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汽车发动机冷却系统的设计


2007 年第 7 期 总第 124 期

林区教学
Teaching of Fo restry Region

No. 7 2007 General No. 124

汽车发动机冷却系统的设计
黄 大 超
(哈尔滨龙庆公路养护管理有限责任公司 ,哈尔滨 150000 )

     : 传统发动机冷却系统由于自身的被动性影响 ,其工作性能受到限制 。在部分负荷时会造成功率损失 , 摘 要 而汽车在这种工况下行驶的时间最长 。介绍一些先进冷却系统的结构设计和特点 ,如精确冷却系统 、 分流式冷却系 统、 可控式冷却系统等 。这些系统既起到保护发动机的作用 ,又改善燃油效率和降低排放污染物 。 关键词 : 发动机冷却系统 ; 燃油效率 ; 减少排放 中图分类号 : U464. 138     文献标志码 : A     文章编号 : 1008 - 6714 ( 2007 ) 07 - 0124 - 02 1  概述

随着发动机采用更加紧凑的设计和具有更大的比功 率 ,发动机生产的废热密度也随之明显增大 。一些关键区 域 ,如排气门周围的散热问题需优先考虑 。冷却系统即便 出现小的故障也可能在这样的区域造成灾难性的后果 。 发动机冷却系统的散热能力一般应满足发动机满负荷时 的散热需求 ,因为此时发动机产生的热量最大 。然而 , 在 部分负荷时 ,冷却系统会发生功率损失 。水泵所提供的冷 却液流量超过所需的流量 。 我们希望发动机冷启动时间尽可能短 。因为发动机 怠速时排放的污染物较多 ,油耗也大 。而冷却系统的结构 对发动机的冷启动时间有较大的影响 。 现代的发动机设计充分考虑这些问题 ,将发动机的热 量管理系统纳入到整个发动机控制系统中 ,全面考虑发动 机的暖机 、 冷却效率 、 废气排放控制 、 燃油利用 、 乘客室的 取暖和三元催化剂活化时间等 。目前的冷却系统属于被 动系统 ,只能有限地调节发动机和汽车的热分布状态 。采 用先进的冷却系统设计和先进的工作方式可大大改进冷 却系统 ,使冷却系统高效地运行 , 间接地提高燃料经济性 和降低排放量 。 2  现代发动机冷却系统的特点 传统冷却系统的作用是可靠地保护发动机 ,还应具有 改善燃料经济性和降低排放的作用 。为此现代冷却系统 要综合考虑下面的因素 。 ( 1 )发动机内部的摩擦损失 。 ( 2 )冷却系统消耗的功率 。 ( 3 )燃烧边界条件 , 如燃烧室温度 , 充量密度 , 充量温 度。 先进的冷却系统采用系统化 、 模块化设计方法 , 统筹 考虑每项影响因素 , 使冷却系统既保证发动机正常工作 , 又提高发动机效率和减少排放 。 2. 1   温度设定点 发动机性能受到多种因素影响 ,不可能改变一项条件    收稿日期 : 2007 - 04 - 10 作者简介 : 黄大超 ( 1956 - ) , 男 , 黑龙江哈尔滨人 , 工 程师 。

就能提高发动机的整体性能 。因此先进的冷却系统要全 面考虑各种条件才能改善发动机的性能 。使冷却液温度 保持在设定点是冷却系统最常见的工作方式 。通常人们 会认为冷却液的温度可用金属温度表示 ,实际上这种关系 只在稳态下和特定运转速度和负荷下才能成立 。金属和 冷却液温度在发动机不同地方可能相同也可能不同 , 发动 机整体处于不均匀温度分布状态 。 发动机工作温度的极限值取决于排气门周围区域最 高温度 。最理想的情况是按金属温度而不是冷却液温度 控制冷却系统 ,这样才能更好地保护发动机 。由于冷却系 统设定的冷却温度是以满负荷时最大散热率为基础 , 因此 发动机和冷却系统在部分负荷时处于不太理想状态 , 如市 区行驶和低速行驶时 ,会产生高油耗和排放 。 通过改变冷却液温度设定点可改善发动机和冷却系 统在部分负荷时的性能 。根据排气门周围区域温度极限 值 ,可升高或降低冷却液或金属温度设定点 。升高或降低 温度点都各有特点 ,这取决于希望达到的目的 。 2. 2   提高温度设定点 提高工作温度设定点是一种比较受欢迎的方法 。提 高温度有许多优点 ,它直接影响发动机损耗和冷却系统的 效果 ,以及发动机排放物的形成 。提高工作温度将提高发 动机机油温度 ,降低发动机摩擦磨损 , 降低发动机燃油消 耗。 研究表明 , 发动机工作温度对摩擦损失有很大影响 。 将冷 却 液 排 出 温 度 提 高 到 150 ℃, 使 气 缸 温 度 升 高 到 195 ℃,油耗则下降 4% ~6% 。将冷却液温度保持在 90 ℃ ~115 ℃ 范围内 ,使发动机机油的最高温度为 140 ℃, 则油 耗在部分负荷时下降 10% 。 提高工作温度也明显影响冷却系统的效能 。提高冷 却液或金属温度会改善发动机和散热气热传递的效果 , 降 低冷却液的流速 ,减小水泵的额定功率 , 从而降低发动机 的功率消耗 。此外 , 可采用不同的传热方式 , 进一步减小 冷却液的流速 。 2. 3   降低温度设定点 降低冷却系统的工作温度可提高发动机充气效率 , 降 低进气温度 。这对燃烧过程 、 燃油效率及排放有利 。降低 温度设定点可以节省发动机运行成本 , 提高部件使用寿

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命。 研究表明 , 若气缸盖温度降低到 50 ℃, 点火提前角可 提前 3 ° 而不发生爆震 , 充气效率提高 2% , 发动机工作特 性改善 ,有助于优化压缩比和参数选择 , 取得更好的燃油 效率和排放性能 。 2. 4   精确冷却系统 精确冷却系统主要体现在冷却水套的结构设计与冷 却液流速的设计 。在精确冷却系统中 , 热关键区 , 如排气 门周围 ,冷却液有较大的流速 ,热传递效率高 ,冷却液的温 度梯度变化小 。这样的效果来自缩小这些地方冷却液通 道的横截面 ,提高流速 ,减少流量 。 精确冷却系统的设计关键在于确定冷却水套的尺寸 , 选择匹配的冷却水泵 ,保证系统的散热能力能够满足低速 大负荷时关键区域工作温度的需求 。 发动机冷 却 液 流 速 的 变 化 范 围 相 当 大 , 从 怠 速 时 - 1 - 1 1m s 到最大功率时 5m s 。因此应将冷却水套和冷却系 统整体考虑 ,相互补充 ,发挥最大潜力 。 研究表明 , 采用精确冷却系统 , 可在发动机整个工作 转速范围 ,冷却液流量下降 40% 。对气缸盖上冷却水套 -1 的精确设计 , 可使普通冷却道的流速从 1. 4m s 提高到 - 1 4m s ,大大提高气缸盖传热性 ,将气缸盖的金属温度降低 到 60 ℃。 2. 5   分流式冷却系统 分流式冷却系统为另外一种冷却系统 。在这种冷却 系统中 ,气缸盖和气缸体由各自的液流回路冷却 , 气缸盖 和气缸体具有不同的温度 。分流式冷却系统具备特有的 优势 ,可使发动机各部分在最优的温度设定点工作 , 冷却 系统的整体效率达到最大 。每个冷却回路将在不同冷却 温度设定点或流速下工作 ,创造理想的发动机温度分布 。 理想的发动机热工作状态是气缸盖温度较低而气缸 体温度相对较高 。气缸盖温度较低可提高充气效率 ,增大 进气量 。温度低且进气量大可促进完全燃烧 , 降低 CO、 HC 和 NOx 的形成 ,也提高输出功率 。较高气缸体温度会 减小摩擦损失 ,直接改善燃油效率 , 间接地降低缸内峰值 压力和温度 。分流式冷却系统可使缸盖和缸体温度相差 100 ℃。气缸温度可高达 150 ℃,而缸盖温度可降低 50 ℃, 减少缸体摩擦损失 ,降低油耗 。较高的缸体温度使油耗降 低 4% ~6% ,在部分负荷时 HC 降低 20% ~35% 。节气门 全开时 ,缸盖和缸体温度设定值可调到 50 ℃ 90 ℃, 从整 和 体上改善燃油消耗 、 功率输出和排放 。 2. 6   可控式发动机冷却系统 传统的发动机冷却系统属于被动式的 ,结构简单或成 本低 。可控式冷却系统可弥补目前冷却系统不足 。现在 冷却系统的设计标准是解决满负荷时的散热问题 ,因而部 分负荷时过大的散热潜力导致发动机功率浪费 。这对轻 型车辆来说尤为明显 , 这些车辆大多数时间都在市区 , 部 分负荷下行驶 ,只利用部分发动机功率 , 引起冷却系统较 高损耗 。为解决发动机在特殊情况下过热的问题 ,现在的 冷却系统体积大 ,导致冷却效率降低 , 增大冷却系统功率 需求 ,延长发动机暖机时间 。可控式发动机冷却系统一般 包括传感器 、 执行器和电控模块 。可控式冷却系统能够根 据发动机工作状况调整冷却量 ,降低发动机功率损耗 。在 可控式冷却系统中 , 执行器为冷却水泵和节温器 , 一般由 电动水泵和液流控制阀组成 ,根据要求调整冷却量 。温度

传感器为系统的一部分 ,可迅速把发动机的热状态传给控 制器 。 可控式装置 , 如电动水泵 , 可将冷却系统温度设定点 从 90 ℃ 提高到 110 ℃,节省 2% ~5%的燃油 , 减少 20%的 CO , 10%的 HC。稳定状态时 , 金属温度比传统冷却系统 的高 10 ℃。可控式冷却系统具有较快的响应能力 , 可将 冷却温度保持在设定点的 ±2 ℃范围 。从 110 ℃下降到 100 ℃ 只需 2 秒 ,发动机暖机时间减少到 200 s,冷却系统工 作范围更贴近工作极限区域 ,能够将发动机冷却温度和金 属温度波动范围缩少 , 减少循环热负荷造成的金属疲劳 , 延长部件寿命 。 3  结论 前面介绍的几种先进冷却系统的特性具有改善冷却 系统性能潜力 ,能够提高燃油经济性和排放性能 。冷却系 统的能控性是改善冷却系统的关键 ,能控性表示对发动机 结构保护的关键参数 , 如金属温度 、 冷却液温度和机油温 度等能够控制 ,确保发动机在安全限度范围工作 。冷却系 统能够对不同工况作出快速反应 , 最大地节省燃料 、 降低 排放 ,而不影响发动机整体性能 。 从设计和使用性能角度看 ,分流式冷却与精密冷却相 结合具有很好的发展前景 , 既能提供理想的发动机保护 , 又能提高燃油经济性和排放性 。这种结构有利于形成发 动机理想的温度分布 。直接向气缸盖排气门周围供给冷 却液 ,减少了气缸盖温度变化 ,使缸盖温度分布更加均匀 , 也能将机油和缸体温度保持在设计的工作范围 ,具有较低 的摩擦损失和污染排放量 。 本文介绍分析最新的冷却系统的设计和工作特性 , 冷 却系统改进的目标是提高发动机的保护能力 、 燃油效率和 低排放性 。分析表明 ,先进冷却系统具备的特性具有明显 提高现代发动机性能的潜力 , 分流式冷却 、 精密精确式冷 却和可控式元件相结合 , 能使气缸盖温度较低 , 缸体温度 较高 ,满足发动机对未来冷却系统的要求 。
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