基于熱管理的汽車發動機熱損失控制技術探討

嚴希清（福建船政交通職業學院，福州350007）

基于熱管理的汽車發動機熱損失控制技術探討

嚴希清
（福建船政交通職業學院，福州350007）

合適的發動機工作溫度，可以使發動機發揮最大的工作效率。發動機工作溫度過低將導致燃油消耗量上升、燃油不能充分燃燒、發動機機件磨損加大等危害。本文根據發動機熱管理的理念，對節溫器、前格柵進風口的傳統結構等造成熱損失的原因、危害，以及如何減少熱損失等進行論述。

發動機熱管理節溫器進氣格柵汽車節油

1 引言

在大力提倡低碳環保、節能減排的大背景下，隨著汽車保有量的不斷上升，油價也在不斷地攀升，廣大車主除了期盼油價下降之外，節油技術也成了關注的焦點。如何在節約有限的天然資源的同時，進一步提高汽油內燃機效率，降低碳排放等技術成為人們熱衷研究與開發的課題。汽車熱管理是在能源危機的出現、日益嚴格的汽車排放法規以及人們對汽車舒適性高要求的背景下應運而生的[1]。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。隨著計算機技術及發動機電控技術的發展，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，實現發動機冷卻系統控制智能化，達到降低能耗、提高效率、降低機件磨損的目的。

筆者通過多年的觀察發現，目前汽車普遍存在熱損失的現象，特別是節溫器與進氣格柵的設計存在一定的缺陷，導致發動機未能在最佳的工況條件下運行。只重視冷卻與降溫，而忽視溫升與保溫的傳統理念逐漸被科學的發動機熱管理技術所取代?？茖W的熱管理理念，應該是在強化冷卻與降溫技術性能的同時，還有重視發動機的溫升速度與保溫的作用，在特定的工況條件下，廢熱的利用同樣具有降低能耗、減少廢氣排放的現實意義和指導意義。

2 熱損失的危害

不論發動機工作在過高或過低的溫度狀態下，對發動機壽命以及油耗等都是沒有好處的。本文對高溫以及散熱技術不做描述，僅針對往往被人忽視的低溫狀態下的熱損失進行論述。

發動機經常處于低溫狀態工作，使發動機熱狀態不良，各機件磨損加劇，燃料消耗增加。汽車行車溫度包括發動機溫度、機油溫度、變速器和驅動橋主減速器油溫等，直接影響著發動機性能。

2.1 增加油耗

研究資料表明，發動機溫度從20℃上升到30℃時，相應的汽油蒸發率從50%上升到75%[3]。因此，低溫導致燃料蒸發性變差，混合氣霧化不好，油滴相對增多，造成各氣缸之間混合不勻，不易燃燒或使火焰傳播速度減慢，燃料不能完全參與燃燒，汽缸內的平均有效壓力降低，致使缸壁散熱量過多，氣缸中的氣體溫度壓力、熱效率降低，發動機功率下降，油耗增加。

圖1所示，水溫在50℃時與85℃時相比，后者比前者的燃油經濟性高出3%以上，即保持發動機適當的高溫，對油耗指標有利。研究表明，水溫在80℃～90℃時，發動機的燃油消耗率最低，發動機的效率較高。

圖1 發動機溫度與油耗關系

2.2 加速發動機機件的磨損

燃料的蒸發和霧化不良，給混合氣的形成帶來困難，使混合氣變濃，燃燒不完全，造成功率下降，耗油量增加。嚴重時混合氣中部分燃料凝聚在缸壁上，沖刷稀釋缸壁上的潤滑油膜，流入曲軸箱，使機油變稀，加速機件的磨損。燃燒產生的水蒸氣，由于溫度低便凝在缸壁上和燃燒生成物結合成強烈的酸性腐蝕劑，對缸壁、活塞、活塞環等零件產生強烈的腐蝕作用。圖2表明，發動機在40℃左右的低溫條件下工作，其磨損量要增加30倍以上，大大縮短使用壽命[3]。

圖2 低溫與磨損的關系

2.3 輸出功率下降

變速器、驅動橋主減速器的潤滑油溫度較低時，黏度變大，增加了曲軸與軸瓦和活塞與缸壁等摩擦副運動阻力，汽車行駛阻力增加，輸出功率下降。汽車在低溫條件下使用，傳動系各總成的潤滑油得不到很好的發揮，使得各總成在一段時間內負荷較大，從而使油耗增加，也引起零件磨損加劇，動力下降。

圖3示出了機械損失功率Pm與機油溫度之間的關系。從圖中可知，油溫在某一特定值tm時機械損失功率Pm最小，低于或高于tm時，都將導致潤滑不良，摩擦損失增加，嚴重時會損傷發動機零件，Pm增大，使發動機的動力性下降[3]。

3 熱損失的主要原因

3.1 節溫器

3.1.1 節溫器的作用

節溫器是一種自動調溫裝置，內部含有感溫組件，根據發動機水溫的熱脹或冷縮來開啟、關閉實現控制液體的流動，是控制冷卻液流動路徑的閥門。節溫器對于節約能耗、延長汽車發動機壽命起到重要的作用[4]。

目前使用的節溫器為蠟式節溫器，當溫度低于規定值時，節溫器感溫體內的石蠟呈固態，節溫器主閥關閉發動機與散熱器之間的通道，冷卻液經水泵返回發動機，進行發動機內小循環冷卻（如圖4）。當冷卻液溫度達到規定值后，石蠟開始融化逐漸變為液體，體積隨之增大并產生推力使閥門開啟。這時冷卻液經由散熱器和節溫器閥，再經水泵流回發動機，進行大循環冷卻（圖5）。

圖3 功率損失與機油溫度的關系

圖4 節溫器關閉狀態

3.1.2 節溫器調節特性

為了讓發動機溫度從常溫狀態盡快上升到發動機最佳溫度，希望在節溫器主閥門開啟前僅進行小循環冷卻。當發動機水溫升高到最佳溫度時，主閥門完全開啟，冷卻水全部流經散熱器，立即開始大循環冷卻。

圖5 節溫器開啟狀態

圖6 閥門開啟度與溫升的關系

將節溫器浸入常溫的冷水中，通過加熱過程進行觀察：節溫器的主閥門隨著溫度上升也逐漸開啟。試驗表明，蠟式節溫器屬于比例式調節，即閥門開啟行程與溫度成比例關系（如圖6曲線B所示），并不是開關式的閥門，理想的溫度特性如圖5中曲線A所示。

從圖6可知，蠟式節溫器閥門是逐漸開啟的?？梢?，發動機尚未達到最佳溫度，冷卻水已經開始通過節溫器進入了大循環，溫升速度下降，導致熱量損失。

3.2 前進氣格柵

隨著油價的上漲和節能減排的深入，現有的汽車格柵設計逐漸暴露出其設計上的不合理。有試驗表明，從冷車開始，特別是冬季，或北方的冬季在-20℃環境下，會給1.6排量的轎車增加1.5升/100km以上的油耗。主要問題表現在：

3.2.1 地域氣溫差異

在冬季，假設同一品牌款式的汽車分別在哈爾濱和廣州道的路上行駛，一個處在攝氏-20℃的氣溫環境，一個處在攝氏30℃的氣溫環境，汽車前臉的進氣格柵結構大小完全相同，肯定是不合理的。前者的發動機艙內的空氣流（非散熱風扇）對發動機的散熱是后者的5倍以上[5]，由此導致的問題是：哈爾濱的汽車的發動機保溫不夠，散熱系統可能永遠不會工作，并由于發動機溫度達不到正常工作溫度，ECU自動增加噴油量，汽車的油耗和尾氣排放肯定隨之增加；而廣州的汽車正好相反，環境氣溫高，需要啟動散熱系來滿足發動機的散熱需要。

3.2.2 時速的差異

以20km和120km時速行駛的汽車，其格柵進風口大小一樣。車頭的氣流對于發動機散熱來說，高速行駛時，格柵的進風口存在過大的可能，在冬季會讓發動機散熱過度，導致熱損失。這就是冬季比較費油的原因之一，也是冬季的北方時?？吹接梅颊趽跗嚽案駯胚M風口的緣故。

4 減少發動機熱損失的探討

發動機熱管理技術研究與實踐的目的之一，是在完善的冷卻系統前提下，盡可能地減少熱損失。在冷車時，采取相應的保溫措施，縮短暖機時間，盡早讓發動機進入最佳的工作溫度范圍；在行駛過程中，根據季節氣溫的不同，改善冷氣流對發動機保溫效果的影響：

4.1 節溫器的改進

圖6曲線B是蠟式節溫器的溫度特性，這是由于石蠟隨著溫度升高，逐漸液化而膨脹的過程，膨脹力逐漸頂開主閥門，導致過早地開始進入大循環，盡管是由小到大逐漸打開啟的過程。

采用電磁閥替代傳統的蠟式節溫器的主閥門，電磁閥受控于水溫傳感器。水溫傳感器是一種負溫度系數熱敏電阻，溫度與電阻成反比。當水溫達到設定的溫升值時（圖6中A曲線），水溫傳感器的熱敏電阻值下降，傳感器的采樣電壓低于比較器設定的閥值，比較器輸出高電平，驅動電磁閥開啟，冷卻系統立即開始大循環。該方案的好處在于電磁閥只有開啟或關閉兩種狀態，發動機未達到最佳設定溫度時，絕不開始大循環，從而達到縮短暖機的目的。反之立即開啟大循環。在電路設計時必須引入遲滯反饋回路，避免運算放大器過于靈敏而導致電磁閥震蕩的現象[6]。

4.2 可變開度的前格柵進風口

車輛在不同的季節、地域溫差、行駛速度情況下，固定不變的前格柵進風口對發動機的散熱效果存在很大的差別。寶馬汽車公司于2009年發布了相類似的智能降阻進氣格柵：在發動機水箱溫度過低時，進氣格柵將自動關閉，從而在冬天減少熱車時間，節省油耗；而當車輛在高速行駛時，兼顧到發動機水箱溫度適中的狀態下，進氣格柵會自動減小格柵的開度，達到保溫的目的，這對于燃油經濟性的提高有幫助。可見，熱管理技術已經受到高端車廠家的重視，而中低端經濟型的轎車尚未普及。

5 結束語

綜上分析，發動機熱管理技術，對于發揮發動機最佳工作效率、降低機械磨損、最大限度地提高燃油經濟性、提高節能減排的效果都具有重要的意義。鑒于篇幅有限，由水溫傳感器控制電磁閥和可變格柵進風口的實際電路與結構設計不再贅述。

[1]羅建曦.汽車熱管理系統集成空氣側熱流體分析研究[D].北京∶清華大學，2004.

[2]成曉北，等.現代車用發動機冷卻系統研究進展[J].車用發動機，2008（1）∶1-6.

[3]盧廣鋒，等.汽車冷卻系統水溫對發動機性能的影響[J].山東內燃機，2002（1）：29-33.

[4]李維明，等.汽車發動機節溫器總成生產技術的研究和應用[J].特種鑄造及有色合金，2011（2）.

[5]夏廣飛，等.前進氣格柵在發動機艙熱管理中的作用[J].中國汽車工程年會論文集，2011（301）.

[6]成曉北，等.車用發動機冷卻系統工作過程與匹配計算[J].汽車工程，2008（9）.