汽車發動機冷卻系統的設計

董國宇 王立濤

摘要：發動機是汽車的靈魂，決定了汽車的性能好壞。發動機在快速運轉的時候會產生很多熱量，如果這些熱量沒有散失，會嚴重影響汽車零部件的運轉，從而影響汽車的正常使用。汽車發動機冷卻系統伴隨著汽車的發展而有了很大的改善。本文主要探討了汽車發動機冷卻系統的設計。

關鍵詞：汽車；發動機；冷卻系統；設計

1.冷卻系統的構造

1.1冷卻液

冷卻液指清潔的軟水，不是什么水都可以當作冷卻液的，越嬌貴的車對水質的要求越高。比如，清澈的泉水，雖然清澈，看起來也潔凈，但泉水中含有大量的礦物質，如果加入發念頭的冷卻系統中，就會產生大量的水垢，影響冷卻系統正常作用的發揮，可見，冷卻液水質的好壞是相當重要的，國際上遍及使用的乙二醇型冷卻液是在軟化水中按比例添加防凍劑乙二醇，配以適量的金屬緩蝕劑、阻垢劑等添加劑進行科學調和，達到冬季防凍、夏季防沸、且能防腐蝕、防水垢等作用。

1.2汽缸水套

它相當于發念頭燃燒室周圍的水道，當發念頭產生大量的熱時，汽缸水套將發揮降溫的作用在發念頭中，水和油的管道涇渭分明、互不干預干與，如果發現冷卻液中有油，就說明水道和油路發生了穿孔征象，一旦出現這種情況，水溫表的水溫會急劇上升，這時一定要及時采納措施。

1.3散熱水箱和冷卻風扇

散熱水箱從外觀看狀似蜂窩，做成這種形狀是為了增加水箱的散熱面積，以加強散熱效果；冷卻風扇有在正面安裝的，也有在側面安裝的，汽車在高速行駛過程中，冷卻風扇將外面的空氣吸引進來，利用自然風，起到冷卻的作用。冷卻系和空調冷凝器共同的風扇是直流永磁電念頭風扇，用裝在散熱器上的溫度節制開關來節制，當散熱器中冷卻液溫度降落至93～98℃時風扇停轉。

1.4冷卻水泵和節溫器

冷卻液在冷卻系統中的流動，首要依靠冷卻水泵的動力；節溫器能感知發念頭的作溫度，低溫時，它封住水套中的水，令其在水套內流動，當達到一定溫度時再打開，讓水顛末散熱水箱，發揮散熱作用。這里值得說明的是，切勿將節溫器摘掉，不然會導致發念頭過冷而難于啟動。

2.冷卻系統工作原理

冷卻系的功用就是使發念頭在不論什么工況下都得到適度的冷卻，從而保持在相宜的溫度（冷卻液溫度）下工作。汽車冷卻系統分為兩種類型：液冷和風冷。

2.1水冷系

水冷系是以冷卻液為冷卻介質，通過冷卻液將高溫零件的熱量帶走，再以一定的方式散發到大氣去，使發動機的溫度降低而進行冷卻的一系列裝置。

2.2風冷系

這種冷卻方法不是在發動機中進行液體循環，而是通過發動機缸體表面附著的鋁片對氣缸進行散熱。一個功率強大的風扇向這些鋁片吹風，使其向空氣中散熱，從而達到冷卻發動機的目的。

3.冷卻系統的特點

傳統冷卻系統的作用是可靠地保護發念頭，而還應具備改善燃料經濟性和降低排放的作用。為此，現代冷卻系統要綜合考慮底下的因素：發念頭內部的摩擦損掉；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。先進的冷卻系統接納系統化、模塊化設計方法，統籌考慮每項影響因素，使冷卻系統既保證發念頭正常工作，又提高發念頭效率和削減排放。

4.汽車發動機冷卻系統控制模式設計

4.1渦輪增壓器的冷卻

渦輪增壓器軸承過去只用機油冷卻，最近，由于安裝了中間冷卻器，使發動機功率進一步提高，因此發動機內燃氣量增加，熱負荷增大，渦輪增壓器軸承處的機油容易結炭，軸承材料也容易發生高溫腐蝕。為此，正開始采取用發動機冷卻水冷卻渦輪增壓器軸承的方法。因冷卻水在渦輪周圍高溫區循環，所以，不僅在運轉中而且在停車后冷卻水的氣化潛熱也可以冷卻軸承和機油通道。豪克等人聲稱：裝車的水冷式渦輪增壓器，與舊式只用機油潤滑的發動機相比其可靠性可提高4～10倍。

4.2分流式冷卻系統

分流式冷卻系統為另外一種冷卻系統。在這種冷卻系統中，氣缸蓋和氣缸體由各自的液流回路冷卻，氣缸蓋和氣缸體具有不同的溫度。分流式冷卻系統具備特有的優勢，可使發動機各部分在最優的溫度設定點工作，冷卻系統的整體效率達到最大。每個冷卻回路將在不同冷卻溫度設定點或流速下工作，創造理想的發動機溫度分布。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。溫度低且進氣量大可促進完全燃燒，降低CO、HC形成，也提高輸出功率。較高氣缸體溫度會減小摩擦損失，直接改善燃油效率，間接地降低缸內峰值壓力和溫度。分流式冷卻系統可使缸蓋和缸體溫度相差100e。氣缸溫度可高達150e，而缸蓋溫度可降低50e，減少缸體摩擦損失，降低油耗。較高的缸體溫度使油耗降低4%～6%，在部分負荷時Hc降低20%～35%。節氣門全開時，缸蓋和缸體溫度設定值可調到50e和90e，從整體上改善燃油消耗、功率輸出和排放。

4.3單片機控制系統工作原理

當點火開關處于“ON”，發動機轉速傳感器采集發動機轉速信號，發動機轉速信號經處理變換為數字信號，由單片機MCS-51讀入，MCS-51單片機根據輸入的信號判斷發動機是否處于啟動或正常工作狀態。當發動機處于啟動狀態時，溫度傳感器感受發動機冷卻液溫度，同時把溫度信號轉變為電壓模擬信號，此信號經處理后送入轉換器中，由轉換器把采集來的模擬電壓信號，轉換為數字信號并讀入單片機MCS-51，單片機根據送來的溫度信號判斷發動機冷卻液溫度是否低于一定溫度）。如發動機冷卻液溫度低于60℃，單片機輸出信號電加熱器給冷卻液預熱，以便于發動機冷啟動，縮短暖機時間，減輕發動機磨損，減少燃油消耗和排放污染。當冷卻液溫度達到60℃C時則停止預熱。當發動機啟動后，由溫度傳感器感受發動機冷卻液溫度高低與變化率，同時把溫度電壓信號經處理后由單片機讀入，單片機根據溫度的高低及變化率，采用模糊控制的方法分析處理，輸出控制信號去控制驅動電路，對節溫器、保溫簾的開度和冷卻風扇的轉速進行控制，實現對發動機冷卻系統冷卻強度的智能控制。在發動機工作過程中，如發動機冷卻液溫度越限（，單片機則輸出信號進行越限報警，如傳感器及其電路在工作過程中出現故障，單片機得到的信號不符合要求，單片機則輸出信號進行故障報警。單片機根據采樣數據分析處理發出控制指令，使：a電控冷卻風扇不工作；b電控導風板處于敞開狀態；c電控節溫器處于大循環狀態。這樣，直到發動機水溫返升至95e，電控冷卻風扇又重新工作。

結語

隨著汽車輕量化技術等發展，現代汽車領域對發動機的設計理念趨向于緊湊、單位面積功率大等方向。這樣的設計就導致發動機的強化程度越來越高，發動機工作的時候產生的熱流密度也就非常大。這個產生的熱流也是妨礙發動機進一步提高效率，改進性能一大因素。發動機冷卻系統就是為了解決發動機高速工作時熱流的冷卻和熱平衡。除此之外，冷卻系統還對發動機的排放有影響，越來越嚴格的排放標準對冷卻系統也提出了更高的要求。發動機冷卻系統已經成為汽車領域里關鍵的技術，對提高發動機性能和經濟性都有很大的幫助。因此，對發動機冷卻系統設計進行更深入的研究也就具有了更加重要的意義了。