淺論現(xiàn)代汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)發(fā)展特點

楊明舉

摘 要：文章介紹了現(xiàn)代汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計特點，并對當前各種冷卻系統(tǒng)發(fā)展模式進行了對比分析，提出結(jié)合不同冷卻模式優(yōu)點，全面提升發(fā)動機冷卻系統(tǒng)功效的建議。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機；冷卻系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)特點

隨著科技水平的不斷提高，汽車設(shè)計與制造技術(shù)也在不斷發(fā)展前進。與過去相比，現(xiàn)在的汽車功能更加富于多樣性、馬力更加強勁、結(jié)構(gòu)更加復雜緊湊。汽車設(shè)計與制造的巨大變化，在滿足人們?nèi)找嬖鲩L的使用需求之外，也帶來了一些問題。功率越強大，發(fā)動機產(chǎn)生的廢熱也就越多。這給汽車散熱性能提出了更高的要求。在汽車某些重要的部位，散熱問題是個必須加以重視的問題，比如排氣門這樣的部位，即使冷卻系統(tǒng)發(fā)生微小的故障都有可能引發(fā)巨大的災難。由于發(fā)動機散發(fā)的熱量和運行功率成正比，所以冷卻系統(tǒng)要以滿足發(fā)動機最大功率為要求進行設(shè)計與制造。如此一來才能滿足汽車以最大功率行駛時的散熱冷卻要求。但這樣會導致汽車以部分功率行駛時冷卻系統(tǒng)發(fā)生功率損失。具體而言就是冷卻液的實際流量超過散熱所需的流量。另外，結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)良的冷卻系統(tǒng)能夠有效降低汽車冷啟動時間。在冷啟動狀態(tài)下，汽車油耗較大，排放的污染物較多?？梢哉f，冷卻系統(tǒng)性能水平的高低對于汽車發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性、加速性、可靠性以及使用壽命都有著顯著的影響。

1 現(xiàn)代發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計重點

傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)只是單純?yōu)榘l(fā)動機提供降溫冷卻服務(wù)，保障發(fā)動機始終處于正常的工作溫度范圍內(nèi)?，F(xiàn)代發(fā)動機在此基礎(chǔ)之上，更增添了改善燃料經(jīng)濟性和減少排放污染的功能?；谶@個原因，在現(xiàn)代發(fā)動機設(shè)計和制造過程中要注意考慮以下幾個方面：發(fā)動機內(nèi)部的摩擦損失；冷卻系統(tǒng)水泵的功率；燃燒邊界條件，如燃燒室溫度、充量密度、充量溫度等。其關(guān)鍵是冷卻液溫度的設(shè)定與控制。

2 溫度設(shè)定點

傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的冷卻溫度是根據(jù)發(fā)動機最大功率時的狀態(tài)進行設(shè)置，以保障充份的冷卻散熱效能。這樣會導致發(fā)動機非滿負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的汽車油耗和廢氣排放增加，影響經(jīng)濟性能和環(huán)保效益。現(xiàn)代發(fā)動機可以通過調(diào)整冷卻液溫度設(shè)定點來改善發(fā)動機和冷卻系統(tǒng)在部分負荷時的性能。由于為保障冷卻系統(tǒng)的冷卻效果及時、準確、可靠，冷卻系統(tǒng)以金屬溫度為依據(jù)進行調(diào)控。而發(fā)動機工作溫度的最大值又取決于排氣門周圍區(qū)域最高溫度，所以可根據(jù)排氣門周圍區(qū)域溫度極限值調(diào)整冷卻液或金屬溫度設(shè)定點。升高或降低溫度點后果影響各不不同，具體采用哪種方式要根據(jù)設(shè)計目的來決定。

2.1 提高溫度設(shè)定點

提高工作溫度設(shè)定點是最常見的一種方法。對于降低發(fā)動機損耗和廢氣排放以及提高冷卻系統(tǒng)效果有著直接影響。提高工作溫度使得發(fā)動機機油溫度上升，從而降低發(fā)動機摩擦磨損和燃油消耗。實驗證明，冷卻液排出溫度提高到150℃，氣缸溫度就會達到195℃，油耗下降4%到6%。如果冷卻液溫度處于90到115℃之間，發(fā)動機機油的最高溫度會達到140℃，非滿負荷狀態(tài)下的油耗下降10%。同時，提高工作溫度有助于提升冷卻系統(tǒng)工作效率。提高冷卻液或金屬溫度有利于發(fā)動機更好地散熱，從而可以降低冷卻液的流速，減小水泵的額定功率，最終達到減小發(fā)動機的功耗的目的。

2.2 降低溫度設(shè)定點

降低冷卻系統(tǒng)的工作溫度能夠有效加強發(fā)動機充氣性能，降低進氣溫度，從而對燃燒過程、燃油效率和廢氣排放產(chǎn)生積極影響。降低溫度設(shè)定點可以降低發(fā)動機損耗，延長零件使用壽命。實驗證明，氣缸蓋溫度降低到50℃，可保證在不發(fā)生爆震的前提下點火提前角提前3℃A，充氣效率上升2%，有助于更好的設(shè)置壓縮比和相關(guān)參數(shù)，提高燃油效率，降低尾氣排放。

3 現(xiàn)代冷卻系統(tǒng)發(fā)展方向

3.1 精確冷卻系統(tǒng)

精確冷卻的特性主要體現(xiàn)在冷卻水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計與冷卻液流速的設(shè)計中。通過對不同部位的精確設(shè)計，產(chǎn)生不同的冷卻液流速，從而提高冷卻效果。一般通過減小冷卻液通道的橫截面，提高流速，減少流量來實現(xiàn)。冷卻水套和水泵規(guī)格型號的選擇是精確冷卻系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵，要以保證低速大負荷狀態(tài)下關(guān)鍵區(qū)域工作溫度要求為標準。根據(jù)負荷不同，發(fā)動機冷卻液流速從每秒1米到每秒5米，波動范圍較大。所以在選擇水套和設(shè)計冷卻系統(tǒng)時要從統(tǒng)籌全局，發(fā)揮最大效能。實驗證明，精確冷卻系統(tǒng)能夠在全發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)使冷卻液流量可下降40%。對氣缸蓋上冷卻水套的精確設(shè)計，可使普通冷卻道流速提高186%，氣缸蓋傳熱性得以大幅提高，氣缸蓋金屬溫度降低到60℃。

3.2 分流式冷卻系統(tǒng)

在分流式冷卻系統(tǒng)中，氣缸蓋和氣缸體各自擁有獨立的冷卻回路，氣缸蓋和氣缸體工作溫度互不影響，使得發(fā)動機各部位都能夠在各自的最佳工作溫度下工作。冷卻系統(tǒng)的整體效率達到最大。各個冷卻回路根據(jù)自身技術(shù)要求進行獨立工作，使得發(fā)動機溫度分布趨于理想狀態(tài)。所謂理想的發(fā)動機熱工作狀態(tài)是氣缸蓋溫度較低而氣缸體溫度相對較高。氣缸蓋溫度較低可提高充氣效率，增大進氣量，進而促進完全燃燒，增加輸出，減少一氧化碳、碳氫化合物和氧化氮的排放。氣缸體溫度較高會增大潤滑，提高燃油效率，降低缸內(nèi)壓力和溫度的極限值。實驗證明，使用分流式冷卻系統(tǒng)缸蓋和缸體溫度可相差100℃。在氣缸溫度150℃情況下，缸蓋溫度可降低50℃。整體油耗降低4%到6%，非滿負荷狀態(tài)下碳氫化合物減少20%到35%。節(jié)氣門全開狀態(tài)下，缸蓋和缸體溫度可設(shè)定為50℃和90℃，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。

3.3 可控式發(fā)動機冷卻系統(tǒng)

傳統(tǒng)的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)是以滿足發(fā)動機滿負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的冷卻要求而設(shè)計的。這樣一來，在非滿負荷狀態(tài)下冷卻能力就會超出實際需求，造成發(fā)動機功率浪費。對主要在市區(qū)內(nèi)行駛的輕型車來說，這種情況尤其明顯。市區(qū)內(nèi)行車多數(shù)情況下都是非滿負荷行駛，冷卻系統(tǒng)長時間處于高損耗狀態(tài)，造成能源浪費。另外，在特殊情況下，發(fā)動機散熱會超出正常范圍，達到一個極高的峰值，為保障這種情況下的散熱需要，傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)往往體積較大，導致冷卻效率降低，增大了冷卻系統(tǒng)的功率需求，延長了發(fā)動機暖機時間?？煽厥桨l(fā)動機冷卻系統(tǒng)能夠妥善解決上述兩個問題，它采用與傳統(tǒng)被動式冷卻系統(tǒng)截然相反的工作機制，能夠根據(jù)當前冷卻需要調(diào)整冷卻功率?？煽厥桨l(fā)動機冷卻系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行器和電控模塊組成。傳感器將目標溫度信號發(fā)送給電控模塊，模塊根據(jù)設(shè)定參數(shù)將信號發(fā)送至執(zhí)行器，從而實現(xiàn)冷卻量的調(diào)整。實驗證明，使用可控式冷卻系統(tǒng)，可以節(jié)省燃油2%到5%，減少一氧化碳排放20%，碳氫化合物排放10%?？煽厥嚼鋮s系統(tǒng)具有較快的響應能力，可將冷卻溫度保持在設(shè)定點的±2℃范圍，不僅可以有效減少發(fā)動機暖機時間，還可以長時間保障冷卻系統(tǒng)處于極限工作水平，縮小發(fā)動機冷卻溫度和金屬溫度的波動范圍，減少循環(huán)熱負荷造成的金屬疲勞，延長部件壽命。

4 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)代先進發(fā)動機冷卻系統(tǒng)能夠有效改進冷卻效率，降低能耗，減少廢氣排放?，F(xiàn)代冷卻系統(tǒng)的最大優(yōu)勢與特點就是實現(xiàn)了可控性，能夠?qū)υ诎l(fā)動機結(jié)構(gòu)保護工作中起到重要作用的技術(shù)參數(shù)，比如金屬溫度、冷卻液溫度和機油溫度等實現(xiàn)調(diào)控，從而保證發(fā)動機始終處于安全工作狀態(tài)。能夠根據(jù)工作的不同需要及時采取不同能效水平，在保障發(fā)動機整體性能的前提下，最大程度地節(jié)省燃料、降低排放。從設(shè)計和使用性能角度看，分流式冷卻與精密冷卻功能上形成互補，結(jié)合使用效果更加理想。該結(jié)構(gòu)使冷卻液直達關(guān)鍵散熱部件，降低溫度峰值，整體溫度分布趨向平緩，使得發(fā)動機保護能力、燃油經(jīng)濟性和排放性等多種指標同時達到理想狀態(tài)。

參考文獻

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