汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、2007年第7期總第124期林區(qū)教學(xué)Teaching of Forestry Regi onNo . 72007General No . 124汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)黃大超(哈爾濱龍慶公路養(yǎng)護(hù)管理有限責(zé)任公司, 哈爾濱150000摘要:傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)由于自身的被動(dòng)性影響, 其工作性能受到限制。, 而汽車在這種工況下行駛的時(shí)間最長。, 統(tǒng)、可控式冷卻系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)既起到保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的作用, 關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng); 燃油效率; 減少排放中圖分類號:U464. 138:A ( 07-0124-021概述率, 域, 如排氣門周圍的散熱問題需優(yōu)先考慮。冷卻系統(tǒng)即便出現(xiàn)小的故障也可能在這樣的區(qū)域造

2、成災(zāi)難性的后果。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱能力一般應(yīng)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷時(shí)的散熱需求, 因?yàn)榇藭r(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量最大。然而, 在部分負(fù)荷時(shí), 冷卻系統(tǒng)會(huì)發(fā)生功率損失。水泵所提供的冷卻液流量超過所需的流量。我們希望發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)間盡可能短。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)排放的污染物較多, 油耗也大。而冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)時(shí)間有較大的影響。現(xiàn)代的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)充分考慮這些問題, 將發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量管理系統(tǒng)納入到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)中, 全面考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的暖機(jī)、冷卻效率、廢氣排放控制、燃油利用、乘客室的取暖和三元催化劑活化時(shí)間等。目前的冷卻系統(tǒng)屬于被動(dòng)系統(tǒng), 只能有限地調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和汽車的熱分布狀態(tài)。采用先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和先

3、進(jìn)的工作方式可大大改進(jìn)冷卻系統(tǒng), 使冷卻系統(tǒng)高效地運(yùn)行, 間接地提高燃料經(jīng)濟(jì)性和降低排放量。2現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的作用是可靠地保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī), 還應(yīng)具有改善燃料經(jīng)濟(jì)性和降低排放的作用。為此現(xiàn)代冷卻系統(tǒng)要綜合考慮下面的因素。(1 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦損失。(2 冷卻系統(tǒng)消耗的功率。(3 燃燒邊界條件, 如燃燒室溫度, 充量密度, 充量溫度。先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)采用系統(tǒng)化、模塊化設(shè)計(jì)方法, 統(tǒng)籌考慮每項(xiàng)影響因素, 使冷卻系統(tǒng)既保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常工作, 又提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和減少排放。2. 1溫度設(shè)定點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)性能受到多種因素影響, 不可能改變一項(xiàng)條件收稿日期:2007-04-10作者簡介:黃大超(195

4、6- , 男, 黑龍江哈爾濱人, 工程師。就能提高發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。因此先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)要全面考慮各種條件才能改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。使冷卻液溫度保持在設(shè)定點(diǎn)是冷卻系統(tǒng)最常見的工作方式。通常人們會(huì)認(rèn)為冷卻液的溫度可用金屬溫度表示, 實(shí)際上這種關(guān)系只在穩(wěn)態(tài)下和特定運(yùn)轉(zhuǎn)速度和負(fù)荷下才能成立。金屬和冷卻液溫度在發(fā)動(dòng)機(jī)不同地方可能相同也可能不同, 發(fā)動(dòng)機(jī)整體處于不均勻溫度分布狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的極限值取決于排氣門周圍區(qū)域最高溫度。最理想的情況是按金屬溫度而不是冷卻液溫度控制冷卻系統(tǒng), 這樣才能更好地保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。由于冷卻系統(tǒng)設(shè)定的冷卻溫度是以滿負(fù)荷時(shí)最大散熱率為基礎(chǔ), 因此發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)在部分負(fù)荷時(shí)處于不太

5、理想狀態(tài), 如市區(qū)行駛和低速行駛時(shí), 會(huì)產(chǎn)生高油耗和排放。通過改變冷卻液溫度設(shè)定點(diǎn)可改善發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)在部分負(fù)荷時(shí)的性能。根據(jù)排氣門周圍區(qū)域溫度極限值, 可升高或降低冷卻液或金屬溫度設(shè)定點(diǎn)。升高或降低溫度點(diǎn)都各有特點(diǎn), 這取決于希望達(dá)到的目的。2. 2提高溫度設(shè)定點(diǎn)提高工作溫度設(shè)定點(diǎn)是一種比較受歡迎的方法。提高溫度有許多優(yōu)點(diǎn), 它直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)損耗和冷卻系統(tǒng)的效果, 以及發(fā)動(dòng)機(jī)排放物的形成。提高工作溫度將提高發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度, 降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦磨損, 降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗。研究表明, 發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度對摩擦損失有很大影響。將冷卻液排出溫度提高到150, 使氣缸溫度升高到195, 油耗則下降4%6%。

6、將冷卻液溫度保持在90115范圍內(nèi), 使發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的最高溫度為140, 則油耗在部分負(fù)荷時(shí)下降10%。提高工作溫度也明顯影響冷卻系統(tǒng)的效能。提高冷卻液或金屬溫度會(huì)改善發(fā)動(dòng)機(jī)和散熱氣熱傳遞的效果, 降低冷卻液的流速, 減小水泵的額定功率, 從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率消耗。此外, 可采用不同的傳熱方式, 進(jìn)一步減小冷卻液的流速。2. 3降低溫度設(shè)定點(diǎn)降低冷卻系統(tǒng)的工作溫度可提高發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率, 降低進(jìn)氣溫度。這對燃燒過程、燃油效率及排放有利。降低溫度設(shè)定點(diǎn)可以節(jié)省發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行成本, 提高部件使用壽124命。研究表明, 若氣缸蓋溫度降低到50, 點(diǎn)火提前角可提前3°而不發(fā)生爆震, 充氣效率提高2%

7、, 發(fā)動(dòng)機(jī)工作特性改善, 有助于優(yōu)化壓縮比和參數(shù)選擇, 取得更好的燃油效率和排放性能。2. 4精確冷卻系統(tǒng)精確冷卻系統(tǒng)主要體現(xiàn)在冷卻水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與冷卻液流速的設(shè)計(jì)。在精確冷卻系統(tǒng)中, 熱關(guān)鍵區(qū), 如排氣門周圍, 冷卻液有較大的流速, 熱傳遞效率高, 冷卻液的溫度梯度變化小。這樣的效果來自縮小這些地方冷卻液通道的橫截面, 提高流速, 減少流量。精確冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于確定冷卻水套的尺寸, 選擇匹配的冷卻水泵, 保證系統(tǒng)的散熱能力能夠滿足低速大負(fù)荷時(shí)關(guān)鍵區(qū)域工作溫度的需求。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流速的變化范圍相當(dāng)大, -1-11m s 到最大功率時(shí)5m s 。統(tǒng)整體考慮, 相互補(bǔ)充, , 轉(zhuǎn)速范圍, -

8、1的精確設(shè)計(jì), 1. 4m s 提高到-14m s , 大大提高氣缸蓋傳熱性, 將氣缸蓋的金屬溫度降低到60。2. 5分流式冷卻系統(tǒng)分流式冷卻系統(tǒng)為另外一種冷卻系統(tǒng)。在這種冷卻系統(tǒng)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(tǒng)具備特有的優(yōu)勢, 可使發(fā)動(dòng)機(jī)各部分在最優(yōu)的溫度設(shè)定點(diǎn)工作, 冷卻系統(tǒng)的整體效率達(dá)到最大。每個(gè)冷卻回路將在不同冷卻溫度設(shè)定點(diǎn)或流速下工作, 創(chuàng)造理想的發(fā)動(dòng)機(jī)溫度分布。理想的發(fā)動(dòng)機(jī)熱工作狀態(tài)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(jìn)氣量。溫度低且進(jìn)氣量大可促進(jìn)完全燃燒, 降低CO 、HC 和NO x

9、的形成, 也提高輸出功率。較高氣缸體溫度會(huì)減小摩擦損失, 直接改善燃油效率, 間接地降低缸內(nèi)峰值壓力和溫度。分流式冷卻系統(tǒng)可使缸蓋和缸體溫度相差100。氣缸溫度可高達(dá)150, 而缸蓋溫度可降低50, 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(fù)荷時(shí)HC 降低20%35%。節(jié)氣門全開時(shí), 缸蓋和缸體溫度設(shè)定值可調(diào)到50和90, 從整體上改善燃油消耗、功率輸出和排放。2. 6可控式發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)屬于被動(dòng)式的, 結(jié)構(gòu)簡單或成本低?？煽厥嚼鋮s系統(tǒng)可彌補(bǔ)目前冷卻系統(tǒng)不足?，F(xiàn)在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是解決滿負(fù)荷時(shí)的散熱問題, 因而部分負(fù)荷時(shí)過大的散熱潛力導(dǎo)致發(fā)

10、動(dòng)機(jī)功率浪費(fèi)。這對輕型車輛來說尤為明顯, 這些車輛大多數(shù)時(shí)間都在市區(qū), 部分負(fù)荷下行駛, 只利用部分發(fā)動(dòng)機(jī)功率, 引起冷卻系統(tǒng)較高損耗。為解決發(fā)動(dòng)機(jī)在特殊情況下過熱的問題, 現(xiàn)在的冷卻系統(tǒng)體積大, 導(dǎo)致冷卻效率降低, 增大冷卻系統(tǒng)功率需求, 延長發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間?？煽厥桨l(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)一般包括傳感器、執(zhí)行器和電控模塊?？煽厥嚼鋮s系統(tǒng)能夠根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀況調(diào)整冷卻量, 降低發(fā)動(dòng)機(jī)功率損耗。在可控式冷卻系統(tǒng)中, 執(zhí)行器為冷卻水泵和節(jié)溫器, 一般由電動(dòng)水泵和液流控制閥組成, 根據(jù)要求調(diào)整冷卻量。溫度傳感器為系統(tǒng)的一部分, 可迅速把發(fā)動(dòng)機(jī)的熱狀態(tài)傳給控制器?？煽厥窖b置, 如電動(dòng)水泵, 可將冷卻系統(tǒng)溫度設(shè)定

11、點(diǎn)從90提高到110, 節(jié)省2%5%的燃油, 減少20%的CO, 10%的HC 。穩(wěn)定狀態(tài)時(shí), 金屬溫度比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的高10?？煽厥嚼鋮s系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)能力, 可將冷卻溫度保持在設(shè)定點(diǎn)的±2范圍。從110下降到100只需2秒, 發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間減少到200s, 冷卻系統(tǒng)工作范圍更貼近工作極限區(qū)域, 能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)冷卻溫度和金屬溫度波動(dòng)范圍縮少, 減少循環(huán)熱負(fù)荷造成的金屬疲勞, 延長部件壽命。3結(jié)論冷卻系, 能控性表示對發(fā)動(dòng)機(jī), 如金屬溫度、冷卻液溫度和機(jī)油溫度等能夠控制, 確保發(fā)動(dòng)機(jī)在安全限度范圍工作。冷卻系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌r作出快速反應(yīng), 最大地節(jié)省燃料、降低排放, 而不影響發(fā)動(dòng)機(jī)整

12、體性能。從設(shè)計(jì)和使用性能角度看, 分流式冷卻與精密冷卻相結(jié)合具有很好的發(fā)展前景, 既能提供理想的發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù), 又能提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性。這種結(jié)構(gòu)有利于形成發(fā)動(dòng)機(jī)理想的溫度分布。直接向氣缸蓋排氣門周圍供給冷卻液, 減少了氣缸蓋溫度變化, 使缸蓋溫度分布更加均勻, 也能將機(jī)油和缸體溫度保持在設(shè)計(jì)的工作范圍, 具有較低的摩擦損失和污染排放量。本文介紹分析最新的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作特性, 冷卻系統(tǒng)改進(jìn)的目標(biāo)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)的保護(hù)能力、燃油效率和低排放性。分析表明, 先進(jìn)冷卻系統(tǒng)具備的特性具有明顯提高現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)性能的潛力, 分流式冷卻、精密精確式冷卻和可控式元件相結(jié)合, 能使氣缸蓋溫度較低, 缸體溫度較高

13、, 滿足發(fā)動(dòng)機(jī)對未來冷卻系統(tǒng)的要求。參考文獻(xiàn):1王義春, 楊英俊, 谷中麗. 混合動(dòng)力車輛冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)J .北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, (1 .2高鏡惠, 花松. 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的模糊控制J .小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車, 2004, (1 .3賴贛明, 葉忠偉. 后置發(fā)動(dòng)機(jī)城市公交車?yán)鋮s系統(tǒng)的定性分析J .城市車輛, 2003, (6 .4肖成永, 李健, 張建武. 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的建模與仿真J .計(jì)算機(jī)仿真, 2003, 20(9 .5朱建軍, 鄭國璋. 465Q 汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)J .內(nèi)燃機(jī)工程, 2003, 24(3 .6趙東梅, 谷中麗, 王義春. 電傳動(dòng)車輛冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)J .車用發(fā)動(dòng)機(jī), 2003, (2 .7Couetouse H. Cooling Syste m Contr ol in Aut omotive EnginesJ .S AE Paper, No . 920788.8Finlay I C, The I nfluence of Te mperature on The Perf or manceof a Four Cylinder 1100cc En