汽車冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

龍俊華 安瑞兵

摘 要：冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機的重要系統(tǒng)，文章介紹了汽車冷卻系統(tǒng)各零部件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，同時詳細介紹了汽車冷卻系統(tǒng)設計方法。

關(guān)鍵詞：汽車;冷卻系統(tǒng);發(fā)展趨勢;設計方法

中圖分類號：U464.238 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）06-75-03

Abstract： Cooling system ia a very important system of engine， this article introduces the current situation and development trend of parts of vehicle cooling system， and introduces the design method of veicle cooling system in detail.

Keywords： Vehicle; Cooling system; Development trend; Design method

CLC NO.： U464.238 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-75-03

前言

汽車冷卻系統(tǒng)的功能是將發(fā)動機的熱量及時散發(fā)出去，使發(fā)動機在最適宜的溫度下工作。發(fā)動機機冷卻液溫度的過高會使?jié)櫥偷恼扯冉档?，各摩擦副潤滑油的?shù)量就會減少，導致發(fā)動機各部件的摩擦損失加劇。當冷卻液溫度過低會使?jié)櫥偷恼扯茸兇螅鲃有宰儾?，同樣不利于各摩擦副的潤滑，從而降低了發(fā)動機的動力輸出，影響了發(fā)動機的機械效率。理想的汽車冷卻系統(tǒng)既要達到發(fā)動機冷卻的需要，又要減少熱量損失、減少能耗，使發(fā)動機在保證良好動力性基礎上具有更優(yōu)的節(jié)能效果。維持冷卻液溫度在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，對于提高發(fā)動機的動力經(jīng)濟性有重要作用。

1 冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，大多數(shù)冷卻系統(tǒng)屬于被動系統(tǒng)，不能按照發(fā)動機冷卻的需要提供合理的迎風和循環(huán)水量，冷卻效率低，浪費了大量的燃料。風扇轉(zhuǎn)速、進氣量、冷卻液流量，不是發(fā)動機瞬時需求，也不能使發(fā)動機所有工況下的水溫保持在合理范圍內(nèi)。

2 冷卻系統(tǒng)的電動化

2.1 冷卻風扇的電動化

傳統(tǒng)風扇為硅油離合器風扇如圖1，由發(fā)動機帶動的定傳動比驅(qū)動，發(fā)動機轉(zhuǎn)速決定風扇風量和冷卻液流量，不是發(fā)動機瞬時需求。而電子風扇（見圖2）不是由發(fā)動機直接驅(qū)動，而是由直流電機驅(qū)動，風扇轉(zhuǎn)速不依賴于發(fā)動機轉(zhuǎn)速。電子風扇檢測到發(fā)動機水溫，根據(jù)發(fā)動機水溫實時調(diào)整電子風扇轉(zhuǎn)速，這樣避免風扇一直高速旋轉(zhuǎn)，利于提高燃油經(jīng)濟性。因電子風扇不安裝在發(fā)動機上，與護風罩一體化，風扇與散熱器的徑向間隙能夠做到最低，防止了熱風回流。同時風扇和風罩的同心度也能嚴格保證，風扇掃過散熱器的面積就能保證。采用電機直接驅(qū)動，減少了中間傳到環(huán)節(jié)，可以提高風扇的效率。但是，電子風扇的電機是由蓄電池提供，而蓄電池提供的電壓有限，因而風扇的功率會受到影響，導致電子風扇僅適用于乘用車和輕卡等。

2.2 水泵的電動化

傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的機械水泵（如圖3）受到發(fā)動機轉(zhuǎn)速的制約無法提高速度，也就不能動態(tài)地改變水流的循環(huán)速度，常使散熱風扇的工作時間延長，甚至伴有“過熱”現(xiàn)象。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，機械水泵向著電子水泵（如圖4）方向發(fā)展。電子水泵的轉(zhuǎn)速是獨立控制的，其根據(jù)水溫傳感器信號實時調(diào)整發(fā)動機水套中冷卻液流量，使得發(fā)動機水套中流動的冷卻液流量能隨著不同的駕駛工況而作調(diào)整，保持發(fā)動機的正常溫度，降低能耗。在非最大冷卻需求工況時，不需要全功率運行，電子水泵的最大功率和運行的平均功率都較機械水泵低很多。

同時電子水系與原機機械水系相比體積、重量均減少至少50%，可安裝在發(fā)電機下方，節(jié)約空間;電機可由通往外殼周圍的冷卻液來冷卻;此外，相比皮帶驅(qū)動的機械水泵可減小水泵軸的彎曲應力;電子水泵暖機時間比機械水泵暖機時間早，減少能耗。

2.3 調(diào)溫器的電動化

電子調(diào)溫器能根據(jù)不同發(fā)動機和整車工況主動的調(diào)節(jié)冷卻強度，是目前較為先進的調(diào)溫器技術(shù)，典型的電子節(jié)溫器如圖5所示。

發(fā)動機在不同工況下對水溫有不同的要求：在啟動過程中，為了提高暖機速度，同時確保暖風有足夠的強度，需要調(diào)溫器推遲開啟使水溫迅速升高;在發(fā)動機低負荷運轉(zhuǎn)過程中，為了降低發(fā)動機的摩擦功和傳導給冷卻系統(tǒng)的熱量，提高效率，一般希望水溫維持在一個相對高的水平，此時需要調(diào)溫器的控制溫度較高;在發(fā)動機大負荷運轉(zhuǎn)時，為了防止爆震，局部過熱，以及提高充氣效率，一般希望調(diào)溫器盡早開啟大循環(huán)，使水溫維持在相對低的水平。而與之矛盾的是，傳統(tǒng)的蠟式調(diào)溫器的調(diào)節(jié)特性是固定的，為了滿足發(fā)動機大負荷工況冷卻的需求，設計中常常將調(diào)溫器的溫控范圍設置的較低，這使得發(fā)動機在低負荷和暖機過程中的性能下降。

電子調(diào)溫器使以上問題得到解決，使用電子調(diào)溫器的冷卻系統(tǒng)水溫不再是唯一的控制因素，電控系統(tǒng)通過標定好的控制MAP（包括水溫，發(fā)動機工況，車速等信息）直接控制調(diào)溫器閥門的動作

2.4 格柵的電動化

電動進氣格柵可根據(jù)需要電動控制格柵開啟角度，從而控制進風量。還可以在車輛行駛時降低風阻，提高燃油經(jīng)濟性。

3 冷卻系統(tǒng)的材料

冷卻系統(tǒng)散熱器材料從銅制鋁散熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅散熱器，鋁散熱器具有重量輕，散熱器性能好，材料便宜等優(yōu)點。

散熱器翅片和主板材料向著高強度輕量化方向發(fā)展，在提高強度的同時，減輕了重量，從而提高了燃油經(jīng)濟性。表1為冷卻系統(tǒng)散熱器部件厚度趨勢。

4 冷卻系統(tǒng)設計的發(fā)展趨勢

4.1 經(jīng)驗計算法

冷卻系統(tǒng)經(jīng)驗計算法是根據(jù)經(jīng)驗計算公式對冷卻系統(tǒng)進行計算。影響散熱器散熱量的參數(shù)為發(fā)動機額定功率、發(fā)動機燃料消耗率等;影響冷卻風扇風量的參數(shù)為空氣進入散熱器的前后溫差。

4.2 仿真計算法

冷卻系統(tǒng)仿真主要是基于流體的一維仿真，可以有效地模擬全工況整車的熱狀態(tài)，計算出發(fā)動機水溫，從而判斷冷卻系統(tǒng)匹配是否適合。整車冷卻系統(tǒng)一維仿真模型包括包括散熱器模型，水泵模型，發(fā)動機熱模型，節(jié)溫器模型，膨脹箱等，如圖6。

4.3 試驗驗證法

目前冷卻系統(tǒng)試驗驗證法主要有：牽引負荷拖車試驗法、爬長坡試驗法、爬長坡試驗法、環(huán)境艙試驗法，如表2比較了這4種試驗方法在試驗場地、試驗條件控制、對干擾的影響、試驗一致性、試驗數(shù)據(jù)準確性以及評價方法的優(yōu)劣，其中環(huán)境艙試驗法在各個方面都占優(yōu)勢，是冷卻系統(tǒng)試驗驗證的一種趨勢。

5 結(jié)論

隨著技術(shù)的進步， 使用電控冷卻部件實現(xiàn)精確冷卻能和新型材料能最大程度滿足逐漸提高的冷卻系統(tǒng)性能要求，具有十分理想的應用前景?？傊挥袑鋮s系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)進行深入地研究，多方面尋求提高冷卻性能的有效途徑，合理利用和發(fā)揮各個方法的潛在優(yōu)勢，才能實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的高效化和低耗化，進而從整體上提高發(fā)動機的性能。

參考文獻

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