档位控制分为单级调速和无极调速，按电子扇个数分为单电子扇和双电子扇。单级调速一般分两档，即电子扇只有两个档位;无极调速是通过改变单位时间内脉冲个数（占空比）来调节电子扇转速。一般，在电子扇导风罩上会设计些导流口，平衡电子扇的气压，为减小电子扇的噪音，电子扇动平衡还得控制在一定范围。事实上装车后，电子扇要如何设计才能兼顾风量大且动平衡又好，这是电子扇开发过程中的一大难题。

噪音试验和动平衡试验是检测电子扇的重要试验，其次，堵转电流也是一个重要指标，这对线束接插件、电线和保险丝的选择很重要，选择不当有可能造成电子扇灼烧而引发安全事故。

3.4 膨胀箱

膨胀箱的作用是平衡冷却系统内部的压力和补充冷却液，膨胀箱的最低液位应比冷却系统最高液位高。膨胀箱从制作工艺上分注塑件和非注塑件，从性能上分为承压式和非承压式。膨胀箱盖是个很微妙的设计，盖子内部有两个阀：当冷却系统压力过大时，气体通过发动机、暖风芯子、散热器集聚到膨胀箱内，膨胀箱的压力达到一定值可将排气阀顶开，气体便可经由密封圈缝隙排到外界;当膨胀箱内部压力过小时，壶内形成低压真空阀被往下吸，这时外界空气就能进入膨胀箱内。膨胀箱有MAX线和MIN线，一般膨胀箱的膨胀系数要大于等于某一值，才能使整个冷却系统的压力维持在一个相对稳定的环境。不同车企发动机冷却液所含溶剂和配比都不一样，一般冷却液工作温度范围为-40℃～120℃。

3.5 冷却管路

冷却管路分胶管和硬管，胶管的结构为内胶、加强层和外胶，加强层的材料有聚酯线、PET、芳纶线和人造丝等，按照材料和耐温强度分为不同等级胶管，一般胶管的耐温范围在-40℃～120℃，胶管与硬管之间是过盈配合，对不同尺寸的胶管过盈配合的公差不一样，胶管壁厚也不一样。

胶管要做的实验有材料性能和气密性实验，其中材料性能包括硬度、拉伸强度、耐臭氧老化性、爆破压力、耐低温、粘合强度等。

3.6 主动进气格栅/导风板

从字面上理解，主动进气格栅和导风板都有挡风的作用，两者的不同在于：主动进气格柵自身带有电机，能通过调节叶片来改变风向，导风板仅仅是挡风的作用。主动进气格栅有降油耗的功效，在冷机启动和大冬天时，发动机会有处在低温的时候，这时需要主动进气格栅将冷风隔绝，让发动机的热量不至于过快散发到环境中，以实现节能的效果。

4 环模实验

环模实验对汽车冷却系统来说是一个比较重要的实验，通过模拟几个极限工况来摸底冷却性能。一般采用工装车做环模实验，因为此时整车的所有零件都接近量产的正式样件，就算量产后零件有稍微更改，对冷却性影响不大。实验主要是收集在各种模拟的道路工况和不同的温度、湿度和光照下，发动机水温的变化情况。对水温数据的采集，我们采用热敏电阻布点法，就是在需要收集温度的地方布点（可布在下图的任意位置）。实验时，我们是在满载的情况测试，冷机下冷却液要加到MIN线和MAX线之间，实验过程中若温度超过120℃时需熄火以防“开锅”现象，若出现了“开锅”，需等水温下降后再进行接下来的实验，且需观察冷机时冷却液液位是否还在MIN线之上，不然需补充冷却液再进行试验。

5 结论

纯汽油车冷却系统的设计与开发，大致如上文所述，望读者按需采纳借鉴，谢谢！

参考文献：

[1]BT-SGMWJ 06247-2019 汽车冷却软管技术条件.

[2]史文库，姚为民.汽车构造.第六版.人民交通出版社.