現代汽車發動機冷卻系統

摘要：本論文簡要分析了發動機冷卻系統的發展現狀、影響因素及存在的問題；介紹了目前國內外前沿的發動機冷卻系統的設計理念和研究方法，如智能化電控冷卻系統、精確冷卻理念、分流式冷卻、空氣側流動和發動機熱管理研究等；展望了現代發動機冷卻系統實現高效低耗的目標，指出采用電控冷卻部件實現精確冷卻和分流式冷卻的有效整合是行之有效的手段，而整車熱管理研究勢必會成為全面提高冷卻系統性能的主要方法。

關鍵詞：汽車發動機 冷卻系統 智能控制 發展趨勢預測

1引言

隨著現代車用發動機采用更加緊湊的設計和更大的單位體積功率，強化程度越來越高，發動機產生的熱流密度也隨之明顯增大，目前幾乎所有的發動機強化都面臨著如何解決高功率密度下的冷卻及熱平衡問題，在滿足不斷提高的輸出功率的同時，又要具有良好的經濟性。此外，日益嚴格的排放標準也對冷卻系統提出了新的要求。冷卻系統工作性能的優劣，直接影響著動力系統的整體性能。開發高效可靠的冷卻系統，已成為發動機進一步提高功率、改善經濟性所必須突破的關鍵技術問題。因此，采用先進的冷卻系統設計理念，對發動機冷卻系統進行深入研究具有十分重要的實際意義。

2現代發動機冷卻系統研究現狀及發展方向

由于冷卻系統對發動機性能的影響日益顯著，通過對冷卻系統的不斷改進來提高發動機性能已成為一種有效的手段。對柴油機冷卻系統的研究有兩個方面：一方面是以提高冷卻效率為目的的系統本身的研究，包括系統各缸水流分布、各部件結構設計、冷卻散熱系統合理匹配、系統控制等，稱為外冷卻研究；另一方面是研究冷卻系統關鍵零部件的熱負荷及其可靠性，它更注重研究固—液耦合問題，稱為內冷卻研究。目前，發動機冷卻系統的發展趨勢主要有以下幾個方面。

2.1冷卻系統的智能化和可控化

目前，大部分發動機冷卻系統仍屬于傳統的被動系統，只能有限地調節發動機和汽車的熱分布狀態。但隨著電子技術和計算機技術的飛速發展，電控零部件技術成熟，冷卻系統的智能化和自動化成為可能。

傳統的冷卻系統中采用機械驅動的冷卻水泵和冷卻風扇，冷卻介質流量取決于發動機轉速，而非發動機實際運行時冷卻量需求，顯然無法實現對發動機水溫在全運行工況內的合理控制。此外，這些部件耗功嚴重，比如風扇消耗的功率可以達到發動機總功率輸出的10%。采用電子驅動及控制的冷卻水泵、風扇、節溫器等部件，可以通過傳感器和計算機芯片根據實際的發動機溫度控制運行，提供最佳的冷卻介質流量，實現冷卻系統部件的智能化和可控化，同時降低能耗，提高效率。

2.2發動機冷卻介質流動的合理組織

2.2.1水腔內冷卻水流動的組織

閉式強制循環冷卻方式中，水腔內冷卻水流動的組織是直接影響冷卻效果的主要因素。改進發動機冷卻水套結構，尋求適當的冷卻水流量、壓力以及合理的流場分布成為高強化發動機研究開發中不可缺少的重要環節。

CloughM.J.早在1992年提出了“精確冷卻”的概念，即利用最少的冷卻以達到最佳的溫度分配。精確冷卻系統的設計關鍵在于確定冷卻水套的尺寸，選擇匹配的冷卻水泵，保證系統的散熱能力能夠滿足發動機低速大負荷時關鍵區域工作溫度的需求。CouetouseH.等人提出分流式冷卻系統的設計，即氣缸蓋和氣缸體有不同的冷卻回路，使得氣缸蓋和氣缸體具有不同的溫度。發動機理想的工作狀態是氣缸蓋溫度低而氣缸體溫度高，這是由于較低的氣缸蓋溫度有利于進氣和改善排放，而較高的氣缸體溫度則有利于降低摩擦損失，改善燃油經濟性。分流式冷卻系統的優勢在于使發動機各部分在最優的溫度設定點工作，達到較高的冷卻效率。

無論是精確冷卻系統還是分流式冷卻系統，都要求對發動機冷卻水套進行必要的改進以優化冷卻液流動。從設計和使用角度看，分流式冷卻和精確冷卻相結合具有很好的發展前景，有利于形成理想的發動機溫度分布，滿足發動機對未來冷卻系統的要求。

2.2.3空氣側冷卻空氣流動的組織

冷卻水從發動機機體帶走的熱量主要通過散熱器排入大氣中，增壓發動機還需要利用冷卻空氣對增壓空氣進行中冷，因此，車輛迎風空氣側冷卻空氣流動的組織在很大程度上制約著冷卻水冷卻效果，同時也影響發動機的工作性能。

由于空氣側部件空間安裝分布對空氣流動和溫度分布影響顯著，故關于空氣側部件空間布置的研究也較多，風扇是研究的焦點。針對傳統的中冷器—散熱器—風扇布置順序的冷卻模塊（CRFM），Delphi汽車公司提出了新的中冷器—風扇—散熱器布置順序的冷卻模塊（CFRM）概念，即將風扇置于中冷器和散熱器之間。在相同的運行條件下，CFRM能顯著改善空氣側的溫度分布，CFRM的空氣流量較CRFM高16%。

2.3發動機熱管理技術研究

對于單獨的冷卻系統主要研究的是發動機冷卻部件的散熱情況，而發動機熱管理則涉及發動機全系統及整車。將冷卻系統研究整合到發動機熱管理中，能充分考慮冷卻系統對整車性能的影響，將冷卻系統的效率提高至最理想值，最大限度地發揮冷卻系統的功用。發動機熱管理技術被列為美國21世紀商用車計劃的關鍵技術之一，對提高整車性能潛力巨大。發動機熱管理系統的目標是提高燃料經濟性，降低排放，增加功率輸出和車輛載重能力，降低氣動阻力損失和車輛維護費用，提高可靠性以及車輛對環境的適應能力。主要從以下方面實現：采用計算機芯片控制發動機溫度，應用強迫對流和核態沸騰傳熱相結合的冷卻機制，使用先進有效的傳熱介質，增加換熱量，采用更加輕巧的高導熱率材料制造的換熱器，對發動機機艙底部空氣流動進行管理，進行余熱儲存，優化散熱器及風扇的設計和布置，廢熱循環及再利用等。

總之，只有對冷卻系統各個環節進行深入地研究，多方面尋求提高冷卻性能的有效途徑，合理利用和發揮各個方法的潛在優勢，才能實現冷卻系統的高效化和低耗化，進而從整體上提高發動機的性能。