淺論現代汽車發動機冷卻系統發展特點

楊明舉

摘 要：文章介紹了現代汽車發動機冷卻系統的設計特點，并對當前各種冷卻系統發展模式進行了對比分析，提出結合不同冷卻模式優點，全面提升發動機冷卻系統功效的建議。

關鍵詞：發動機；冷卻系統；結構特點

隨著科技水平的不斷提高，汽車設計與制造技術也在不斷發展前進。與過去相比，現在的汽車功能更加富于多樣性、馬力更加強勁、結構更加復雜緊湊。汽車設計與制造的巨大變化，在滿足人們日益增長的使用需求之外，也帶來了一些問題。功率越強大，發動機產生的廢熱也就越多。這給汽車散熱性能提出了更高的要求。在汽車某些重要的部位，散熱問題是個必須加以重視的問題，比如排氣門這樣的部位，即使冷卻系統發生微小的故障都有可能引發巨大的災難。由于發動機散發的熱量和運行功率成正比，所以冷卻系統要以滿足發動機最大功率為要求進行設計與制造。如此一來才能滿足汽車以最大功率行駛時的散熱冷卻要求。但這樣會導致汽車以部分功率行駛時冷卻系統發生功率損失。具體而言就是冷卻液的實際流量超過散熱所需的流量。另外，結構合理、性能優良的冷卻系統能夠有效降低汽車冷啟動時間。在冷啟動狀態下，汽車油耗較大，排放的污染物較多。可以說，冷卻系統性能水平的高低對于汽車發動機的燃油經濟性、加速性、可靠性以及使用壽命都有著顯著的影響。

1 現代發動機冷卻系統的設計重點

傳統冷卻系統只是單純為發動機提供降溫冷卻服務，保障發動機始終處于正常的工作溫度范圍內。現代發動機在此基礎之上，更增添了改善燃料經濟性和減少排放污染的功能。基于這個原因，在現代發動機設計和制造過程中要注意考慮以下幾個方面：發動機內部的摩擦損失；冷卻系統水泵的功率；燃燒邊界條件，如燃燒室溫度、充量密度、充量溫度等。其關鍵是冷卻液溫度的設定與控制。

2 溫度設定點

傳統冷卻系統的冷卻溫度是根據發動機最大功率時的狀態進行設置，以保障充份的冷卻散熱效能。這樣會導致發動機非滿負荷運轉狀態下的汽車油耗和廢氣排放增加，影響經濟性能和環保效益。現代發動機可以通過調整冷卻液溫度設定點來改善發動機和冷卻系統在部分負荷時的性能。由于為保障冷卻系統的冷卻效果及時、準確、可靠，冷卻系統以金屬溫度為依據進行調控。而發動機工作溫度的最大值又取決于排氣門周圍區域最高溫度，所以可根據排氣門周圍區域溫度極限值調整冷卻液或金屬溫度設定點。升高或降低溫度點后果影響各不不同，具體采用哪種方式要根據設計目的來決定。

2.1 提高溫度設定點

提高工作溫度設定點是最常見的一種方法。對于降低發動機損耗和廢氣排放以及提高冷卻系統效果有著直接影響。提高工作溫度使得發動機機油溫度上升，從而降低發動機摩擦磨損和燃油消耗。實驗證明，冷卻液排出溫度提高到150℃，氣缸溫度就會達到195℃，油耗下降4%到6%。如果冷卻液溫度處于90到115℃之間，發動機機油的最高溫度會達到140℃，非滿負荷狀態下的油耗下降10%。同時，提高工作溫度有助于提升冷卻系統工作效率。提高冷卻液或金屬溫度有利于發動機更好地散熱，從而可以降低冷卻液的流速，減小水泵的額定功率，最終達到減小發動機的功耗的目的。

2.2 降低溫度設定點

降低冷卻系統的工作溫度能夠有效加強發動機充氣性能，降低進氣溫度，從而對燃燒過程、燃油效率和廢氣排放產生積極影響。降低溫度設定點可以降低發動機損耗，延長零件使用壽命。實驗證明，氣缸蓋溫度降低到50℃，可保證在不發生爆震的前提下點火提前角提前3℃A，充氣效率上升2%，有助于更好的設置壓縮比和相關參數，提高燃油效率，降低尾氣排放。

3 現代冷卻系統發展方向

3.1 精確冷卻系統

精確冷卻的特性主要體現在冷卻水套的結構設計與冷卻液流速的設計中。通過對不同部位的精確設計，產生不同的冷卻液流速，從而提高冷卻效果。一般通過減小冷卻液通道的橫截面，提高流速，減少流量來實現。冷卻水套和水泵規格型號的選擇是精確冷卻系統的設計關鍵，要以保證低速大負荷狀態下關鍵區域工作溫度要求為標準。根據負荷不同，發動機冷卻液流速從每秒1米到每秒5米，波動范圍較大。所以在選擇水套和設計冷卻系統時要從統籌全局，發揮最大效能。實驗證明，精確冷卻系統能夠在全發動機工作轉速范圍內使冷卻液流量可下降40%。對氣缸蓋上冷卻水套的精確設計，可使普通冷卻道流速提高186%，氣缸蓋傳熱性得以大幅提高，氣缸蓋金屬溫度降低到60℃。

3.2 分流式冷卻系統

在分流式冷卻系統中，氣缸蓋和氣缸體各自擁有獨立的冷卻回路，氣缸蓋和氣缸體工作溫度互不影響，使得發動機各部位都能夠在各自的最佳工作溫度下工作。冷卻系統的整體效率達到最大。各個冷卻回路根據自身技術要求進行獨立工作，使得發動機溫度分布趨于理想狀態。所謂理想的發動機熱工作狀態是氣缸蓋溫度較低而氣缸體溫度相對較高。氣缸蓋溫度較低可提高充氣效率，增大進氣量，進而促進完全燃燒，增加輸出，減少一氧化碳、碳氫化合物和氧化氮的排放。氣缸體溫度較高會增大潤滑，提高燃油效率，降低缸內壓力和溫度的極限值。實驗證明，使用分流式冷卻系統缸蓋和缸體溫度可相差100℃。在氣缸溫度150℃情況下，缸蓋溫度可降低50℃。整體油耗降低4%到6%，非滿負荷狀態下碳氫化合物減少20%到35%。節氣門全開狀態下，缸蓋和缸體溫度可設定為50℃和90℃，實現節能減排的目標。

3.3 可控式發動機冷卻系統

傳統的發動機冷卻系統是以滿足發動機滿負荷運轉狀態下的冷卻要求而設計的。這樣一來，在非滿負荷狀態下冷卻能力就會超出實際需求，造成發動機功率浪費。對主要在市區內行駛的輕型車來說，這種情況尤其明顯。市區內行車多數情況下都是非滿負荷行駛，冷卻系統長時間處于高損耗狀態，造成能源浪費。另外，在特殊情況下，發動機散熱會超出正常范圍，達到一個極高的峰值，為保障這種情況下的散熱需要，傳統冷卻系統往往體積較大，導致冷卻效率降低，增大了冷卻系統的功率需求，延長了發動機暖機時間。可控式發動機冷卻系統能夠妥善解決上述兩個問題，它采用與傳統被動式冷卻系統截然相反的工作機制，能夠根據當前冷卻需要調整冷卻功率。可控式發動機冷卻系統由傳感器、執行器和電控模塊組成。傳感器將目標溫度信號發送給電控模塊，模塊根據設定參數將信號發送至執行器，從而實現冷卻量的調整。實驗證明，使用可控式冷卻系統，可以節省燃油2%到5%，減少一氧化碳排放20%，碳氫化合物排放10%。可控式冷卻系統具有較快的響應能力，可將冷卻溫度保持在設定點的±2℃范圍，不僅可以有效減少發動機暖機時間，還可以長時間保障冷卻系統處于極限工作水平，縮小發動機冷卻溫度和金屬溫度的波動范圍，減少循環熱負荷造成的金屬疲勞，延長部件壽命。

4 結束語

綜上所述，現代先進發動機冷卻系統能夠有效改進冷卻效率，降低能耗，減少廢氣排放。現代冷卻系統的最大優勢與特點就是實現了可控性，能夠對在發動機結構保護工作中起到重要作用的技術參數，比如金屬溫度、冷卻液溫度和機油溫度等實現調控，從而保證發動機始終處于安全工作狀態。能夠根據工作的不同需要及時采取不同能效水平，在保障發動機整體性能的前提下，最大程度地節省燃料、降低排放。從設計和使用性能角度看，分流式冷卻與精密冷卻功能上形成互補，結合使用效果更加理想。該結構使冷卻液直達關鍵散熱部件，降低溫度峰值，整體溫度分布趨向平緩，使得發動機保護能力、燃油經濟性和排放性等多種指標同時達到理想狀態。

參考文獻

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