淺談我國現代汽車發動機冷卻系統的發展與研究

汪炫妍

摘要：早期的發動機冷卻系統雖能滿足汽車的基本使用要求，但在滿載或者惡劣的環境中容易出現問題。在當今日益重視環境保護、提倡節能和舒適性的情況下，發動機的結構、性能和汽車整體性能都有很大的發展，冷卻系統正朝著輕型化、緊湊化和智能化的方向發展。為此，重點介紹了國內外汽車發動機冷卻系統的研究及發展情況，并做了簡要分析。

關鍵詞：冷卻系統；冷卻介質；冷卻機理

1發動機冷卻系統向智能化方向發展

發動機冷卻系統是汽車的重要構件。汽車水冷發動機冷卻系統主要由發動機冷卻水套、冷卻水泵、節溫器及冷卻風扇等部件組成。傳統冷卻系統采用的是冷卻風扇或離合器式冷卻風扇，兩種風扇均由發動機曲軸通過皮帶驅動，其冷卻調節的靈敏度不高，功率損失也很大。為解決這個問題，就出現了自控電動冷卻風扇。

2冷卻系統的冷卻介質

目前，發動機廣泛采用液態水作冷卻液。水作為內燃機冷卻系統的冷卻介質具有很多優點：在性能方面，它性能穩定、熱容量大、導熱性好、沸點較高；在經濟性能方面，它資源豐富、容易獲取。但另一方面，水作為冷卻介質也存在著兩個較大的缺點：一是冰點高，在 0℃時結冰，造成冬季使用困難；二是水具有一定的腐蝕性，對發動機冷卻系統有損害作用。另外，水做冷卻液的冷卻系統，體積較龐大，不利于汽車內部結構的優化和整體質量的減少，增加了發動機功率的額外消耗。天然水中

一般都含有部分礦物鹽類（MgCl2、Ca（HCO3）2 等），當水在發動機冷卻系統內受熱時，碳酸鹽會在冷卻系的壁上形成很難除去的水垢。導熱性能很差。當水垢聚積過多時，會使發動機冷卻性能惡化而導致過熱。另外，溶解在水中的某些鹽類（如 MgCl2）在受熱時產生水解作用，生成 Mg（OH）2 和 HCl。其中HCl 是一種腐蝕性很強的酸。因此，當水中含礦物鹽類過多時，對發動機的冷卻系統是很不利的。為了防止水垢的產生和水的腐蝕作用，在冷卻水中加入了防腐蝕劑（重鉻酸鉀 K2Cr2O7）；為了解決水在 0℃時結冰的問題，一般采用防凍液來作冷卻液，常見的有丙稀二醇、甘醇、硅酸鹽、有機酸等。

3 冷卻系統向高效低能耗方向發展

發動機冷卻系統效率的提高主要從兩個方面來實現：其一，新材料的應用及部件結構的新設計；其二，部件的智能驅動方式。傳統冷卻系統中，風扇和水泵的效率普遍不高，造成大量能源的浪費。為提高冷卻風扇的效率，用塑料翼形風扇取代圓弧型直葉片冷卻風扇。從氣體動力學的角度分析，翼形風扇能夠改善風扇流場，提高風扇的效率和靜壓，使風扇高效區變寬；另外，塑料表面的光潔度較高。傳統的冷卻風扇由發動機驅動，裝風扇的發動機與裝有風罩的散熱器必須分別用彈性支座固定在車架。為避免在汽車運行中因振動而引起風扇與風罩相碰，風扇葉輪與風罩的徑向間隙的設計數值大于20mm，這必然大幅度降低風扇的容積效率。風扇的總效率取決于容積效率、機械效率和液力效率的乘積，即 η總 η機 ?η容 ?η液。傳統風扇葉片采用薄鋼板沖壓而成，其液力效率 η液 較低，又加上皮帶傳動存在打滑損失，其機械效率 η楊 也不高，從而導致傳統冷卻風扇的總效率只有 30%左右。采用電控風扇，由電機直接驅動風扇，與原來的皮帶傳動相比，機械效率 η機 提高了。電控冷卻風扇完全脫離發動機，與風罩、散熱器安裝為一體，保證了風扇與風罩的同心度，進一步減小了徑向間隙，導致風扇容積效率 η容 大幅度提高；另外，采用翼形端面塑料和流線型風罩，使風扇氣流入口形成良好的流線型氣流，可提高風扇的液力效率 η液，綜合各項措施最終使電動風扇的效率達到 78%。

4 冷卻系統新的冷卻機理

上世紀 70 年代，美國、日本和英國等國家提出了“絕熱發動機”，其基本思路是對組成發動機燃燒室的零部件表面，噴涂耐高溫的陶瓷覆層或使用陶瓷零部件，從而大大減少散熱損失。經過 20 年的研制，絕熱發動機在高溫陶瓷零件（鑲塊或涂層）方面取得了較大的成功。絕熱發動機（無外部冷卻裝置）的整機熱效率接近 40%，復合式絕熱發動機的整機熱效率達到了 40%以上。這種以高度隔熱層為主要手段的絕熱發動機的有效熱效率，較同類常規發動機（水冷或風冷）高出 5%～15%。雖然絕熱發動機提高了整機熱效率和功率，同時降低了成本，但受材料和鑲涂工藝的限制，還不能在普通車輛上使用，而且在高溫條件下，發動機的潤 滑機油粘度降低，潤滑效果變差，需要安裝專門的散熱裝置；另外，氣缸的充氣效率會降低 5%～10%。因此，還需要進一步研究新的冷卻技術。

上世紀 80 年代，德國的 Elsbett 公司研制了一種新型車用發動機，它采用新的燃燒系統與新的冷卻系統相結合的方式，以傳熱系數低的普通金屬材料和巧妙的結構設計，大幅度減少了散熱損失，取消了外部冷卻裝置。該機 新的燃燒系統減少散熱的原理是在球型燃燒室中有強烈的空氣渦流，在離心力的作用下，沿燃燒室壁形成一層相對較冷的空氣區，“旋流式噴油器”噴出一股霧化錐角很大、射程近、射速慢的空心渦流霧錐。這股油霧隨空氣渦流旋轉，不與燃燒室壁接觸，在燃燒室中心混合燃燒，形成了熱的燃燒中心“熱區”和周邊溫度較低的冷卻空氣層“冷區” 這種燃燒系統。有“冷區”包圍著“熱區”，從而使燃燒室壁接受和傳出的燃燒熱量大為減少。Elsbett 發動機在此基礎上進行了進一步減少傳熱損失的設計，選用鑄鐵做活塞頂；將活塞環按內腔設置隔熱槽，以截斷熱流通道，減少傳向環槽的熱量。上述 3 項措施使燃燒經活塞傳到氣缸壁的熱量下降了一個數量級；加上以機油循環冷卻氣缸蓋內腔和缸體上部的油道，用機油噴射冷卻活塞內腔，實現了無水冷強制風冷的新的冷卻機理。

目前，還出現了發動機常規冷卻機理中的強化冷卻措施，如活塞的“內油冷”、排氣門的“鈉冷”以及噴油嘴的“內油冷”等內冷技術。另外，采用的一些節油技術也具有內部冷卻的功能，如乳化柴油、進氣噴水、進氣引汽、代用燃料冷卻和過量空氣冷卻等。

5 結論

（1）冷卻系統實現智能化，工作協調性增強。

（2）新技術、新工藝在冷卻系統中得到越來越廣泛的應用。

（3）隨著發動機新技術的應用，新概念的冷卻機制將在發動機冷卻中得到廣泛應用，冷卻裝置有離合器開關VJ 型汽車駕駛模擬器信號采集系統中的傳感的主機板直接接口，程序運行可靠。

參考文獻

[1]郭清山.人機工程設計[M].天津：天津大學出版社， 2016.5-7.

[2]李令舉.汽車電腦控制設備的原理與維修[M]. 北京：電子工業出版社，2015.95-96.

（作者單位：國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心）