本發(fā)明涉及發(fā)動機冷卻技術領域，尤其涉及一種發(fā)動機冷卻系統(tǒng)以及控制閥。

背景技術：

發(fā)動機在運行過程中會產(chǎn)生大量的燃燒熱量，因此通常都會通過冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機機體進行冷卻，保證發(fā)動機工作在合適的溫度范圍內。目前絕大多數(shù)汽車發(fā)動機采用水循環(huán)式冷卻系統(tǒng)。如圖1所示，該系統(tǒng)通常可以由機械水泵101、發(fā)動機水套102、節(jié)溫器103、散熱器104、機油冷卻器105、暖風加熱器106、廢棄再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)冷卻器107、膨脹水箱108及其他部件109，如增壓器的冷卻水套等組成。機械水泵101通常由發(fā)動機(圖中未示出)驅動，為系統(tǒng)提供循環(huán)流量，冷卻液經(jīng)過發(fā)動機水套102時帶走發(fā)動機產(chǎn)生的部分熱量，然后經(jīng)散熱器104將該熱量傳遞至外部環(huán)境，同時部分流量分流至機油冷卻器105、暖風加熱器106、EGR冷卻器107等，用于空調制熱及相關部件冷卻。

然而在實際應用中，隨著發(fā)動機轉速的變化，會導致流向冷卻系統(tǒng)各循環(huán)支路的流量也發(fā)生變化，如使循環(huán)支路的流量增加。這會導致流向散熱器的流量減小，從而降低整車的散熱性能。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例解決的問題是如何實現(xiàn)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)循環(huán)支路上的流量自適應分配控制。

為解決上述問題，本發(fā)明實施例提供一種發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，所述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的循環(huán)支路中包括控制閥，所述控制閥包括：

殼體；

閥座，為設置于所述殼體內的凸起結構，適于在所述控制閥內部形成小流量通道；

閥芯，所述閥芯部分穿過所述小流量通道，且所述閥芯與所述閥座彈性連接，適于在所述循環(huán)支路的流量增大時，縮小與所述閥座之間的間隙，以限制流過所述小流量通道的流量。

可選的，所述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的循環(huán)支路所需的流量隨發(fā)動機轉速變化的上升斜率小于所述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)分配的流量隨發(fā)動機轉速變化的上升斜率。

可選的，所述閥芯包括：

閥芯軸，所述閥芯軸穿過所述小流量通道；

底座，所述底座的截面積大于所述閥芯軸，適于支撐所述閥芯軸；所述底座與所述閥座彈性連接。

可選的，所述閥芯與所述閥座通過彈簧連接。

可選的，所述閥芯軸的結構為疊加的柱體和圓臺；所述柱體的下表面連接所述圓臺的上表面；所述圓臺的下表面與所述底座連接。

可選的，所述閥座朝向所述閥芯的一側設有與所述圓臺錐角角度相同的傾斜面。

可選的，所述控制閥的結構滿足如下的流體動力關系：

△p＝f(D1，D2，L1，L2，L3，α，Q_V)；

△p＝k×△x；

其中，△p為所述閥芯的閥芯軸與所述底座之間的壓差，D1為所述柱體底面積的寬度，D2為所述小流量通道的寬度，L1為所述小流量通道的長度，L2為所述柱體的長度，L3為所述閥芯軸的長度，Qv為控制閥的流量，k為所述彈簧的彈性系數(shù)，△x為閥芯位移；

所述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)冷卻液總流量及各循環(huán)支路所分配的流量滿足以下關系：

Q_S＝f(N，dp)；

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

其中，N為所述發(fā)動機的轉速，dp為所述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的總壓降，QS為所述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的總流量，Qi為所述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)第i循環(huán)支路所分配的流量。

為了解決上述的技術問題，本發(fā)明實施例還公開了一種控制閥，包括：

殼體；

閥座，為設置于所述殼體內的凸起結構，適于在所述控制閥內部形成小流量通道；

閥芯，所述閥芯部分穿過所述小流量通道，且所述閥芯與所述閥座彈性連接，適于在流量增大時，縮小與所述閥座之間的間隙，以限制流過所述小流量通道的流量。

可選的，所述閥芯包括：

閥芯軸，所述閥芯軸穿過所述小流量通道；

底座，所述底座的截面積大于所述閥芯軸，適于支撐所述閥芯軸；所述底座與所述閥座彈性連接。

可選的，所述閥芯與所述閥座通過彈簧連接。

可選的，所述閥芯軸的結構為疊加的柱體和圓臺；

所述柱體的下表面連接所述圓臺的上表面；

所述圓臺的下表面與所述底座連接。

可選的，所述閥座朝向所述閥芯的一側設有與所述圓臺錐角角度相同的傾斜面。

可選的，所述控制閥的結構滿足如下的流體動力關系：

△p＝f(D1，D2，L1，L2，L3，α，Q_V)；

△p＝k×△x；

其中，△p為所述閥芯的閥芯軸與所述底座之間的壓差，D1為所述柱體 底面積的寬度，D2為所述小流量通道的寬度，L1為所述小流量通道的長度，L2為所述柱體的長度，L3為所述閥芯軸的長度，Qv為控制閥的流量，k為所述彈簧的彈性系數(shù)，△x為閥芯位移。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明實施例的技術方案具有以下優(yōu)點：

通過在所述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)循環(huán)支路上的控制閥內設置凸起狀的閥座，使控制閥內部形成較控制閥殼體截面積更窄的小流量通道。由于閥芯和閥座之間為彈性連接，因此當冷卻系統(tǒng)的流量壓力增大時，閥芯和閥座之間的距離減小，使得所述流量控制閥內的流動阻力增大，進而使流量減小，實現(xiàn)了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)循環(huán)支路上的流量自適應調節(jié)和分配控制，提高了系統(tǒng)散熱性能，也降低了系統(tǒng)能耗。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術中一種發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2是現(xiàn)有技術中發(fā)動機冷卻系統(tǒng)循環(huán)支路上部件的流量需求與實際流量分配的對比示意圖；

圖3是本發(fā)明實施例的一種發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的控制閥的剖面結構示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例的一種發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的結構示意圖；

圖5是本發(fā)明實施例的另一種發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的控制閥的剖面結構示意圖；

圖6是圖5所示控制閥的三維結構示意圖。

具體實施方式

在現(xiàn)有的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中，由于水泵由發(fā)動機驅動，因此水泵流量將隨著發(fā)動機轉速的升高而單調增加，系統(tǒng)各部件的流量也隨著發(fā)動機轉速的升高而單調增加。但是某些部件并不需要發(fā)動機在高轉速下提供較高的流量，如暖風加熱器、EGR冷卻器等，其流量需求曲線與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)中實際分配的流量曲線對比如圖2所示。由圖2可見，采用傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)布置方式，會使部分部件在高轉速時產(chǎn)生過多不必要的流量分配。這會導致流向散熱器的分流流量減少，并且這些流量的熱量始終未散發(fā)，因而整車的散熱性能降低。 為了滿足發(fā)動機的散熱需求，勢必又需要增大水泵排量，從而導致發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的功率消耗增加，油耗增加，經(jīng)濟性變差。

為了解決所述問題，有些現(xiàn)有技術中采用獨立的電子水泵或在傳統(tǒng)機械水泵上并聯(lián)電子水泵，以實現(xiàn)對系統(tǒng)流量分配的控制。但是這種方法需要增加額外的電子水泵、傳感器、控制模塊、電路布置等，會使系統(tǒng)成本增加，且布置復雜，所以并不是一種很好的解決方法。

本發(fā)明實施例公開了一種發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，通過在所述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)循環(huán)支路上的控制閥內設置凸起狀的閥座，使控制閥內部形成較控制閥殼體截面積更窄的小流量通道。當流量壓力增大時，由于閥芯和閥座之間為彈性連接，因此當冷卻系統(tǒng)的流量壓力增大時，閥芯和閥座之間的間隙減小，使得所述流量控制閥內的流動阻力增大，進而使流量減小，實現(xiàn)了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)循環(huán)支路上的流量自適應調節(jié)和分配控制，提高了系統(tǒng)散熱性能，也降低了系統(tǒng)能耗。

為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細的說明。

本發(fā)明實施例提供了一種發(fā)動機冷卻系統(tǒng)。參照圖3，所述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的循環(huán)支路中包括控制閥2，所述控制閥2包括：殼體201、閥座202以及閥芯203。其中：閥座202，為設置于所述殼體201內的凸起結構，適于在所述控制閥2內部形成小流量通道；閥芯203，所述閥芯203部分穿過所述小流量通道，且所述閥芯203與所述閥座202彈性連接，適于在所述循環(huán)支路的流量增大時，縮小與所述閥座202之間的間隙，以限制流過所述小流量通道的流量。

在具體實施中，所述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中，并非所有的循環(huán)支路上都需要設置所述控制閥。如圖4所示，需要設置所述控制閥以對流量進行自適應限制的循環(huán)支路中包括那些并不需要在發(fā)動機高轉速下提供高流量的部件，如暖風加熱器406，或者EGR冷卻器407等部件。不需要設置所述控制閥的其他部件409的循環(huán)支路可以通過其他類型的控制閥412進行控制。

具體來說，參照圖2所示，需要設置所述控制閥的循環(huán)支路中的部件， 其所需流量與發(fā)動機轉速變化的關系如虛線所示，由圖2可見，其上升斜率小于如實線所示的所述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)分配的流量隨發(fā)動機轉速變化的上升斜率。請繼續(xù)參考圖3。所述閥座202為凸起結構，因此在所述控制閥2內部形成了一個較窄的小流通通道。其寬度D2小于殼體201的寬度D3。閥芯203的部分穿過所述小流量通道，且其穿過部分的寬度D1小于小流量通道的寬度D2，使所述閥芯203與所述小流量通道之間留有間隙，冷卻系統(tǒng)的液壓流量經(jīng)過該間隙通過所述控制閥2。

在具體實施中，所述閥芯203可以包括：閥芯軸2031，所述閥芯軸2031穿過所述小流量通道；底座2032，所述底座2032的截面積大于所述閥芯軸2031，適于支撐所述閥芯軸2031；所述底座2032與所述閥座202彈性連接。如圖3所示，所述底座2032的一面連接于所述閥芯軸2031，另一面朝向如箭頭方向所示的液壓流量的流動方向。所述閥芯軸2031和所述底座2032可以是一體成型的，以減少裝配誤差。

在具體實施中，所述閥芯203與所述閥座202可以是通過彈簧204連接。在實際應用中，所述閥芯203和所述閥座202也可以通過其他彈性元件，例如橡膠等，只要能夠實現(xiàn)所述閥芯203和所述閥座202之間的彈性連接即可。

當發(fā)動機轉速升高時，所述冷卻系統(tǒng)流向各循環(huán)支路的流量增加，因此而產(chǎn)生的流量壓力也隨之增大。由于流量的液壓壓力增大，導致閥芯203穿過所述小流量通道的部分與底座2032之間的壓差增大。受該壓差作用彈簧被壓縮。當閥芯203所受的彈簧力和閥芯203前后壓力差相平衡時，閥芯203保持穩(wěn)定。此時由于所述閥座202和所述閥芯203的間隙減小，使該循環(huán)支路上液壓流量的阻力增大，因此液壓流量減小，所述循環(huán)支路上與所述控制閥2串聯(lián)的受控部件所能夠獲得的流量也相應減小，從而實現(xiàn)了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)循環(huán)支路上的流量分配控制。

本發(fā)明實施例僅通過在支路中增加特殊結構的控制閥2這種局部改動來實現(xiàn)系統(tǒng)流量分配的自適應調節(jié)。系統(tǒng)不需要增加額外的控制回路或電路系統(tǒng)即可控制循環(huán)支路上的流量分配，結構簡單，布置方便。

本發(fā)明的另一實施例提供了另一種發(fā)動機冷卻系統(tǒng)。參照圖5和圖6，所 述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的循環(huán)支路中包括控制閥3，所述控制閥3包括：殼體301、閥座302以及閥芯303。其中：閥座302，為設置于所述殼體301內的凸起結構，適于在所述控制閥3內部形成小流量通道；閥芯303，所述閥芯303部分穿過所述小流量通道，且所述閥芯303與所述閥座302彈性連接，適于在所述循環(huán)支路的流量增大時，縮小與所述閥座302之間的間隙，以限制流過所述小流量通道的流量。

在具體實施中，由于控制閥3的阻力決定了相應支路的流量分配，因此為了能夠使所述控制閥3根據(jù)發(fā)動機轉速的變化，精確控制通過的液壓流量，從而滿足系統(tǒng)各循環(huán)支路上各部件實際的流量需求，以進一步提高系統(tǒng)的散熱效能，減少系統(tǒng)功耗，可以基于三維計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)的方法，通過特征參數(shù)的設計來達到控制流量的目的。

如圖5和圖6所示，所述閥芯軸的結構為疊加的柱體3031和圓臺3032，所述柱體3031的下表面連接所述圓臺3032的上表面，所述圓臺3032的下表面與所述底座3033連接，在所述閥座302朝向所述閥芯303的一側設置與所述圓臺3032錐角角度相同的傾斜面。其中，D1為所述柱體3031底面積的寬度，D2為所述小流量通道的寬度，L1為所述小流量通道的長度，L2為所述柱體3031的長度，L3為所述閥芯軸的長度，α為所述圓臺3032的錐角和所述傾斜面的角度，k為彈簧的彈性系數(shù)。

基于三維計算流體動力學的方法，閥芯303的閥芯軸與所述底座3033之間的壓差△p可表示為公式(1)：△p＝f(D1，D2，L1，L2，L3，α，Q_V)。

其中，Qv為通過控制閥3的流量。上述公式(1)可通過三維CFD方法，根據(jù)結構參數(shù)建立控制閥3閥體內部區(qū)域的流體模型，并設置邊界條件，從而計算得出相應設計參數(shù)和流量下的閥體前后壓差△p。

隨著發(fā)動機轉速的變化，由于流量壓力的變化，閥芯303的位置會產(chǎn)生變化。其穩(wěn)定后的位置取決于上述的閥體前后壓差△p和彈簧剛度k，具體可表示為公式(2)：△p＝k×△x。其中，△x為閥芯303位移將所述公式(1)和公式(2)聯(lián)立，即可建立特征參數(shù)D1、D2、L1、L2、L3、α以及k之間的對應關系。

如前所述，由于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的流量和發(fā)動機的轉速相關，因此控制閥3的流量分配也受發(fā)動機轉速的影響?？梢酝ㄟ^一維的CFD方法計算系統(tǒng)總流量及各支路流量分配。因此發(fā)動機冷卻系統(tǒng)冷卻液總流量及各循環(huán)支路所分配的流量可以表示為：

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為所述發(fā)動機的轉速，dp為檢測所得的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的總壓降，Q_S為所述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的總流量，Q_i為所述發(fā)動機冷卻系統(tǒng)第i循環(huán)支路所分配的流量。

本發(fā)明實施例通過一維CFD和三維CFD的分析方法得到上述公式，經(jīng)聯(lián)立求解(1)、(2)、(3)以及(4)式，即可建立特征參數(shù)(D1、D2、L1、L2、L3、α、k)與通過控制閥3的流量Qv及發(fā)動機轉速N之間的關系。通過將Qv設置為循環(huán)支路的需求流量，并對特征參數(shù)進行優(yōu)化設計，最終可以達到部件所期望的流量分配結果。

本發(fā)明實施例通過采用CFD手段對設計效果進行模擬驗證，首先利用三維CFD的方法模擬閥芯303處于不同位置時的阻力特性，然后將該特性的帶入冷卻系統(tǒng)的一維模型中，計算系統(tǒng)流量分配隨發(fā)動機轉速的變化情況，得出控制閥3結構參數(shù)的最優(yōu)設置，從而實現(xiàn)對各循環(huán)支路上通過流量精確的自適應控制，滿足循環(huán)支路上各部件的實際流量需求。

例如，在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)優(yōu)化中，假定要求EGR冷卻器水側流量在發(fā)動機轉速為2000r/min時達到15L/min。若采用現(xiàn)有的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，其在發(fā)動機轉速為6000r/min時流量將達到52L/min，嚴重減少了散熱器的流量分配。而采用本發(fā)明實施例的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，在加入控制閥3后，發(fā)動機轉速為6000r/min時的流量可控制在20L/min，既滿足了EGR的冷卻需求，避免了分流流量過多超出EGR冷卻器的實際需要而造成的浪費，又保證了散熱器具有充足的流量分配，因此不需要加大水泵的排量，節(jié)省了冷卻系統(tǒng)總的流量消耗，從而降低了冷卻系統(tǒng)功率消耗。

本發(fā)明實施例還公開了一種控制閥，其中包括：殼體；閥座，為設置于 所述殼體內的凸起結構，適于在所述控制閥內部形成小流量通道；閥芯，所述閥芯與所述閥座彈性連接，且所述閥芯部分穿過所述小流量通道。

在具體實施中，所述閥芯可以包括：閥芯軸，所述閥芯軸穿過所述小流量通道；底座，所述底座的截面積大于所述閥芯軸，適于支撐所述閥芯軸；所述底座與所述閥座彈性連接。

在具體實施中，所述閥芯與所述閥座通過彈簧連接。

在具體實施中，所述閥芯軸的結構為疊加的柱體和圓臺；所述柱體的下表面連接所述圓臺的上表面；所述圓臺的下表面與所述底座連接。

在具體實施中，所述閥座朝向所述閥芯的一側設有與所述圓臺錐角角度相同的傾斜面。

在具體實施中，所述控制閥的結構滿足如下的流體動力關系：△p＝f(D1，D2，L1，L2，L3，α，Q_V)；△p＝k×△x；其中，△p為所述閥芯的閥芯軸與所述底座之間的壓差，D1為所述柱體底面積的寬度，D2為所述小流量通道的寬度，L1為所述小流量通道的長度，L2為所述柱體的長度，L3為所述閥芯軸的長度，Qv為控制閥的流量，k為所述彈簧的彈性系數(shù)，△x為閥芯位移。

雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。