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混动汽车发动机智能冷却系统设计与试验研究
摘要
随着燃油经济性标准的日趋严格，以发动机为动力的混动汽车可根据工况调节发动机
工作在最佳油耗区域，同时能够解决电动汽车续驶里程短、充电时间长等问题，因而开始
被广泛应用。但混动汽车存在冷起动油耗高和热效率低的问题，然而提高发动机热效率的
先进技术如高压缩比、冷却EGR等需要合理的冷却。智能冷却系统除了满足发动机冷却
需求外，还可以精确冷却主要受热区，均衡燃烧室内壁面温度，提高燃烧稳定性，降低爆
震；降低EGR废气温度，提高充气效率；缩短发动机预热时间，降低油耗。因此，有必
要对混动汽车发动机智能冷却系统进行设计与试验研究。
本文基于发动机冷却系统设计，进行一维和三维仿真分析与试验研究，同步进行发动
机内部冷却方式为横流冷却的方案设计与试验研究，并对发动机热平衡试验和计算方法进
行研究。根据技术与试验研究，结合核态沸腾传热机制和换热模型分析，设计发动机智能
冷却系统方案，即基于横流冷却的内部冷却结构和基于电子水泵的温度控制策略。对发动
机内部冷却进行仿真分析、结构优化、流固耦合传热分析及台架试验。总结智能冷却系统
开发经验，制定混动汽车发动机智能冷却系统设计流程。本文研究的主要内容如下：
（1）进行了一维和三维仿真分析研究，设计了发动机的横流冷却系统。通过一维仿
真，选择合适的模型元件，搭建仿真模型，设置系统及各元件参数，选定仿真工况，从系
统层面分析冷却系统原理；利用三维仿真方法，进行网格划分，设定初始和边界条件，模
拟发动机内部冷却的流体流动情况；通过试验验证仿真分析的准确性。设计缸体各缸缸肩
结构、缸垫上下水孔及冷却液出口位置，使发动机内部冷却实现横流冷却。发动机稳定工
作在额定功率工况下，进行主要受热区的温度测试，验证横流冷却的精确性和均匀性。
（2）设计了精测热平衡试验方法和计算方法。根据传热理论和热平衡方程，结合发
动机实际工作循环，初步设计发动机热平衡计算方法，并设计精测热平衡试验方法。对比
分析精测热平衡试验方法和常规热平衡试验方法的差异，在发动机试验台架上模拟整车工
况下的热平衡试验，分析台架试验数据与整车实测数据的符合性。依据精测热平衡方法的
测试数据，优化热平衡计算方法。
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（）分析了核态沸腾传热机制及换热模型，并依据横流冷却和热平衡计算方法，设
计了混动汽车发动机智能冷却系统技术方案。设计冷却系统原理图、发动机外部冷却和内
部冷却，计算智能冷却系统及各零部件的散热量，并根据散热量进行系统零部件的性能匹
配设计。采用一维仿真方法分析对冷却系统及部件的流量、温度和压力分布，基于仿真数
据和分析结果，设计智能冷却系统温度控制策略，初步确定发动机智能冷却系统的参数和
三维模型。
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（）利用一维和三维协同仿真方法，进行了设计方案优化，并开展了流固耦合传热
哈尔滨工程大学博士学位论文
分析，确定了智能冷却系统参数和三维模型。进行三维仿真模拟计算与分析，根据分析结
果改进内部冷却结构的设计方案，选择最佳方案并进行流固耦合计算，分析发动机内部冷
却壁面温度的合理性，校正一维仿真模型的边界条件，确定混动汽车发动机智能冷却系统
参数和模型方案。
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（）基于混动汽车发动机，开展了智能冷却系统方案验证。将确定的智能冷却系统
方案匹配到混动汽车发动机上，在冷起动工况下进行冷却液升温试验，在部分负荷工况、
不同冷却液温度下测试油耗，同步进行发动机在最大功率点、节气门全开工况下的热平衡
试验。根据试验数据分析智能冷却系统冷起动温升情况、对油耗的贡献及温度控制能力。
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（）系统的、详细的研究了混动汽车发动机智能冷却系统的设计及试验，包括技术
研究、热平衡试验方法和计算方法研究、仿真分析方法和准确性验证研究、方案设计、方
案改进及试验验证等。制定两级混动汽车发动机智能冷却系统设计流程，其中第零级制定
发动机智能冷却系统设计流程，第壹级从方案设计、仿真分析和试验验证制定设计流程。
通过一维和三维仿真分析与试验研究，验证了仿真方法和模型的准确性；通过横流冷
却方案设计与试验研究得知，横流冷却设计可实现精确冷却、均匀冷却；通过热平衡试验
与计算方法研究，精测热平衡试验方法获得的散热量更接近整车实际散热需求，基于以上
研究成果，设计了混动汽车发动机智能冷却系统和温度控制策略。经验证，与传