汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定性分析與研究

劉云峰 曾凡柏 何立農(nóng) 湯海群

摘 要：冷卻系統(tǒng)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造中十分關(guān)鍵的部分，本文對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作穩(wěn)定性進(jìn)行深入的研究分析，具體介紹了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及工作原理。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；冷卻系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；研究

1 概述

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)來說，我們希望發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間不要過長，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)在暖機(jī)過程中噴油器噴油量會(huì)加大，所以會(huì)造成油耗加大，經(jīng)濟(jì)性能差，污染物排放超標(biāo)，嚴(yán)重影響了周圍環(huán)境質(zhì)量。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜， 而且汽車運(yùn)行工況具有多變性的特點(diǎn)， 它對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的影響因素也是多變且較為復(fù)雜的，但大致影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻效果的主要因素有冷卻水道結(jié)構(gòu)、散熱效率、循環(huán)冷卻水量和冷卻空氣流量。

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)歷了上百年的發(fā)展，冷卻系統(tǒng)從技術(shù)上已經(jīng)大部分解決了上述存在的缺陷，顯著提升了汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性，明顯降低了燃油的耗損及減輕了環(huán)境污染程度，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)熱量控制主要是通過各個(gè)傳感器將信號(hào)傳給發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元，再由電子控制單元控制冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，從而可以有效的控制散熱效果。

2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)

早期汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是考慮對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)起到冷卻效果，而沒有關(guān)注排放問題。研發(fā)技術(shù)成熟的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)應(yīng)充分考慮整個(gè)系統(tǒng)的性能優(yōu)化，還要考慮模塊化，設(shè)計(jì)時(shí)考慮可能存在的不利影響因素，并將這種對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的不良影響因素進(jìn)行有效控制，使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)能達(dá)到正常工作需要，又能使發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性提高，同時(shí)又降低了排放，現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)從最初的設(shè)計(jì)到構(gòu)造，再到最后的裝車應(yīng)用過程中，都應(yīng)該重視這些問題，目前市場上汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯著的特點(diǎn)是運(yùn)用了非常成熟的結(jié)構(gòu)布局及加工工藝，任何一個(gè)特殊的因素都不能被忽視，只有在設(shè)計(jì)的時(shí)候進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)在任何工況下都能保持高效率的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)然排放這個(gè)問題一定不能忽視，這樣的設(shè)計(jì)理念才能走得更遠(yuǎn)。

3 溫度設(shè)定點(diǎn)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，本身受到的影響是復(fù)雜多變的，那么怎樣來保證在這種多變復(fù)雜的環(huán)境下使得發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的作用與性能得到發(fā)揮呢？這不是單純的只改變其中某一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)就可以排除的問題。如果既要保證發(fā)動(dòng)機(jī)的基本工作，又要提高其動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性，就一定要考慮整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化，而且每款不同的發(fā)動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上都有自己的特點(diǎn)，另外，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)溫度的最大值是由機(jī)體產(chǎn)生的溫度變化所決定的，所以如何確定金屬溫度的設(shè)定點(diǎn)很關(guān)鍵，這樣可以顯著的避免發(fā)動(dòng)機(jī)由于溫度高而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的不利影響，因?yàn)槿魏伟l(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)都有自身的構(gòu)造與特點(diǎn)，散熱率就是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻溫度高低的量度尺，那么，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)不佳的話，很容易使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生較高的油耗。

3.1 提高溫度設(shè)定點(diǎn)。溫度設(shè)定點(diǎn)的提高對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的發(fā)揮有很大的優(yōu)勢，隨著溫度設(shè)定點(diǎn)的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度與運(yùn)行溫度都應(yīng)該有相應(yīng)的提高， 這樣可以有效的減少散熱量和摩擦損失， 從而達(dá)到提高發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低發(fā)動(dòng)機(jī)污染物的排放。此外， 提高冷卻液溫度能明顯改善散熱器散熱量和提高發(fā)動(dòng)機(jī)散熱效果， 如果降低冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)里面的流速， 就可以降低水泵的標(biāo)定功率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率輸出。那么提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度設(shè)定點(diǎn)有些什么手段呢？最有效最典型的手段就是高溫冷卻技術(shù)， 將冷卻液溫度控制在90℃～ 115℃范圍內(nèi)， 最高溫度可達(dá)130℃， 例如，德國MT U890 系列坦克發(fā)動(dòng)機(jī)就運(yùn)用了高溫冷卻技術(shù)， 這種冷卻系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是采用了全封閉式結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)構(gòu)方式可以很大程度縮小冷卻系統(tǒng)容積從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率消耗。當(dāng)然， 提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度對(duì)構(gòu)成發(fā)動(dòng)機(jī)的材料熱受熱載荷的能力提出了很高的要求， 對(duì)Nox的排放非常不利，因?yàn)镹ox的生成需具備兩個(gè)條件：高溫、富氧。因?yàn)槠蜋C(jī)的壓縮比比柴油機(jī)小，熱負(fù)荷也相對(duì)較少，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油溫度相比較柴油機(jī)較低，其主要原因是柴油機(jī)的壓縮比比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)大，其廢氣排放物主要為HC 和CO， 如果在部分負(fù)荷下將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度升高，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率提高約10%。

3.2 降低溫度設(shè)定點(diǎn)。降低溫度設(shè)定點(diǎn)的最有效的途徑是什么呢？最有效的途徑是降低進(jìn)氣溫度， 根據(jù)熱脹冷縮的原理，可以適當(dāng)增加進(jìn)氣密度，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)過量空氣系數(shù)， 可以使燃油的燃燒有足夠的氧氣，從而可以達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗，從而達(dá)到使得燃燒過程更加優(yōu)化的效果。Finlay 等科學(xué)家的研究得出結(jié)論， 如果將某一個(gè)氣缸溫度降低50℃， 那么點(diǎn)火提前角可以增大3°CA，這樣可以有效的防止爆震，假如充氣效率提高2%，那么可以使得發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性有著明顯的提高， 這樣可以使得結(jié)構(gòu)參數(shù)更加優(yōu)化，還可以適當(dāng)?shù)脑龃髩嚎s比。總而言之， 不管是將發(fā)動(dòng)機(jī)溫度設(shè)定點(diǎn)提高還是降低都可以提高改善發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻性能， 但必須充分考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況，這樣才能達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。

4 結(jié)束語

通過以上分析可知，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的溫度設(shè)定對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)整體的經(jīng)濟(jì)性、排放性有著重要的影響，更是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作可靠性的保障。所以，發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)人員必須考慮汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，在考慮燃油經(jīng)濟(jì)性與排放性的前提下，對(duì)發(fā)動(dòng)動(dòng)機(jī)的設(shè)定溫度進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)，最終達(dá)到預(yù)期的目的。

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