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发动机冷却系统

摘要：本文简述冷却系统对车辆发动机正常、高效工作的重要意义，介绍冷却系统的功用及结构特点，简要分析了目前国内外前沿的发动机冷却系统研究及应用状况，如智能化电控冷却系统、精确冷却理念、分流式冷却等；指出了现代发动机冷却系统高效、低耗、智能、环保的发展方向，还指出采用电控冷却部件实现精确冷却和分流式冷却的有效整合是最佳手段。
关键词：发动机；冷却系统；智能控制；发展趋势

Engine cooling system

Abstract：This article described the cooling system of the vehicle engine was normal, the importance of efficient work, the introduction of the function and structural characteristics of the cooling system, and a brief analysis of the engine cooling system at home and abroad the forefront of research and applications of the cooling system, such as intelligent electronic control, precisecooling philosophy, Split cooling; pointed out that a modern engine cooling system is efficient, low-power, intelligent, environmentally friendly development direction, also pointed out that the electronically controlled cooling components is the best means to achieve the effective integration of precise cooling and shunt cooling.
Key words：engine,cooling system, intelligent control, development trends

1 引言
冷却系统对发动机性能的影响日益显著。目前，几乎所有的发动机强化都面临着如何解决高功率密度下的冷却及热平衡问题。既在提高输出功率的同时，又要兼顾油耗的经济性和排放的环保性。这些都对冷却系统的性能提出了新的要求开发高效、可靠、经济、环保的冷却系统，已成为发动机进一步实现技术突破的关键所在。发动机采用了更加紧凑的设计和具有更大的比功率，发动机产生的废热密度也随之明显增大。一些关键区域，如排气门周围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，即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。冷却系统的结构对发动机的冷启动时间有较大的影响。因此，采用先进的冷却系统设计理念应用发动机现代设计技术提出设计规范与策略对推动发动机冷却系统技术进步具有重要的研究价值。

2 冷却系统的功用与分类
发动机冷却系统（如图1所示）的功用是使发动机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。对水冷式发动机，气缸体水套中适宜的温度为80～90℃；对风冷式发动机，气缸壁适宜的温度为150～180℃。
发动机所采用的冷却方式分为水冷式和风冷式两种。以冷却液为冷却介质冷却发动机的高温零件，然后再将热量传给空气的冷却系统称为水冷系统；以空气为冷却介质的冷却系统称风冷系统。

1-百叶窗；2-散热器；3-散热器盖；4-风扇；5-水泵；6-节温器；7-汽缸盖水套；8-水温表；9-机体水套；10-分水管；11-放水阀
图1 发动机冷却系统
3冷却系统水循环路径
目前在汽车发动机上应用最普遍的强制循环式水冷却系统是利用水泵提高冷却液的压力，强制冷却液在冷却系统中循环流动。冷却液在冷却系统内的循环流动路线有两条，一条为小循环，另一条为大循环(如图2所示)。所谓大循环是水温高时，冷却液全部经过散热器而进行的循环流动；而小循环就是水温低时，冷却液不经过散热器而进行的循环流动，从而使水温很快升高。冷却液是进行大循环还是小循环，由节温器来控制。
在水冷系统中，不设水泵，仅利用冷却液的密度随温度而变化的性质，产生自然对流来实现冷却液循环的水冷却系统，称为自然循环式水冷系统。这种水冷却系统的循环强度小，不易保证发动机有足够的冷却强度，因而目前只有少数小排量的汽车发动机在使用。

图2 冷却液大小循环
4冷却系统组成
汽车冷却系统主要由散热器、节温器、水泵、缸体水道、缸盖水道、风扇等组成。
4.1散热器：
散热器（如图3所示）主要负责循环水的冷却，它的水管和散热片多用铝材制成，铝制水管做成扁平形状，散热片带波纹状，注重散热性能，安装方向垂直于空气流动的方向，尽量做到风阻要小，冷却效率要高。
当开动一辆汽车的时候，发动机产生的热量足以摧毁汽车本身。因此汽车上安装了一套冷却系统保护它免受损害，并使发动机处于适当的温度范围内。散热器是冷却系统的主要部分，目的是保护发动机避免因过热造成的破坏。散热器的原理是利用冷空气降低散热器内来自发动机的冷却液温度。

1－散热管；2－散热器盖；3－上贮水室；4－进水管；5－散热片；6－出水管；7－下贮水室
图3 散热器
4.2节温器
节温器（如图4所示）功用是根据冷却水温度的高低自动调节进入散热器的水量，改变水的循环范围，以调节冷却系的散热能力，保证发动机在合适的温度范围内工作。节温器必须保持良好的技术状态，否则会严重影响发动机的正常工作。如节温器主阀门开启过迟，就会引起发动机过热, 当发动机的工作温度过高（超过100度）的话，发动机中的冷却水就会达到沸点进而沸腾，这种现象就是我们平常所说的“开锅”，发动机将无法正常运转，会减少发动机的寿命。主阀门开启过早，就会造成发动机汽缸内的燃油混合物雾化不良，在启动，尤其是冷启动的时候会造成延长热车时间，在极端的情况下甚至永远无法达到正常的工作温度，这不不仅对于发动机会造成损害，甚至会危及到行车安全。

图4 节温器
4.3水泵
水泵（如图5所示），它由曲轴皮带带动，水泵叶轮推动冷却液在整个系统内循环。冷却液膨胀箱：闭式膨胀水箱一般叫做定压罐，而膨胀水箱一般都指开式的水箱。都有膨胀和定压的作用。闭式膨胀定压罐的控制可以有两种方式，一般常用的是压力控制。当然也可用水位控制，但不如用压力简单。说到系统的定压作用：因为无论是采暖还是空调，水循环系统都是闭式的，系统需要一个恒压点，也就是定压系统的定压点。定压点压力的高低要考虑两个因素，一个是系统运行时任一点都不超压，二是系统停运时系统不倒空。从水压图的分析可以看得很清楚。显然，如果定压点的压力过高，那么系统中的每一点的压力也就相应的高，如果超过了管道、阀门或设备的承压能力，就要出事故。太低的话，一旦停泵（指循环泵），系统顶部就成了负压，系统就会倒空，下一次运行时就要进行放气，不然就会出现气堵。定压罐的内部一般是有一个气囊的，系统亏水时在气囊内气体的压力下就将罐内的水挤到系统里了，气囊中气体的体积膨胀压力就会降低。系统内的水如果膨胀压力就会升高，水就会被挤到罐内，罐内的水多了就会压迫气囊，使气体的体积压缩，压力升高。因此可以根据气体的压力（或罐内水的压力）来决定是否补水（或者是排水）。一般允许有一个压力波动的范围。这个范围对应于气体体积的变化范围。控制可以用一个电节点压力表实现。

1－水泵壳体；2－水泵叶轮；3－进水口；4－水泵轴；5－出水口
图5 水泵
5 发动机冷却系统发展趋势
发动机的趋势主要有以下几个方面。
5.1冷却系统的能控化
目前随着电子技术和计算机技术的广泛应用和飞速发展，电部件技术H趋成熟，传统被动式的发动机冷却系统正在走向智能化和自动化。传统冷却系统不能更全面的适应发动机实际运行时的冷却需求．从而无法实现对发动机水温在全运行工况内的合理控制。然而，采用电子驱动及控制技术，可以通过愀和计算机芯片根据实际的发动机温度控制运行．从而提供最佳的冷却介质流孱，降低能耗，提高效率。例如，HoomCho等人用电控冷却水泵取代传统机械水泵，利用试验和模拟对比分析发现逋过控制水泵转速并提高电控水泵效率，功率消耗降低量超过87％若将水泵转速提高至最大值时．可降低散热器尺寸超过27％对提升发动机性能和燃料经济性潜力很大。
可见。电控冷却系统一方面可以通过精确、自动地调节冷却液的温度'把发动机的工作温度控制在最佳范围’延长发动机的使用寿命．提高发动机的工作效率，降低发动机的故障事；另一方面，还可根据汽车的行驶速度、发动机的冷却水温来综合控制冷却系统．从而达到降低油耗和提高发动机可靠性的效果。
5.2温度设定点的合理调节
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，可以通过改变冷却液温度设定点来改善发动机和冷却系统在部分负荷时处于不太理想状态时的性能。升高或降低温度点在不同情况下各有优长。
5.2.1提高温度设定点
提高温度的优点是：于提高了发动机的运行温度和机油温度，减少了发动机的散热量和摩擦损失，提高冷却液和金属温度会改善发动机和散热器热传递效果，降低冷却液流逮减少水泵的标定功牢而改善发动机的燃油经济性从而降低
发动机的辅机功率损耗。这种方法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。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％。同时，提高发动机运行温度对发动机热承载能力提出了更高要求埘NOx徘放也有负面影响，同为燃烧室中NOx的生成对温度的变化十分敏感。因此，在排放要求较严格的情况下提高温度设定点的做法对于柴油机不适合；但是对于汽油机则很有潜力，在部分负荷下提高冷却液温度可以使有效功牢最大提高10%。
5.2.2降低温度设定点
降低温度设定点的优势在于降低进气温度。从而提高充气效率，有利于燃烧过程优化和降低燃油消耗提高部件的使用寿命。Finlay等人的研究表明，若气缸温度降低50℃，点火提酊角可提前30 CA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,取得较好的燃油经济性和排放性能。此外，在较低的冷却液设定温度工况下'可在燃油消耗率和NOx排放间获得更好的折中关系，最大可使NOx排放降低30％，燃油消耗率及CO和HC排放也略有改善。
总之，无论是提高温度设定点还是降低温度设定点都可能改善发动机的冷却性能但是必须结合实际需要而合理应用。
5.3冷却机坶的优化创新
发动机冷却系统零部件的低能耗和高效率同样是设计目标之一，零部件冷却效率的提高主要从几个方面来实现。a.新材料的应用；b.部件结构的新设计；c.部件的智能驱动方式：d．发动机常规冷却机理中的强化冷却措施，如活塞的“内油
冷”、排气门的“钠冷”以及喷油嘴的“内油冷”等内冷技术。
随着材料科学和加工工艺水平的不断进步，发动机的冷却机理有向强化内冷却、减弱甚至取消外冷却的方向发展的趋势，这对于提高发动机的热效率等将产生巨大的推动作用。
5.4介质流动的合理组织
发动机的冷却介质主要包括腔内冷却液和空气侧冷却空气。
5.4.1水腔内冷却水流动的研究状况及趋势
改进发动机冷却水套结构是研发高强化发动机关键环节1992年CloughM.J提出了“精确冷却”的概念(即利用最少的冷却以达到最佳的温度分配)，其应用的潜在优势在于降低摩擦系数和冷却水泵功率消耗，提高平均有效压力和抗爆性。CouetouseH.等人提出分流式冷却系统的设计(即气缸盖和气缸体有不同的冷却回路．使得气缸盖和气缸体具有不同温度)其优势在于使发动机各部分在最优的温度设定点工作，达到较高的冷却效率。研究实践表明．无论是精确冷却系统还是分流式冷却系统．都要求对发动机冷却水套进行必要的改进以优化冷却液流动。从设计和使用角度看，分流式冷却和精确冷却相结合具有很好的发展前景，有利于形成理想的发动机温度分布．满足发动机对未来冷却系统的要求。
5.4.2空气侧冷却空气流动的研究状况及趋势
车辆迎风空气侧冷却空气流动的组织在很大程度上制约着冷却水冷却效果同时也影响发动机的工作性能。空气侧部件空间安装分布对空气流动和温度分布影响显著，其中，风扇是研究的焦点。Delphi汽车公司提出了新的中冷器一风扇一散热器布置顺序的冷却模块概念，即将风扇置于中冷器和散热器之间，在保证风扇提供相同的质量流量的前提下CFRM所需的风扇转速要远远低于传统的CRFM,可以节约19％的风扇耗功。NgySrunAP等人甚至提出取消冷却风扇在车厢加热器处加装风机的方案，能降低成本达30％，质量减轻达30％．对不带空调的车辆，尤其是小型车辆应用前景更好。

6总结
在新材料、新技术、新理念的引颂下。充分用发动机现代设计技术寻求对冷却系统的冷却机理、控制和研究开发手段的改进是冷却系统发展的必然趋势。从设计的有效性和实用性方面来看。冷却介质的流动优化是改善冷却系统的关键。使用电控冷却部件实现精确冷却和分流式冷却的合理整合，能最大程度满足逐渐提高的冷却系统性能要求，具有十分理想的应用前景。总之，只有对冷却系统各个环节进行深入地研究．多方面寻求提高冷却性能的有效途径，合理利用和发挥各个方法的潜孝优势，才能实现冷却系统的高效化和低耗化，进而从整体上提高发动机的性能。

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