基于熱管理的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失控制技術(shù)探討

嚴(yán)希清（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州350007）

基于熱管理的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失控制技術(shù)探討

嚴(yán)希清
（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州350007）

合適的發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)揮最大的工作效率。發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度過(guò)低將導(dǎo)致燃油消耗量上升、燃油不能充分燃燒、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件磨損加大等危害。本文根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理的理念，對(duì)節(jié)溫器、前格柵進(jìn)風(fēng)口的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)等造成熱損失的原因、危害，以及如何減少熱損失等進(jìn)行論述。

發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理節(jié)溫器進(jìn)氣格柵汽車(chē)節(jié)油

1 引言

在大力提倡低碳環(huán)保、節(jié)能減排的大背景下，隨著汽車(chē)保有量的不斷上升，油價(jià)也在不斷地攀升，廣大車(chē)主除了期盼油價(jià)下降之外，節(jié)油技術(shù)也成了關(guān)注的焦點(diǎn)。如何在節(jié)約有限的天然資源的同時(shí)，進(jìn)一步提高汽油內(nèi)燃機(jī)效率，降低碳排放等技術(shù)成為人們熱衷研究與開(kāi)發(fā)的課題。汽車(chē)熱管理是在能源危機(jī)的出現(xiàn)、日益嚴(yán)格的汽車(chē)排放法規(guī)以及人們對(duì)汽車(chē)舒適性高要求的背景下應(yīng)運(yùn)而生的[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)被列為美國(guó)21世紀(jì)商用車(chē)計(jì)劃的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)提高整車(chē)性能潛力巨大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及發(fā)動(dòng)機(jī)電控技術(shù)的發(fā)展，采用電子驅(qū)動(dòng)及控制的冷卻水泵、風(fēng)扇、節(jié)溫器等部件，可以通過(guò)傳感器和計(jì)算機(jī)芯片根據(jù)實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制運(yùn)行，提供最佳的冷卻介質(zhì)流量，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)控制智能化，達(dá)到降低能耗、提高效率、降低機(jī)件磨損的目的。

筆者通過(guò)多年的觀察發(fā)現(xiàn)，目前汽車(chē)普遍存在熱損失的現(xiàn)象，特別是節(jié)溫器與進(jìn)氣格柵的設(shè)計(jì)存在一定的缺陷，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)未能在最佳的工況條件下運(yùn)行。只重視冷卻與降溫，而忽視溫升與保溫的傳統(tǒng)理念逐漸被科學(xué)的發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)所取代?？茖W(xué)的熱管理理念，應(yīng)該是在強(qiáng)化冷卻與降溫技術(shù)性能的同時(shí)，還有重視發(fā)動(dòng)機(jī)的溫升速度與保溫的作用，在特定的工況條件下，廢熱的利用同樣具有降低能耗、減少?gòu)U氣排放的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)意義。

2 熱損失的危害

不論發(fā)動(dòng)機(jī)工作在過(guò)高或過(guò)低的溫度狀態(tài)下，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命以及油耗等都是沒(méi)有好處的。本文對(duì)高溫以及散熱技術(shù)不做描述，僅針對(duì)往往被人忽視的低溫狀態(tài)下的熱損失進(jìn)行論述。

發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于低溫狀態(tài)工作，使發(fā)動(dòng)機(jī)熱狀態(tài)不良，各機(jī)件磨損加劇，燃料消耗增加。汽車(chē)行車(chē)溫度包括發(fā)動(dòng)機(jī)溫度、機(jī)油溫度、變速器和驅(qū)動(dòng)橋主減速器油溫等，直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

2.1 增加油耗

研究資料表明，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度從20℃上升到30℃時(shí)，相應(yīng)的汽油蒸發(fā)率從50%上升到75%[3]。因此，低溫導(dǎo)致燃料蒸發(fā)性變差，混合氣霧化不好，油滴相對(duì)增多，造成各氣缸之間混合不勻，不易燃燒或使火焰?zhèn)鞑ニ俣葴p慢，燃料不能完全參與燃燒，汽缸內(nèi)的平均有效壓力降低，致使缸壁散熱量過(guò)多，氣缸中的氣體溫度壓力、熱效率降低，發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，油耗增加。

圖1所示，水溫在50℃時(shí)與85℃時(shí)相比，后者比前者的燃油經(jīng)濟(jì)性高出3%以上，即保持發(fā)動(dòng)機(jī)適當(dāng)?shù)母邷?，?duì)油耗指標(biāo)有利。研究表明，水溫在80℃～90℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率最低，發(fā)動(dòng)機(jī)的效率較高。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)溫度與油耗關(guān)系

2.2 加速發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件的磨損

燃料的蒸發(fā)和霧化不良，給混合氣的形成帶來(lái)困難，使混合氣變濃，燃燒不完全，造成功率下降，耗油量增加。嚴(yán)重時(shí)混合氣中部分燃料凝聚在缸壁上，沖刷稀釋缸壁上的潤(rùn)滑油膜，流入曲軸箱，使機(jī)油變稀，加速機(jī)件的磨損。燃燒產(chǎn)生的水蒸氣，由于溫度低便凝在缸壁上和燃燒生成物結(jié)合成強(qiáng)烈的酸性腐蝕劑，對(duì)缸壁、活塞、活塞環(huán)等零件產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕作用。圖2表明，發(fā)動(dòng)機(jī)在40℃左右的低溫條件下工作，其磨損量要增加30倍以上，大大縮短使用壽命[3]。

圖2 低溫與磨損的關(guān)系

2.3 輸出功率下降

變速器、驅(qū)動(dòng)橋主減速器的潤(rùn)滑油溫度較低時(shí)，黏度變大，增加了曲軸與軸瓦和活塞與缸壁等摩擦副運(yùn)動(dòng)阻力，汽車(chē)行駛阻力增加，輸出功率下降。汽車(chē)在低溫條件下使用，傳動(dòng)系各總成的潤(rùn)滑油得不到很好的發(fā)揮，使得各總成在一段時(shí)間內(nèi)負(fù)荷較大，從而使油耗增加，也引起零件磨損加劇，動(dòng)力下降。

圖3示出了機(jī)械損失功率Pm與機(jī)油溫度之間的關(guān)系。從圖中可知，油溫在某一特定值tm時(shí)機(jī)械損失功率Pm最小，低于或高于tm時(shí)，都將導(dǎo)致潤(rùn)滑不良，摩擦損失增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損傷發(fā)動(dòng)機(jī)零件，Pm增大，使發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性下降[3]。

3 熱損失的主要原因

3.1 節(jié)溫器

3.1.1 節(jié)溫器的作用

節(jié)溫器是一種自動(dòng)調(diào)溫裝置，內(nèi)部含有感溫組件，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫的熱脹或冷縮來(lái)開(kāi)啟、關(guān)閉實(shí)現(xiàn)控制液體的流動(dòng)，是控制冷卻液流動(dòng)路徑的閥門(mén)。節(jié)溫器對(duì)于節(jié)約能耗、延長(zhǎng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命起到重要的作用[4]。

目前使用的節(jié)溫器為蠟式節(jié)溫器，當(dāng)溫度低于規(guī)定值時(shí)，節(jié)溫器感溫體內(nèi)的石蠟呈固態(tài)，節(jié)溫器主閥關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)與散熱器之間的通道，冷卻液經(jīng)水泵返回發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)小循環(huán)冷卻（如圖4）。當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到規(guī)定值后，石蠟開(kāi)始融化逐漸變?yōu)橐后w，體積隨之增大并產(chǎn)生推力使閥門(mén)開(kāi)啟。這時(shí)冷卻液經(jīng)由散熱器和節(jié)溫器閥，再經(jīng)水泵流回發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行大循環(huán)冷卻（圖5）。

圖3 功率損失與機(jī)油溫度的關(guān)系

圖4 節(jié)溫器關(guān)閉狀態(tài)

3.1.2 節(jié)溫器調(diào)節(jié)特性

為了讓發(fā)動(dòng)機(jī)溫度從常溫狀態(tài)盡快上升到發(fā)動(dòng)機(jī)最佳溫度，希望在節(jié)溫器主閥門(mén)開(kāi)啟前僅進(jìn)行小循環(huán)冷卻。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫升高到最佳溫度時(shí)，主閥門(mén)完全開(kāi)啟，冷卻水全部流經(jīng)散熱器，立即開(kāi)始大循環(huán)冷卻。

圖5 節(jié)溫器開(kāi)啟狀態(tài)

圖6 閥門(mén)開(kāi)啟度與溫升的關(guān)系

將節(jié)溫器浸入常溫的冷水中，通過(guò)加熱過(guò)程進(jìn)行觀察：節(jié)溫器的主閥門(mén)隨著溫度上升也逐漸開(kāi)啟。試驗(yàn)表明，蠟式節(jié)溫器屬于比例式調(diào)節(jié)，即閥門(mén)開(kāi)啟行程與溫度成比例關(guān)系（如圖6曲線B所示），并不是開(kāi)關(guān)式的閥門(mén)，理想的溫度特性如圖5中曲線A所示。

從圖6可知，蠟式節(jié)溫器閥門(mén)是逐漸開(kāi)啟的?？梢?jiàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)尚未達(dá)到最佳溫度，冷卻水已經(jīng)開(kāi)始通過(guò)節(jié)溫器進(jìn)入了大循環(huán)，溫升速度下降，導(dǎo)致熱量損失。

3.2 前進(jìn)氣格柵

隨著油價(jià)的上漲和節(jié)能減排的深入，現(xiàn)有的汽車(chē)格柵設(shè)計(jì)逐漸暴露出其設(shè)計(jì)上的不合理。有試驗(yàn)表明，從冷車(chē)開(kāi)始，特別是冬季，或北方的冬季在-20℃環(huán)境下，會(huì)給1.6排量的轎車(chē)增加1.5升/100km以上的油耗。主要問(wèn)題表現(xiàn)在：

3.2.1 地域氣溫差異

在冬季，假設(shè)同一品牌款式的汽車(chē)分別在哈爾濱和廣州道的路上行駛，一個(gè)處在攝氏-20℃的氣溫環(huán)境，一個(gè)處在攝氏30℃的氣溫環(huán)境，汽車(chē)前臉的進(jìn)氣格柵結(jié)構(gòu)大小完全相同，肯定是不合理的。前者的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的空氣流（非散熱風(fēng)扇）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱是后者的5倍以上[5]，由此導(dǎo)致的問(wèn)題是：哈爾濱的汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)保溫不夠，散熱系統(tǒng)可能永遠(yuǎn)不會(huì)工作，并由于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度達(dá)不到正常工作溫度，ECU自動(dòng)增加噴油量，汽車(chē)的油耗和尾氣排放肯定隨之增加；而廣州的汽車(chē)正好相反，環(huán)境氣溫高，需要啟動(dòng)散熱系來(lái)滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱需要。

3.2.2 時(shí)速的差異

以20km和120km時(shí)速行駛的汽車(chē)，其格柵進(jìn)風(fēng)口大小一樣。車(chē)頭的氣流對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱來(lái)說(shuō)，高速行駛時(shí)，格柵的進(jìn)風(fēng)口存在過(guò)大的可能，在冬季會(huì)讓發(fā)動(dòng)機(jī)散熱過(guò)度，導(dǎo)致熱損失。這就是冬季比較費(fèi)油的原因之一，也是冬季的北方時(shí)?？吹接梅颊趽跗?chē)前格柵進(jìn)風(fēng)口的緣故。

4 減少發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失的探討

發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)研究與實(shí)踐的目的之一，是在完善的冷卻系統(tǒng)前提下，盡可能地減少熱損失。在冷車(chē)時(shí)，采取相應(yīng)的保溫措施，縮短暖機(jī)時(shí)間，盡早讓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入最佳的工作溫度范圍；在行駛過(guò)程中，根據(jù)季節(jié)氣溫的不同，改善冷氣流對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)保溫效果的影響：

4.1 節(jié)溫器的改進(jìn)

圖6曲線B是蠟式節(jié)溫器的溫度特性，這是由于石蠟隨著溫度升高，逐漸液化而膨脹的過(guò)程，膨脹力逐漸頂開(kāi)主閥門(mén)，導(dǎo)致過(guò)早地開(kāi)始進(jìn)入大循環(huán)，盡管是由小到大逐漸打開(kāi)啟的過(guò)程。

采用電磁閥替代傳統(tǒng)的蠟式節(jié)溫器的主閥門(mén)，電磁閥受控于水溫傳感器。水溫傳感器是一種負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，溫度與電阻成反比。當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定的溫升值時(shí)（圖6中A曲線），水溫傳感器的熱敏電阻值下降，傳感器的采樣電壓低于比較器設(shè)定的閥值，比較器輸出高電平，驅(qū)動(dòng)電磁閥開(kāi)啟，冷卻系統(tǒng)立即開(kāi)始大循環(huán)。該方案的好處在于電磁閥只有開(kāi)啟或關(guān)閉兩種狀態(tài)，發(fā)動(dòng)機(jī)未達(dá)到最佳設(shè)定溫度時(shí)，絕不開(kāi)始大循環(huán)，從而達(dá)到縮短暖機(jī)的目的。反之立即開(kāi)啟大循環(huán)。在電路設(shè)計(jì)時(shí)必須引入遲滯反饋回路，避免運(yùn)算放大器過(guò)于靈敏而導(dǎo)致電磁閥震蕩的現(xiàn)象[6]。

4.2 可變開(kāi)度的前格柵進(jìn)風(fēng)口

車(chē)輛在不同的季節(jié)、地域溫差、行駛速度情況下，固定不變的前格柵進(jìn)風(fēng)口對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱效果存在很大的差別。寶馬汽車(chē)公司于2009年發(fā)布了相類(lèi)似的智能降阻進(jìn)氣格柵：在發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度過(guò)低時(shí)，進(jìn)氣格柵將自動(dòng)關(guān)閉，從而在冬天減少熱車(chē)時(shí)間，節(jié)省油耗；而當(dāng)車(chē)輛在高速行駛時(shí)，兼顧到發(fā)動(dòng)機(jī)水箱溫度適中的狀態(tài)下，進(jìn)氣格柵會(huì)自動(dòng)減小格柵的開(kāi)度，達(dá)到保溫的目的，這對(duì)于燃油經(jīng)濟(jì)性的提高有幫助?？梢?jiàn)，熱管理技術(shù)已經(jīng)受到高端車(chē)廠家的重視，而中低端經(jīng)濟(jì)型的轎車(chē)尚未普及。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上分析，發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理技術(shù)，對(duì)于發(fā)揮發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作效率、降低機(jī)械磨損、最大限度地提高燃油經(jīng)濟(jì)性、提高節(jié)能減排的效果都具有重要的意義。鑒于篇幅有限，由水溫傳感器控制電磁閥和可變格柵進(jìn)風(fēng)口的實(shí)際電路與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不再贅述。

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[2]成曉北，等.現(xiàn)代車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)研究進(jìn)展[J].車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2008（1）∶1-6.

[3]盧廣鋒，等.汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)水溫對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響[J].山東內(nèi)燃機(jī)，2002（1）：29-33.

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[5]夏廣飛，等.前進(jìn)氣格柵在發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理中的作用[J].中國(guó)汽車(chē)工程年會(huì)論文集，2011（301）.

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