CN106150655A - 发动机冷却系统以及控制阀 - Google Patents

Abstract

一种发动机冷却系统及控制阀，其中，所述发动机冷却系统的循环支路中包括控制阀，所述控制阀包括：壳体；阀座，为设置于所述壳体内的凸起结构，适于在所述控制阀内部形成小流量通道；阀芯，所述阀芯与所述阀座弹性连接，且所述阀芯部分穿过所述小流量通道。通过所述发动机冷却系统及控制阀，可以实现发动机冷却系统循环支路上的流量自适应分配控制。

Description

发动机冷却系统以及控制阀

技术领域

本发明涉及发动机冷却技术领域，尤其涉及一种发动机冷却系统以及控制阀。

背景技术

发动机在运行过程中会产生大量的燃烧热量，因此通常都会通过冷却系统对发动机机体进行冷却，保证发动机工作在合适的温度范围内。目前绝大多数汽车发动机采用水循环式冷却系统。如图1所示，该系统通常可以由机械水泵101、发动机水套102、节温器103、散热器104、机油冷却器105、暖风加热器106、废弃再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)冷却器107、膨胀水箱108及其他部件109，如增压器的冷却水套等组成。机械水泵101通常由发动机(图中未示出)驱动，为系统提供循环流量，冷却液经过发动机水套102时带走发动机产生的部分热量，然后经散热器104将该热量传递至外部环境，同时部分流量分流至机油冷却器105、暖风加热器106、EGR冷却器107等，用于空调制热及相关部件冷却。

然而在实际应用中，随着发动机转速的变化，会导致流向冷却系统各循环支路的流量也发生变化，如使循环支路的流量增加。这会导致流向散热器的流量减小，从而降低整车的散热性能。

发明内容

本发明实施例解决的问题是如何实现发动机冷却系统循环支路上的流量自适应分配控制。

为解决上述问题，本发明实施例提供一种发动机冷却系统，所述发动机冷却系统的循环支路中包括控制阀，所述控制阀包括：

壳体；

阀座，为设置于所述壳体内的凸起结构，适于在所述控制阀内部形成小流量通道；

阀芯，所述阀芯部分穿过所述小流量通道，且所述阀芯与所述阀座弹性连接，适于在所述循环支路的流量增大时，缩小与所述阀座之间的间隙，以限制流过所述小流量通道的流量。

可选的，所述发动机冷却系统的循环支路所需的流量随发动机转速变化的上升斜率小于所述发动机冷却系统分配的流量随发动机转速变化的上升斜率。

可选的，所述阀芯包括：

阀芯轴，所述阀芯轴穿过所述小流量通道；

底座，所述底座的截面积大于所述阀芯轴，适于支撑所述阀芯轴；所述底座与所述阀座弹性连接。

可选的，所述阀芯与所述阀座通过弹簧连接。

可选的，所述阀芯轴的结构为叠加的柱体和圆台；所述柱体的下表面连接所述圆台的上表面；所述圆台的下表面与所述底座连接。

可选的，所述阀座朝向所述阀芯的一侧设有与所述圆台锥角角度相同的倾斜面。

可选的，所述控制阀的结构满足如下的流体动力关系：

△p＝f(D1，D2，L1，L2，L3，α，Q_V)；

△p＝k×△x；

其中，△p为所述阀芯的阀芯轴与所述底座之间的压差，D1为所述柱体底面积的宽度，D2为所述小流量通道的宽度，L1为所述小流量通道的长度，L2为所述柱体的长度，L3为所述阀芯轴的长度，Qv为控制阀的流量，k为所述弹簧的弹性系数，△x为阀芯位移；

所述发动机冷却系统冷却液总流量及各循环支路所分配的流量满足以下关系：

Q_S＝f(N，dp)；

$Q_S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i;$

其中，N为所述发动机的转速，dp为所述发动机冷却系统的总压降，QS为所述发动机冷却系统的总流量，Qi为所述发动机冷却系统第i循环支路所分配的流量。

为了解决上述的技术问题，本发明实施例还公开了一种控制阀，包括：

壳体；

阀座，为设置于所述壳体内的凸起结构，适于在所述控制阀内部形成小流量通道；

阀芯，所述阀芯部分穿过所述小流量通道，且所述阀芯与所述阀座弹性连接，适于在流量增大时，缩小与所述阀座之间的间隙，以限制流过所述小流量通道的流量。

可选的，所述阀芯包括：

阀芯轴，所述阀芯轴穿过所述小流量通道；

底座，所述底座的截面积大于所述阀芯轴，适于支撑所述阀芯轴；所述底座与所述阀座弹性连接。

可选的，所述阀芯与所述阀座通过弹簧连接。

可选的，所述阀芯轴的结构为叠加的柱体和圆台；

所述柱体的下表面连接所述圆台的上表面；

所述圆台的下表面与所述底座连接。

可选的，所述阀座朝向所述阀芯的一侧设有与所述圆台锥角角度相同的倾斜面。

可选的，所述控制阀的结构满足如下的流体动力关系：

△p＝f(D1，D2，L1，L2，L3，α，Q_V)；

△p＝k×△x；

其中，△p为所述阀芯的阀芯轴与所述底座之间的压差，D1为所述柱体底面积的宽度，D2为所述小流量通道的宽度，L1为所述小流量通道的长度，L2为所述柱体的长度，L3为所述阀芯轴的长度，Qv为控制阀的流量，k为所述弹簧的弹性系数，△x为阀芯位移。

与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：

通过在所述发动机冷却系统循环支路上的控制阀内设置凸起状的阀座，使控制阀内部形成较控制阀壳体截面积更窄的小流量通道。由于阀芯和阀座之间为弹性连接，因此当冷却系统的流量压力增大时，阀芯和阀座之间的距离减小，使得所述流量控制阀内的流动阻力增大，进而使流量减小，实现了发动机冷却系统循环支路上的流量自适应调节和分配控制，提高了系统散热性能，也降低了系统能耗。

附图说明

图1是现有技术中一种发动机冷却系统的结构示意图；

图2是现有技术中发动机冷却系统循环支路上部件的流量需求与实际流量分配的对比示意图；

图3是本发明实施例的一种发动机冷却系统的控制阀的剖面结构示意图；

图4是本发明实施例的一种发动机冷却系统的结构示意图；

图5是本发明实施例的另一种发动机冷却系统的控制阀的剖面结构示意图；

图6是图5所示控制阀的三维结构示意图。

具体实施方式

在现有的发动机冷却系统中，由于水泵由发动机驱动，因此水泵流量将随着发动机转速的升高而单调增加，系统各部件的流量也随着发动机转速的升高而单调增加。但是某些部件并不需要发动机在高转速下提供较高的流量，如暖风加热器、EGR冷却器等，其流量需求曲线与传统冷却系统中实际分配的流量曲线对比如图2所示。由图2可见，采用传统的冷却系统布置方式，会使部分部件在高转速时产生过多不必要的流量分配。这会导致流向散热器的分流流量减少，并且这些流量的热量始终未散发，因而整车的散热性能降低。为了满足发动机的散热需求，势必又需要增大水泵排量，从而导致发动机冷却系统的功率消耗增加，油耗增加，经济性变差。

为了解决所述问题，有些现有技术中采用独立的电子水泵或在传统机械水泵上并联电子水泵，以实现对系统流量分配的控制。但是这种方法需要增加额外的电子水泵、传感器、控制模块、电路布置等，会使系统成本增加，且布置复杂，所以并不是一种很好的解决方法。

本发明实施例公开了一种发动机冷却系统，通过在所述发动机冷却系统循环支路上的控制阀内设置凸起状的阀座，使控制阀内部形成较控制阀壳体截面积更窄的小流量通道。当流量压力增大时，由于阀芯和阀座之间为弹性连接，因此当冷却系统的流量压力增大时，阀芯和阀座之间的间隙减小，使得所述流量控制阀内的流动阻力增大，进而使流量减小，实现了发动机冷却系统循环支路上的流量自适应调节和分配控制，提高了系统散热性能，也降低了系统能耗。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供了一种发动机冷却系统。参照图3，所述发动机冷却系统的循环支路中包括控制阀2，所述控制阀2包括：壳体201、阀座202以及阀芯203。其中：阀座202，为设置于所述壳体201内的凸起结构，适于在所述控制阀2内部形成小流量通道；阀芯203，所述阀芯203部分穿过所述小流量通道，且所述阀芯203与所述阀座202弹性连接，适于在所述循环支路的流量增大时，缩小与所述阀座202之间的间隙，以限制流过所述小流量通道的流量。

在具体实施中，所述发动机冷却系统中，并非所有的循环支路上都需要设置所述控制阀。如图4所示，需要设置所述控制阀以对流量进行自适应限制的循环支路中包括那些并不需要在发动机高转速下提供高流量的部件，如暖风加热器406，或者EGR冷却器407等部件。不需要设置所述控制阀的其他部件409的循环支路可以通过其他类型的控制阀412进行控制。

具体来说，参照图2所示，需要设置所述控制阀的循环支路中的部件，其所需流量与发动机转速变化的关系如虚线所示，由图2可见，其上升斜率小于如实线所示的所述发动机冷却系统分配的流量随发动机转速变化的上升斜率。请继续参考图3。所述阀座202为凸起结构，因此在所述控制阀2内部形成了一个较窄的小流通通道。其宽度D2小于壳体201的宽度D3。阀芯203的部分穿过所述小流量通道，且其穿过部分的宽度D1小于小流量通道的宽度D2，使所述阀芯203与所述小流量通道之间留有间隙，冷却系统的液压流量经过该间隙通过所述控制阀2。

在具体实施中，所述阀芯203可以包括：阀芯轴2031，所述阀芯轴2031穿过所述小流量通道；底座2032，所述底座2032的截面积大于所述阀芯轴2031，适于支撑所述阀芯轴2031；所述底座2032与所述阀座202弹性连接。如图3所示，所述底座2032的一面连接于所述阀芯轴2031，另一面朝向如箭头方向所示的液压流量的流动方向。所述阀芯轴2031和所述底座2032可以是一体成型的，以减少装配误差。

在具体实施中，所述阀芯203与所述阀座202可以是通过弹簧204连接。在实际应用中，所述阀芯203和所述阀座202也可以通过其他弹性元件，例如橡胶等，只要能够实现所述阀芯203和所述阀座202之间的弹性连接即可。

当发动机转速升高时，所述冷却系统流向各循环支路的流量增加，因此而产生的流量压力也随之增大。由于流量的液压压力增大，导致阀芯203穿过所述小流量通道的部分与底座2032之间的压差增大。受该压差作用弹簧被压缩。当阀芯203所受的弹簧力和阀芯203前后压力差相平衡时，阀芯203保持稳定。此时由于所述阀座202和所述阀芯203的间隙减小，使该循环支路上液压流量的阻力增大，因此液压流量减小，所述循环支路上与所述控制阀2串联的受控部件所能够获得的流量也相应减小，从而实现了发动机冷却系统循环支路上的流量分配控制。

本发明实施例仅通过在支路中增加特殊结构的控制阀2这种局部改动来实现系统流量分配的自适应调节。系统不需要增加额外的控制回路或电路系统即可控制循环支路上的流量分配，结构简单，布置方便。

本发明的另一实施例提供了另一种发动机冷却系统。参照图5和图6，所述发动机冷却系统的循环支路中包括控制阀3，所述控制阀3包括：壳体301、阀座302以及阀芯303。其中：阀座302，为设置于所述壳体301内的凸起结构，适于在所述控制阀3内部形成小流量通道；阀芯303，所述阀芯303部分穿过所述小流量通道，且所述阀芯303与所述阀座302弹性连接，适于在所述循环支路的流量增大时，缩小与所述阀座302之间的间隙，以限制流过所述小流量通道的流量。

在具体实施中，由于控制阀3的阻力决定了相应支路的流量分配，因此为了能够使所述控制阀3根据发动机转速的变化，精确控制通过的液压流量，从而满足系统各循环支路上各部件实际的流量需求，以进一步提高系统的散热效能，减少系统功耗，可以基于三维计算流体动力学(Computational FluidDynamics，CFD)的方法，通过特征参数的设计来达到控制流量的目的。

如图5和图6所示，所述阀芯轴的结构为叠加的柱体3031和圆台3032，所述柱体3031的下表面连接所述圆台3032的上表面，所述圆台3032的下表面与所述底座3033连接，在所述阀座302朝向所述阀芯303的一侧设置与所述圆台3032锥角角度相同的倾斜面。其中，D1为所述柱体3031底面积的宽度，D2为所述小流量通道的宽度，L1为所述小流量通道的长度，L2为所述柱体3031的长度，L3为所述阀芯轴的长度，α为所述圆台3032的锥角和所述倾斜面的角度，k为弹簧的弹性系数。

基于三维计算流体动力学的方法，阀芯303的阀芯轴与所述底座3033之间的压差△p可表示为公式(1)：△p＝f(D1，D2，L1，L2，L3，α，Q_V)。

其中，Qv为通过控制阀3的流量。上述公式(1)可通过三维CFD方法，根据结构参数建立控制阀3阀体内部区域的流体模型，并设置边界条件，从而计算得出相应设计参数和流量下的阀体前后压差△p。

随着发动机转速的变化，由于流量压力的变化，阀芯303的位置会产生变化。其稳定后的位置取决于上述的阀体前后压差△p和弹簧刚度k，具体可表示为公式(2)：△p＝k×△x。其中，△x为阀芯303位移将所述公式(1)和公式(2)联立，即可建立特征参数D1、D2、L1、L2、L3、α以及k之间的对应关系。

如前所述，由于发动机冷却系统的流量和发动机的转速相关，因此控制阀3的流量分配也受发动机转速的影响。可以通过一维的CFD方法计算系统总流量及各支路流量分配。因此发动机冷却系统冷却液总流量及各循环支路所分配的流量可以表示为：

公式(3)：Q_S＝f(N，dp)；

公式(4)： $Q_S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i;$

其中，N为所述发动机的转速，dp为检测所得的发动机冷却系统的总压降，Q_S为所述发动机冷却系统的总流量，Q_i为所述发动机冷却系统第i循环支路所分配的流量。

本发明实施例通过一维CFD和三维CFD的分析方法得到上述公式，经联立求解(1)、(2)、(3)以及(4)式，即可建立特征参数(D1、D2、L1、L2、L3、α、k)与通过控制阀3的流量Qv及发动机转速N之间的关系。通过将Qv设置为循环支路的需求流量，并对特征参数进行优化设计，最终可以达到部件所期望的流量分配结果。

本发明实施例通过采用CFD手段对设计效果进行模拟验证，首先利用三维CFD的方法模拟阀芯303处于不同位置时的阻力特性，然后将该特性的带入冷却系统的一维模型中，计算系统流量分配随发动机转速的变化情况，得出控制阀3结构参数的最优设置，从而实现对各循环支路上通过流量精确的自适应控制，满足循环支路上各部件的实际流量需求。

例如，在发动机冷却系统优化中，假定要求EGR冷却器水侧流量在发动机转速为2000r/min时达到15L/min。若采用现有的发动机冷却系统，其在发动机转速为6000r/min时流量将达到52L/min，严重减少了散热器的流量分配。而采用本发明实施例的发动机冷却系统，在加入控制阀3后，发动机转速为6000r/min时的流量可控制在20L/min，既满足了EGR的冷却需求，避免了分流流量过多超出EGR冷却器的实际需要而造成的浪费，又保证了散热器具有充足的流量分配，因此不需要加大水泵的排量，节省了冷却系统总的流量消耗，从而降低了冷却系统功率消耗。

本发明实施例还公开了一种控制阀，其中包括：壳体；阀座，为设置于所述壳体内的凸起结构，适于在所述控制阀内部形成小流量通道；阀芯，所述阀芯与所述阀座弹性连接，且所述阀芯部分穿过所述小流量通道。

在具体实施中，所述阀芯可以包括：阀芯轴，所述阀芯轴穿过所述小流量通道；底座，所述底座的截面积大于所述阀芯轴，适于支撑所述阀芯轴；所述底座与所述阀座弹性连接。

在具体实施中，所述阀芯与所述阀座通过弹簧连接。

在具体实施中，所述阀芯轴的结构为叠加的柱体和圆台；所述柱体的下表面连接所述圆台的上表面；所述圆台的下表面与所述底座连接。

在具体实施中，所述阀座朝向所述阀芯的一侧设有与所述圆台锥角角度相同的倾斜面。

在具体实施中，所述控制阀的结构满足如下的流体动力关系：△p＝f(D1，D2，L1，L2，L3，α，Q_V)；△p＝k×△x；其中，△p为所述阀芯的阀芯轴与所述底座之间的压差，D1为所述柱体底面积的宽度，D2为所述小流量通道的宽度，L1为所述小流量通道的长度，L2为所述柱体的长度，L3为所述阀芯轴的长度，Qv为控制阀的流量，k为所述弹簧的弹性系数，△x为阀芯位移。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (13)

1.一种发动机冷却系统，其特征在于，所述发动机冷却系统的循环支路中包括控制阀，所述控制阀包括：

壳体；

阀座，为设置于所述壳体内的凸起结构，适于在所述控制阀内部形成小流量通道；

阀芯，所述阀芯部分穿过所述小流量通道，且所述阀芯与所述阀座弹性连接，适于在所述循环支路的流量增大时，缩小与所述阀座之间的间隙，以限制流过所述小流量通道的流量。

2.如权利要求1所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述发动机冷却系统的循环支路所需的流量随发动机转速变化的上升斜率小于所述发动机冷却系统分配的流量随发动机转速变化的上升斜率。

3.如权利要求1所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述阀芯包括：

阀芯轴，所述阀芯轴穿过所述小流量通道；

底座，所述底座的截面积大于所述阀芯轴，适于支撑所述阀芯轴；所述底座与所述阀座弹性连接。

4.如权利要求1或3所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述阀芯与所述阀座通过弹簧连接。

5.如权利要求1所述的发动机冷却系统，其特征在于，

所述阀芯轴的结构为叠加的柱体和圆台；

所述柱体的下表面连接所述圆台的上表面；

所述圆台的下表面与所述底座连接。

6.如权利要求5所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述阀座朝向所述阀芯的一侧设有与所述圆台锥角角度相同的倾斜面。

7.如权利要求5所述的发动机冷却系统，其特征在于，所述控制阀的结构满足如下的流体动力关系：

△p＝f(D1，D2，L1，L2，L3，α，Q_V)；

△p＝k×△x；

其中，△p为所述阀芯的阀芯轴与所述底座之间的压差，D1为所述柱体底面积的宽度，D2为所述小流量通道的宽度，L1为所述小流量通道的长度，L2为所述柱体的长度，L3为所述阀芯轴的长度，Qv为控制阀的流量，k为所述弹簧的弹性系数，△x为阀芯位移；

所述发动机冷却系统冷却液总流量及各循环支路所分配的流量满足以下关系：

Q_S＝f(N，dp)；

$Q_S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i;$

其中，N为所述发动机的转速，dp为所述发动机冷却系统的总压降，Q_S为所述发动机冷却系统的总流量，Q_i为所述发动机冷却系统第i循环支路所分配的流量。

8.一种控制阀，其特征在于，包括：

壳体；

阀座，为设置于所述壳体内的凸起结构，适于在所述控制阀内部形成小流量通道；

阀芯，所述阀芯部分穿过所述小流量通道，且所述阀芯与所述阀座弹性连接，适于在流量增大时，缩小与所述阀座之间的间隙，以限制流过所述小流量通道的流量。

9.如权利要求8所述的控制阀，其特征在于，所述阀芯包括：

阀芯轴，所述阀芯轴穿过所述小流量通道；

底座，所述底座的截面积大于所述阀芯轴，适于支撑所述阀芯轴；所述底座与所述阀座弹性连接。

10.如权利要求8或9所述的控制阀，其特征在于，所述阀芯与所述阀座通过弹簧连接。

11.如权利要求8所述的控制阀，其特征在于，

所述阀芯轴的结构为叠加的柱体和圆台；

所述柱体的下表面连接所述圆台的上表面；

所述圆台的下表面与所述底座连接。

12.如权利要求11所述的控制阀，其特征在于，所述阀座朝向所述阀芯的一侧设有与所述圆台锥角角度相同的倾斜面。

13.如权利要求11所述的控制阀，其特征在于，所述控制阀的结构满足如下的流体动力关系：

△p＝f(D1，D2，L1，L2，L3，α，Q_V)；

△p＝k×△x；

其中，△p为所述阀芯的阀芯轴与所述底座之间的压差，D1为所述柱体底面积的宽度，D2为所述小流量通道的宽度，L1为所述小流量通道的长度，L2为所述柱体的长度，L3为所述阀芯轴的长度，Qv为控制阀的流量，k为所述弹簧的弹性系数，△x为阀芯位移。