淺析發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)

【摘 要】簡述冷卻系統(tǒng)對(duì)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)正常、高效工作的重要意義，論文分析了冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了保養(yǎng)改善建議。

【關(guān)鍵詞】發(fā)動(dòng)機(jī) 冷卻

1.概述

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)采用了更加緊湊的設(shè)計(jì)和具有更大的比功率，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢熱密度也隨之明顯增大。一些關(guān)鍵區(qū)域，如排氣門周圍散熱問題需優(yōu)先考慮，冷卻系統(tǒng)即便出現(xiàn)小的故障也可能在這樣的區(qū)域造成災(zāi)難性的后果。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱能力一般應(yīng)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷時(shí)的散熱需求，因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量最大。然而，在部分負(fù)荷時(shí)，冷卻系統(tǒng)會(huì)發(fā)生功率損失，即水泵所提供的冷卻液流量超過所需的流量。我們希望發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)間盡可能短，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)排放的污染物較多，油耗也大。冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)時(shí)間有較大的影響。

一個(gè)正常、高效的冷卻系統(tǒng)直接影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、加速性、可靠性以及使用壽命。

2.現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的作用是可靠地保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)，而還應(yīng)具有改善燃料經(jīng)濟(jì)性和降低排放的作用。為此，現(xiàn)代冷卻系統(tǒng)要綜合考慮下面的因素：發(fā)動(dòng)機(jī)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。

先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)采用系統(tǒng)化、模塊化設(shè)計(jì)方法，統(tǒng)籌考慮每項(xiàng)影響因素，使冷卻系統(tǒng)既保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作，又提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和減少排放。

2.1 溫度設(shè)定點(diǎn)

發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的極限值取決于排氣門周圍區(qū)域最高溫度。最理想的情況是按金屬溫度而不是冷卻液溫度控制冷卻系統(tǒng)，這樣才能更好地保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。由于冷卻系統(tǒng)設(shè)定的冷卻溫度是以滿負(fù)荷時(shí)最大散熱率為基礎(chǔ)，因此，發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)在部分負(fù)荷時(shí)處于不太理想狀態(tài)，如市區(qū)行駛和低速行駛時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高油耗和排放。

通過改變冷卻液溫度設(shè)定點(diǎn)可改善發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)在部分負(fù)荷時(shí)的性能。根據(jù)排氣門周圍區(qū)域溫度極限值，可升高或降低冷卻液或金屬溫度設(shè)定點(diǎn)。升高或降低溫度點(diǎn)都各有特點(diǎn)，這取決于希望達(dá)到的目的。

2.2 提高溫度設(shè)定點(diǎn)

提高工作溫度設(shè)定點(diǎn)是一種比較受歡迎的方法。提高溫度有許多優(yōu)點(diǎn)，它直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)損耗和冷卻系統(tǒng)的效果以及發(fā)動(dòng)機(jī)排放物的形成。提高工作溫度將提高發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦磨損，降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗。

研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度對(duì)摩擦損失有很大影響。將冷卻液排出溫度提高到150℃，使氣缸溫度升高到195℃，油耗則下降4%-6%。將冷卻液溫度保持在90-115℃范圍內(nèi)，使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的最高溫度為140℃，則油耗在部分負(fù)荷時(shí)下降10%。

提高工作溫度也明顯影響冷卻系統(tǒng)的效能。提高冷卻液或金屬溫度會(huì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱器熱傳遞的效果，降低冷卻液的流速，減小水泵的額定功率，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率消耗。此外，可采用不同的方式，進(jìn)一步減小冷卻液的流速。

2.3 降低溫度設(shè)定點(diǎn)

降低冷卻系統(tǒng)的工作溫度可提高發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率，降低進(jìn)氣溫度。這對(duì)燃燒過程、燃油效率及排放有利。降低溫度設(shè)定點(diǎn)可以節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行成本，提高部件使用壽命。

研究表明，若氣缸蓋溫度降低到50℃，點(diǎn)火提前角可提前3℃A而不發(fā)生爆震，充氣效率提高2%，發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性改善，有助于優(yōu)化壓縮比和參數(shù)選擇，取得更好的燃油效率和排放性能。

2.4 精確冷卻系統(tǒng)

精確冷卻系統(tǒng)主要體現(xiàn)在冷卻水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與冷卻液流速的設(shè)計(jì)中。在精確冷卻系統(tǒng)中，熱關(guān)鍵區(qū)，如排氣門周圍，冷卻液有較大的流速，熱傳遞效率高，冷卻液的溫度梯度變化小。這樣的效果來自縮小這些地方冷卻液通道的橫截面，提高流速，減少流量。

精確冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于確定冷卻水套的尺寸，選擇匹配的冷卻水泵，保證系統(tǒng)的散熱能力能夠滿足低速大負(fù)荷時(shí)關(guān)鍵區(qū)域工作溫度的需求。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流速的變化范圍相當(dāng)大，從怠速時(shí)的1m/s到最大功率時(shí)的5m/s。故應(yīng)將冷卻水套和冷卻系統(tǒng)整體考慮，相互補(bǔ)充，發(fā)揮最大潛力。

研究表明，采用精確冷卻系統(tǒng)，在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)工作轉(zhuǎn)速范圍，冷卻液流量可下降40%。對(duì)氣缸蓋上冷卻水套的精確設(shè)計(jì)，可使普通冷卻道的流速從1.4m/s提高到4m/s，大大提高氣缸蓋傳熱性，將氣缸蓋的金屬溫度降低到60℃。

2.5 分流式冷卻系統(tǒng)

分流式冷卻系統(tǒng)為另外一種冷卻系統(tǒng)。在這種冷卻系統(tǒng)中，氣缸蓋和氣缸體由各自的液流回路冷卻，氣缸蓋和氣缸體具有不同的溫度。分流式的冷卻系統(tǒng)具備特有的優(yōu)勢，可使發(fā)動(dòng)機(jī)各部分在最優(yōu)的溫度設(shè)定點(diǎn)工作。冷卻系統(tǒng)的整體效率達(dá)到最大。每個(gè)冷卻回路將在不同冷卻溫度設(shè)定點(diǎn)或流速下工作，創(chuàng)造理想的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度分布。

理想的發(fā)動(dòng)機(jī)熱工作狀態(tài)是氣缸蓋溫度較低而氣缸體溫度相對(duì)較高。氣缸蓋溫度較低可提高充氣效率，增大進(jìn)氣量。溫度低且進(jìn)氣量大可促進(jìn)完全燃燒，降低CO，HC和NOx的形成，也提高輸出功率。較高氣缸體溫度會(huì)減小摩擦損失，直接改善燃油效率，間接地降低缸內(nèi)峰值壓力和溫度。分流式冷卻系統(tǒng)可使缸蓋和缸體溫度相差100℃。氣缸溫度可高達(dá)150℃，而缸蓋溫度可降低50℃，減少缸體摩擦損失，降低油耗。較高的缸體溫度使油耗降低4%-6%，在部分負(fù)荷時(shí)HC降低20%-35%。節(jié)氣門全開時(shí)，缸蓋和缸體溫度設(shè)定值可調(diào)到50℃和90℃，從整體上改善燃油消耗、功率輸出和排放。

2.6 可控式發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)屬于被動(dòng)式的，結(jié)構(gòu)簡單或成本低。可控式冷卻系統(tǒng)可彌補(bǔ)目前冷卻系統(tǒng)的不足?，F(xiàn)在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是解決滿負(fù)荷時(shí)的散熱問題，因而部分負(fù)荷時(shí)過大的散熱能力將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率浪費(fèi)。這對(duì)輕型車輛來說尤為明顯，這些車輛大多數(shù)時(shí)間都在市區(qū)內(nèi)部分負(fù)荷下行駛，只利用部分發(fā)動(dòng)機(jī)功率，引起冷卻系統(tǒng)較高損耗。為解決發(fā)動(dòng)機(jī)在特殊情況下過熱的問題，現(xiàn)在的冷卻系統(tǒng)體積較大，導(dǎo)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(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間?？煽厥桨l(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)一般包括傳感器、執(zhí)行器和電控模塊?？煽厥嚼鋮s系統(tǒng)能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況調(diào)整冷卻量，降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率損耗。在可控式冷卻系統(tǒng)中，執(zhí)行器為冷卻水泵和節(jié)溫器，一般由電動(dòng)水泵和液流控制閥組成，可根據(jù)要求調(diào)整冷卻量。溫度傳感器為系統(tǒng)的一部分，可迅速把發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀態(tài)傳給控制器。

可控式裝置，如電動(dòng)水泵，可將冷卻系溫度設(shè)定點(diǎn)從90℃提高到110℃，節(jié)省2%-5%的燃油，CO減少20%，HC減少10%。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，金屬溫度比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的高10℃，可控式冷卻系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)能力，可將冷卻溫度保持在設(shè)定點(diǎn)的±2℃范圍。從110℃下降到100℃只需2s。發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間減少到200s，冷卻系統(tǒng)工作范圍更貼近工作極限區(qū)域，能夠縮小發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻溫度和金屬溫度的波動(dòng)范圍，減少循環(huán)熱負(fù)荷造成的金屬疲勞，延長部件壽命。

3.結(jié)論

前面介紹的幾種先進(jìn)冷卻系統(tǒng)具有改善冷卻系統(tǒng)性能的潛力，能夠提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。冷卻系統(tǒng)的能控性是改善冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵，能控性表示對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)保護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)，如金屬溫度、冷卻液溫度和機(jī)油溫度等能夠控制，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在安全限度范圍內(nèi)工作。冷卻系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌r作出快速反應(yīng)，最大程度地節(jié)省燃料、降低排放，而不影響發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能。

從設(shè)計(jì)和使用性能角度看，分流式冷卻與精密冷卻相結(jié)合具有很好的發(fā)展前景，既能提供理想的發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)，又能提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性。這種結(jié)構(gòu)有利于形成發(fā)動(dòng)機(jī)理想的溫度分布。直接向氣缸蓋排氣門周圍供給冷卻液，減少了氣缸蓋溫度變化，使缸蓋溫度分布更加均勻，也能將機(jī)油和缸體溫度保持在設(shè)計(jì)的工作范圍，具有較低的摩擦損失和污染排放量。

【結(jié)尾】冷卻系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)：

汽車的誕生是人類科技文明的結(jié)晶，發(fā)展到今天已有120余年的歷史，各大系統(tǒng)也是推陳出新，日臻完善；冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有了質(zhì)的提高。但作為冷卻系統(tǒng)重要組成部分的冷卻介質(zhì)卻沒有發(fā)生根本性的變化，仍然是以水為主要成分的防凍液。水作為自然界中最優(yōu)質(zhì)的冷卻介質(zhì)的觀念已根深蒂固。