1、最新資料推薦淺析發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng) 謝玉榮【 論文摘要 】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， 分析冷卻 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出保養(yǎng)改善建議。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

2、， 因?yàn)?發(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)

3、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

4、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 C,使氣缸溫度升高到195 C,油耗則下降4%-6% 。將冷卻液溫度保持在90-115 C范圍內(nèi)，使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的最高溫度為 140 C,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

5、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 C,點(diǎn)火提前角可提前3 C 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

6、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 1 m/s 到最大功率時(shí)的 5 m/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4 m/s，大大提高氣缸蓋傳熱性，將氣缸蓋的金屬溫度降低到60 C。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，

7、 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 C。

8、氣缸溫度可高達(dá)150 C,而缸蓋溫度可降低50 C,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 C和90 C,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。 現(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

9、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。 可控式發(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。 可 控式冷卻系統(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?？煽厥窖b置，如電動(dòng)水泵，可將冷卻系溫度設(shè)定點(diǎn)從 90 C提高到110 C, 節(jié)省 2%-5% 的燃油， CO 減少 20% ，HC 減少 1

10、0% 。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，金屬溫度 比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的高10 C,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 C范圍。從110 C下降到100 C只需2 s。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