一种汽车发动机冷却水路循环结构的制作方法

本发明涉及汽车发动机技术领域中的一种汽车发动机冷却水路循环结构。

背景技术：

近年来，发动机冷却系统的作用是使发动机在所有工况都保持在最适宜的温度范围内工作，在节能减排日趋严苛的今天，各汽车制造商陆续开始采用最新的科技手段及先进制造工艺来降低发动机油耗及排放污染物。如何能精确控制发动机温度，以实现缩短暖机时间、改善燃烧性能、降低摩擦功、减少冷却损失，各厂商对发动机冷却系不断进行研究，并开发机电一体化产品，来实现对发动机水路的智能化控制。

以往的技术中，主要针对冷却系统中的某一个元件进行电子化控制，比如冷却水泵、电子节温器等，这样只减少了单个件的能耗，控制单一回路，没有将发动机所有冷却水路的流量和开启时间进行控制，从而没有起到明显的降低能耗的作用。同时由于没有对整个水路进行精确分析，只是单一增加电控元件，没有针对气缸体水套及气缸盖水套的设计进行综合分析优化，导致对发动机各工况的冷却液温度控制不精确，难以起到明显的效果。因此，研究开发一种汽车发动机冷却水路循环结构一直是亟待解决的新课题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种汽车发动机冷却水路循环结构，该发明以多通路冷却液控制阀为核心，对气缸体的水套及气缸盖的水套进行优化设计，并将发动机小循环、发动机大循环、暖风水路循环、机油冷却水路循环、膨胀水箱水路循环、增压器水路循环集成在多通路冷却液控制阀上进行入口控制，通过合理布置水温传感器读取水温的监测点，实现根据发动机所处的不同工况，对各水路的开启时间和水路流量进行精确控制，实现缩短暖机时间、改善燃烧性能、降低摩擦功、减少冷却损失的目的，保证发动机各水路的流阻最小，水泵的设计扬程最小，减少水泵的功率消耗。

本发明的目的是这样实现的：一种汽车发动机冷却水路循环结构，包括发动机主水泵、正时链轮壳集成水套、气缸体、气缸体出水管、多通路冷却液控制阀、机油冷却器、水温传感器、气缸体出水口、气缸盖出水管、电子水泵、水温传感器、增压器、增压器回水管、增压器进水管、气缸盖、散热器、膨胀水箱、暖风热交换器，在气缸体的前端面布置正时链轮壳集成水套和发动机主水泵，并通过螺栓固定，正时链轮壳集成水套与气缸体的进水处构成发动机主水泵的内腔，在气缸体的发动机主水泵出水流道内嵌入正时链轮壳水套凸台；气缸体的水套a与气缸盖水套b联通，在气缸体水套a进气侧安装第一个锁销，保证绝大部分冷却液从气缸体水套a进气侧进入气缸体水套a排气侧，在气缸体水套a排气侧安装第二个锁销，确保冷却液进入气缸盖水套b排气侧，经过燃烧室水套进入气缸盖水套b进气侧，之后进入气缸体水套a进气侧，实现气缸体水套a和气缸盖水套b横流水的布置；使经过散热器的冷水优先被引入发动机排气侧，保证发动机冷却效果；经过气缸体的水套a和气缸盖水套b的冷却液从发动机进气侧的气缸体出水口进入散热器，之后从散热器回流到多通路冷却液控制阀回水口v4，最后进入发动机主水泵，组成发动机的大循环；发动机小循环为冷却液经过发动机主水泵、气缸体、气缸盖，从气缸盖出水管流入多通路冷却液控制阀回水口v1，再流入发动机主水泵；暖风水路循环为冷却液经过气缸体、气缸盖、气缸盖出水管、暖风热交换器、多通路冷却液控制阀回水口v2、发动机主水泵；增压器水路循环为冷却液经过气缸体、电子水泵、增压器进水管、增压器、增压器回水管、多通路冷却液控制阀回水口v5、发动机主水泵；膨胀水箱水路循环为冷却液经过气缸体、气缸盖、气缸盖出水管、膨胀水箱、多通路冷却液控制阀回水口v6、发动机主水泵；机油冷却水路循环为冷却液经气缸体、机油冷却器、气缸体出水口、多通路冷却液控制阀回水口v3、发动机主水泵；

在气缸体的水套a进气侧锁销孔安装第一个锁销，保证绝大部分冷却液从气缸体的水套a进气侧进入气缸体水套a排气侧，避免冷却液从气缸体水套a进气侧短路；在气缸体水套a排气侧后端锁销孔安装第二个锁销，保证大部分冷却液从气缸体水套a排气侧流入气缸盖水套b排气侧，即经过散热器热交换后的冷却液流入气缸盖的高温区域，保证发动机的冷却效果最大化，从而实现气缸体水套a和气缸盖水套b的横流水的布置；锁销与气缸体水套孔之间为间隙配合，允许一定微小泄漏，并且锁销可以采用塑料材质，降低成本；

所述的发动机主水泵流道腔体部分，在正时链轮壳上设计一个与气缸体流道相对应的凸台，与气缸体进水处配合形成发动机主水泵的出水腔体流道，保证发动机主水泵的均匀的流阻，保证较小的尺寸的发动机主水泵的足够扬程，使其有较好的发动机布置性；

所述的气缸体出水管布置在气缸体水套a入水口，机油冷却器与气缸体出水管相连，保证机油足够的冷却效果，在暖机阶段，起到冷却水对机油的加热作用；

所述的机油冷却器的回水有两条回路，机油冷却器回水与气缸体出水口连接，气缸体出水口还与多通路冷却液控制阀回水口v3连接；当大循环关闭时，即多通路冷却液控制阀回水口v4关闭时，机油冷却器的回水经过气缸体出水口进入多通路冷却液控制阀回水口v3，此时处于润滑油加热阶段，即用冷却液的热量加热机油，降低摩擦，节能减排的目的；当大循环开启时，从经过机油冷却器的冷却液，大部分从气缸体出水口流入散热器，保证与机油热量交换后的冷却液经过散热器进行散热，少部分继续经过之前提到的多通路冷却液控制阀回水口v3回到发动机主水泵，是为了减少整个水路的流阻，避免发动机主水泵的扬程设计过大，造成能量损失；

所述的集成在多通路冷却液控制阀上，增压器中间体冷却水路的进水点布置在气缸体水套a排气侧，为了保证对增压器中间体有足够的冷却，从气缸体水套a入口引入气缸体水套a排气侧的温度较低的冷却液被引入增压器，保证对增压器的足够的冷却；优点是冷却水路集成度更高，便于机舱搭载，便于管路布置；与其有同样作用的是膨胀水箱循环，保证发动机的水蒸气及时排除，防止集成水套的排气侧气缸盖发生过热损坏，同时为了快速暖机，膨胀水箱的水量也被多通路冷却液控制阀v5所控制，在冷启动和暖机阶段，不参与水路循环；

所述的水温传感器和水温传感器的布置方式，气缸盖水套b排气侧出水口处布置水温传感器，用来检测发动机气缸盖处的水温；防止气缸盖出现过热工况，使气缸盖损坏；在气缸体出水口布置另一个水温传感器，用来监测经过发动机气缸体水套和气缸盖水套之后的水流的温度，此部分为发动机处于部分负荷和大负荷工况时，主要水温监测点；但由于发动机处于冷启动时，多通路冷却液控制阀回水口v3和多通路冷却液控制阀回水口v4处于关闭状态，所以气缸体主出水口没有水流经过，在此时，只能通过水温传感器读取发动机冷却液的温度；

所述的多通路冷却液控制阀，其集成了散热器回水口v4、膨胀水箱回水口v6、增压器回水口v5、发动机小循环回水口v1、机油冷却器回水口v3、暖风水路回水口v2、进入水泵的出水口v7，v1、v2、v3、v4、v6的开启时间和开启大小通过两个大小不等的球阀实现，电机驱动处理器通过接收发动机电控单元的指令控制球阀旋转实现控制，v7和v5两个口处于常通状态；

所述的一种汽车发动机冷却水路循环结构的工作原理及控制方法：发动机处于冷启动阶段时水路循环时，在发动机冷启动工况时，发动机水温大约在小于50℃时，此时水温通过水温传感器监测，控制多通路冷却液控制阀的回水口v2、v3、v4关闭，仅开启少部分v1接口，v1处于开口面积最大位置，并随着发动机运转，逐渐减小，其他几个接口处于关闭状态；冷却液回路为经过发动机主水泵，进入正时链轮壳和气缸体，进入气缸体水套a排气侧，之后进入气缸盖水套b排气侧和气缸盖水套b进气侧一起经过气缸盖出水管流入多通路冷却液控制阀回水口v1，回到发动机主水泵，使发动机快速暖机，发动机快速升温，改善冷启动的排放及油耗，尤其减少加浓噪声的颗粒物浓度的升高；

在发动机处于暖风加热阶段时水路循环时，在发动机暖风加热工况时，发动机水温约为50℃-90℃之间时，此时水温通过水温传感器监测，多通路冷却液控制阀的回水口v1、v3、v4关闭，此时v2处于部分开启状态。冷却液经过发动机主水泵，进入正时链轮壳和气缸体，进入气缸体水套a排气侧，之后进入气缸盖水套b排气侧和气缸盖水套b进气侧一起经过气缸盖出水管流入暖风热交换器，用冷却液的热量加热乘客舱，满足冬季乘坐舒适性的要求。经过热交换器的冷却液从暖风回水管路流入回水口v2，最后流入发动机主水泵，实现水路循环；

在发动机处于润滑油加热阶段时水路循环时，在润滑油加热工况时，冷却液温度约处于60℃-90℃之间，此时水温通过水温传感器监测。多通路冷却液控制阀的回水口v1、v4关闭，此时回水口v2、v3部分开启，此时v2、v3的开口面积未达到最大，处于部分开启状态；冷却液经过发动机主水泵，进入正时链轮壳和气缸体，一部分进入气缸体出水管，进入机油冷却器，之后回到气缸体主出水口，再进入多通路冷却液控制阀的回水口v3，回到发动机主水泵；水路实现用冷却液的热量加热机油，降低摩擦和油耗的目的；另一部分冷却液循环与暖风加热阶段相同，保证加热驾驶舱，提高乘坐舒适性；

在发动机处于部分负荷加热阶段时水路循环时，在部分负荷工况时，冷却液温度在105℃左右波动，此时冷却液温度以水温传感器7检测的水温为主要参考，水温传感器用来监测气缸盖最高水温，两个温度同时传送给发动机电控单元；此时多通路冷却液控制阀的回水口v1关闭，v2、v3部分开启，回水口v4采用pid控制，此时v2、v3、v4均未达到最大流通面积状态；冷却液新增加的回路为经过发动机主水泵，进入正时链轮壳和气缸体，进入气缸体水套a排气侧，再到气缸盖水套b进气侧、燃烧室水套、气缸体水套a进气侧、气缸体出水口、散热器、通路冷却液控制阀的回水口v4，再回到发动机主水泵；膨胀水箱的水路循环同样开启，即冷却液经过发动机主水泵，进入正时链轮壳和气缸体，进入气缸体水套a排气侧，再到气缸盖水套b进气侧，气缸盖出水管9，膨胀水箱，多通路冷却液控制阀的回水口v6，再回到发动机主水泵；此工况冷却回路的目的是维持高水温，降低油耗；

在发动机处于高速大负荷和失效保护时水路循环时，在高速大负荷工况，冷却液温度控制在90℃左右，此时冷却液温度以水温传感器为主，水温传感器用来监测最高水温，两个温度同时传送给发动机电控单元；此时多通路冷却液控制阀的回水口v1关闭，v2、v3、v4全开，此时v2、v3、v4开口面积均达到最后；此阶段的水路循环与上面提到的暖风加热工况、润滑油加热工况、部分负荷工况的水路循环相同，区别在开启流量的大小，处于多通路冷却液控制阀处于全开工况，此时的目的是维持低水温，避免发动机过热；在多通路冷却液控制阀处于失效状态时，但还能转动没有卡滞的情况，即发动机水温超过最高值，此时多通路冷却液控制阀的回水口v1关闭，v2、v3、v4全开，此阶段的水路循环与高速大负荷工况相同，此时控制的目的是对发动机进行最大程度冷却，避免发动机损坏，同时发动机电控单元报故障码，同时对发动机限扭，并提醒驾驶员到维修站进行检测维修。

本发明的要点在于它的结构、工作原理及控制方法。

一种汽车发动机冷却水路循环结构与现有技术相比，具有保证均匀的流通面积，使水泵具有足够的扬程，克服水路的阻力，使冷却液到达相应的位置，实现根据发动机所处的不同工况，对各水路的开启时间和水路流量进行精确控制，实现缩短暖机时间、改善燃烧性能、降低摩擦功、减少冷却损失的目的；各水路出水口的设置根据cae分析进行计算而确定，保证发动机各水路的流阻最小，水泵的设计扬程最小，减少水泵的功率消耗等优点，将广泛地应用于汽车发动机技术领域中。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

图1是本发明的立体装配示意图。

图2是本发明气缸盖及水套部分结构示意图。

图3是本发明气缸体及水套部分结构示意图。

图4是本发明正时链轮壳水套与气缸体水套部分结构示意图。

图5是本发明多通路冷却液控制阀部分的结构示意图。

图6是本发明多通路冷却液控制阀开口面积和转角关系示意图。

图7是本发明发动机处于冷启动阶段时水路循环示意图。

图8是本发明发动机处于暖风加热阶段时水路循环示意图。

图9是本发明发动机处于润滑油加热阶段时水路循环示意图。

图10是本发明发动机处于部分负荷加热阶段时水路循环示意图。

图11是本发明发动机处于高速大负荷和失效保护时水路循环示意图。

具体实施方式

参照附图，一种汽车发动机冷却水路循环结构，包括发动机主水泵1、正时链轮壳集成水套2、气缸体3、气缸体出水管4、多通路冷却液控制阀5、机油冷却器6、水温传感器7、气缸体出水口8、气缸盖出水管9、电子水泵10、水温传感器11、增压器12、增压器回水管13、增压器进水管14、气缸盖15、散热器16、膨胀水箱17、暖风热交换器18，在气缸体3的前端面布置正时链轮壳集成水套2和发动机主水泵1，并通过螺栓固定，正时链轮壳集成水套2与气缸体3的进水处构成发动机主水泵1的内腔，在气缸体3的发动机主水泵1出水流道内嵌入正时链轮壳水套凸台19；气缸体的水套a与气缸盖水套b联通，在气缸体水套a进气侧安装第一个锁销，保证绝大部分冷却液从气缸体水套a进气侧进入气缸体水套a排气侧，在气缸体水套a排气侧安装第二个锁销，确保冷却液进入气缸盖15水套b排气侧，经过燃烧室水套进入气缸盖15水套b进气侧，之后进入气缸体水套a进气侧，实现气缸体水套a和气缸盖水套b横流水的布置；使经过散热器16的冷水优先被引入发动机排气侧，保证发动机冷却效果；经过气缸体的水套a和气缸盖水套b的冷却液从发动机进气侧的气缸体出水口8进入散热器16，之后从散热器16回流到多通路冷却液控制阀回水口v4，最后进入发动机主水泵1，组成发动机的大循环；发动机小循环为冷却液经过发动机主水泵1、气缸体3、气缸盖15，从气缸盖出水管9流入多通路冷却液控制阀回水口v1，再流入发动机主水泵1；暖风水路循环为冷却液经过气缸体3、气缸盖15、气缸盖出水管9、暖风热交换器18、多通路冷却液控制阀回水口v2、发动机主水泵1；增压器水路循环为冷却液经过气缸体3、电子水泵10、增压器进水管14、增压器12、增压器回水管13、多通路冷却液控制阀回水口v5、发动机主水泵1；膨胀水箱水路循环为冷却液经过气缸体3、气缸盖15、气缸盖出水管9、膨胀水箱17、多通路冷却液控制阀回水口v6、发动机主水泵1；机油冷却水路循环为冷却液经气缸体3、机油冷却器6、气缸体出水口8、多通路冷却液控制阀回水口v3、发动机主水泵1。

在气缸体的水套a进气侧锁销孔安装第一个锁销，保证绝大部分冷却液从气缸体的水套a进气侧进入气缸体水套a排气侧，避免冷却液从气缸体水套a进气侧短路；在气缸体水套a排气侧后端锁销孔安装第二个锁销，保证大部分冷却液从气缸体水套a排气侧流入气缸盖水套b排气侧，即经过散热器16热交换后的冷却液流入气缸盖的高温区域，保证发动机的冷却效果最大化，从而实现气缸体水套a和气缸盖水套b的横流水的布置；锁销与气缸体水套孔之间为间隙配合，允许一定微小泄漏，并且锁销可以采用塑料材质，降低成本。

所述的发动机主水泵1流道腔体部分，在正时链轮壳2上设计一个与气缸体3流道相对应的凸台19，与气缸体3进水处配合形成发动机主水泵1的出水腔体流道，保证发动机主水泵1的均匀的流阻，保证较小的尺寸的发动机主水泵1的足够扬程，使其有较好的发动机布置性。

所述的气缸体出水管4布置在气缸体水套a入水口，机油冷却器6与气缸体出水管4相连，保证机油足够的冷却效果，在暖机阶段，起到冷却水对机油的加热作用。

所述的机油冷却器6的回水有两条回路，机油冷却器回水与气缸体出水口8连接，气缸体出水口8还与多通路冷却液控制阀回水口v3连接；当大循环关闭时，即多通路冷却液控制阀回水口v4关闭时，机油冷却器的回水经过气缸体出水口进入多通路冷却液控制阀回水口v3，此时处于润滑油加热阶段，即用冷却液的热量加热机油，降低摩擦，节能减排的目的；当大循环开启时，从经过机油冷却器6的冷却液，大部分从气缸体出水口8流入散热器16，保证与机油热量交换后的冷却液经过散热器16进行散热，少部分继续经过之前提到的多通路冷却液控制阀回水口v3回到发动机主水泵1，是为了减少整个水路的流阻，避免发动机主水泵1的扬程设计过大，造成能量损失。

所述的集成在多通路冷却液控制阀5上，增压器中间体冷却水路的进水点布置在气缸体水套a排气侧，为了保证对增压器中间体有足够的冷却，从气缸体水套a入口引入气缸体水套a排气侧的温度较低的冷却液被引入增压器12，保证对增压器12的足够的冷却；优点是冷却水路集成度更高，便于机舱搭载，便于管路布置；与其有同样作用的是膨胀水箱循环，保证发动机的水蒸气及时排除，防止集成水套的排气侧气缸盖发生过热损坏，同时为了快速暖机，膨胀水箱的水量也被多通路冷却液控制阀v5所控制，在冷启动和暖机阶段，不参与水路循环。

所述的水温传感器7和水温传感器11的布置方式，气缸盖水套b排气侧出水口处布置水温传感器11，用来检测发动机气缸盖处的水温；防止气缸盖出现过热工况，使气缸盖损坏；在气缸体出水口8布置另一个水温传感器7，用来监测经过发动机气缸体水套和气缸盖水套之后的水流的温度，此部分为发动机处于部分负荷和大负荷工况时，主要水温监测点；但由于发动机处于冷启动时，多通路冷却液控制阀回水口v3和多通路冷却液控制阀回水口v4处于关闭状态，所以气缸体主出水口8没有水流经过，在此时，只能通过水温传感器11读取发动机冷却液的温度。

所述的多通路冷却液控制阀5，其集成了散热器回水口v4、膨胀水箱回水口v6、增压器回水口v5、发动机小循环回水口v1、机油冷却器回水口v3、暖风水路回水口v2、进入水泵的出水口v7，v1、v2、v3、v4、v6的开启时间和开启大小通过两个大小不等的球阀实现，电机驱动处理器通过接收发动机电控单元的指令控制球阀旋转实现控制，v7和v5两个口处于常通状态。

所述的一种汽车发动机冷却水路循环结构的工作原理及控制方法：发动机处于冷启动阶段时水路循环时，在发动机冷启动工况时，发动机水温大约在小于50℃时，此时水温通过水温传感器11监测，控制多通路冷却液控制阀的回水口v2、v3、v4关闭，仅开启少部分v1接口，v1处于开口面积最大位置，并随着发动机运转，逐渐减小，其他几个接口处于关闭状态；冷却液回路为经过发动机主水泵1，进入正时链轮壳2和气缸体3，进入气缸体水套a排气侧，之后进入气缸盖水套b排气侧和气缸盖水套b进气侧一起经过气缸盖出水管9流入多通路冷却液控制阀回水口v1，回到发动机主水泵1，使发动机快速暖机，发动机快速升温，改善冷启动的排放及油耗，尤其减少加浓噪声的颗粒物浓度的升高；

在发动机处于暖风加热阶段时水路循环时，在发动机暖风加热工况时，发动机水温约为50℃-90℃之间时，此时水温通过水温传感器监测11，多通路冷却液控制阀的回水口v1、v3、v4关闭，此时v2处于部分开启状态。冷却液经过发动机主水泵1，进入正时链轮壳2和气缸体3，进入气缸体水套a排气侧，之后进入气缸盖水套b排气侧和气缸盖水套b进气侧一起经过气缸盖出水管9流入暖风热交换器18，用冷却液的热量加热乘客舱，满足冬季乘坐舒适性的要求。经过热交换器的冷却液从暖风回水管路流入回水口v2，最后流入发动机主水泵1，实现水路循环；

在发动机处于润滑油加热阶段时水路循环时，在润滑油加热工况时，冷却液温度约处于60℃-90℃之间，此时水温通过水温传感器11监测。多通路冷却液控制阀的回水口v1、v4关闭，此时回水口v2、v3部分开启，此时v2、v3的开口面积未达到最大，处于部分开启状态；冷却液经过发动机主水泵1，进入正时链轮壳2和气缸体3，一部分进入气缸体出水管4，进入机油冷却器6，之后回到气缸体主出水口8，再进入多通路冷却液控制阀的回水口v3，回到发动机主水泵1；水路实现用冷却液的热量加热机油，降低摩擦和油耗的目的；另一部分冷却液循环与暖风加热阶段相同，保证加热驾驶舱，提高乘坐舒适性；

在发动机处于部分负荷加热阶段时水路循环时，在部分负荷工况时，冷却液温度在105℃左右波动，此时冷却液温度以水温传感器7检测的水温为主要参考，水温传感器11用来监测气缸盖15最高水温，两个温度同时传送给发动机电控单元；此时多通路冷却液控制阀的回水口v1关闭，v2、v3部分开启，回水口v4采用pid控制，此时v2、v3、v4均未达到最大流通面积状态；冷却液新增加的回路为经过发动机主水泵1，进入正时链轮壳2和气缸体3，进入气缸体水套a排气侧，再到气缸盖水套b进气侧、燃烧室水套、气缸体水套a进气侧、气缸体出水口8、散热器16、通路冷却液控制阀的回水口v4，再回到发动机主水泵1；膨胀水箱的水路循环同样开启，即冷却液经过发动机主水泵1，进入正时链轮壳2和气缸体3，进入气缸体水套a排气侧，再到气缸盖水套b进气侧，气缸盖出水管9，膨胀水箱17，多通路冷却液控制阀的回水口v6，再回到发动机主水泵1；此工况冷却回路的目的是维持高水温，降低油耗；

在发动机处于高速大负荷和失效保护时水路循环时，在高速大负荷工况，冷却液温度控制在90℃左右，此时冷却液温度以水温传感器7为主，水温传感器11用来监测最高水温，两个温度同时传送给发动机电控单元；此时多通路冷却液控制阀的回水口v1关闭，v2、v3、v4全开，此时v2、v3、v4开口面积均达到最后；此阶段的水路循环与上面提到的暖风加热工况、润滑油加热工况、部分负荷工况的水路循环相同，区别在开启流量的大小，处于多通路冷却液控制阀处于全开工况，此时的目的是维持低水温，避免发动机过热；在多通路冷却液控制阀处于失效状态时，但还能转动没有卡滞的情况，即发动机水温超过最高值，此时多通路冷却液控制阀的回水口v1关闭，v2、v3、v4全开，此阶段的水路循环与高速大负荷工况相同，此时控制的目的是对发动机进行最大程度冷却，避免发动机损坏，同时发动机电控单元报故障码，同时对发动机限扭，并提醒驾驶员到维修站进行检测维修。

图2中c表示进气侧；d表示排气侧。图3中e表示销孔位置。图6中f表示开口面积；g表示转角。