汽车发动机冷却系统的发展与现状

12002年5月农机化研究第2期汽车发动机冷却系统的发展与现状卢广峰，郭新民，孙运柱，尹克荣，牟晓玉（１．山东农业大学机械电子工程学院，山东泰安２７１０１８；２．东营市公路局，山东东营２５７０９１；３．山东农业大学林学院，山东泰安２７１０１８）［摘要］早期的发动机冷却系统虽能满足汽车的基本使用要求，但在满载或者恶劣的环境中容易出现问题。在当今日益重视环境保护、提倡节能和舒适性的情况下，发动机的结构、性能和汽车整体性能都有很大的发展，冷却系统正朝着轻型化、紧凑化和智能化的方向发展。为此，重点介绍了国内外汽车发动机冷却系统的研究及发展情况，并做了简要分析。［关键词］冷却系统；冷却介质；冷却机理［中图分类号］Ｕ４６４．１３８［文献标识码］Ａ［文章编号］１００３─１８８Ｘ（２００２）０２─０１２９─０３１发动机冷却系统向智能化方向发展发动机冷却系统是汽车的重要构件。汽车水冷发动机冷却系统主要由发动机冷却水套、冷却水泵、节温器及冷却风扇等部件组成，如图１所示。传统冷却系统采用的是冷却风扇或离合器式冷却风扇，两种风扇均由发动机曲轴通过皮带驱动，其冷却调节的灵敏度不高，功率损失也很大。为解决这个问题，就出现了自控电动冷却风扇。最早的汽车电动冷却风扇出现在１９８１年３月的美国专利文件中（专利号ＵＳ４２５７５５４）。该专利首１９８５年，德国大众汽车公司在中国申请发明利（专利号ＣＮ８５１０９５／Ａ）。该项专利在汽车散热器，前方设置空气吸入口和辅助通口，加快了散热器的冷却速度，减少了电动风扇的电能消耗。但辅助通风口从下向上吸入冷却空气，很容易将道路上的尘土、杂物吸入，造成散热器脏污和堵塞，使散热器的散热效率降低。１９８５年，德国大众汽车公司在中国申请发明专利（专利号ＣＮ８５１０９５／Ａ）。该项专利在汽车散热器前，方设置空气吸入口和辅助通口，加快了散热器的冷却速度，减少了电动风扇的电能消耗。但辅助通风口从下向上吸入冷却空气，很容易将道路上的尘土、杂物吸入，造成散热器脏污和堵塞，使散热器１９８９年，美国发明专利（专利号ＵＳ４８７５５２１）的散热效率降低。次在载重汽车上采用电动单冷却风扇，风扇布置在散热器中部，叶片直径较大，驱动功率也较大。１９９２年，美国发明专利“机动车发动机的通风系统”（专利号ＵＳ５２６９２６４）［４］将电动冷却风扇布置在散热器前方，根据发动机温度的高低，冷热气阀可以交替开闭。韩国现代汽车公司生产的奏鸣曲（ＳＯＮＡＴＡ）牌轿车，用两个相对独立而又相互联系的电子控制的冷却风扇—散热器冷却风扇和冷凝器冷却风扇，对冷却液温度和空调冷凝器温度进行多级联合控制。该系统可以根据冷却水温度和空调系统的工作状态，综合调节冷却能力［５］，减少了在低温时发动机的传热损失、功率损失和过度磨损，抑制了发动机过热的发生，降低了燃油消耗率。冷却风扇由传统控制方式转化为智能控制方式，散热风扇的冷却能力随着发动机散热的需要而自动精确地调节，提高了发动机的预热速度，使其始终保持最佳工作温度，而且避免了能源的大量浪费，其中减少风扇功率消耗９０％，节省燃油１０％。１９９９年，法雷奥（Ｖａｌｅｏ）公司提出了在发动机上配置名为Ｔｈｅｍｉｓ（智能热调节系统）的新型电子调节系统，来改善发动机的冷却性能。它实现了水泵和缸体的分离，泵的流量和通风装置都通过发动机的ＥＣＵ来进行调整和控制，便于水泵的安装，而且远离缸体这一热源后，水泵可以用塑料制成，既降低了成本，又减轻了水泵的重量，达到了水泵的转速随水温的变化而变化，进一步降低传热损失和机械损失，降低了污染和油耗的目的。１９９４年，台湾裕隆汽车公司申请专利（专利号９４１１９８１９），提出了在冷却系统中装置可调转速电动水泵的设计。以反馈控制水泵冷却液流量，其主要是根据水温、节气门位置、车速等的传感器所传给ＥＣＵ（微处理器）的信号，以反馈控制的方式，调整电动水泵的转速，使得引擎水套中流动的冷却液流量能随着不同的驾驶状况而作调整，保持发动机的正常温度，以减少ＨＣ污染的排放。［收稿日期］２００１－１２－１７［指导教师］山东农业大学郭新民教授［作者简介］卢广锋（１９７７－），男，山东济南人，山东农业大学机械电子工程学院９９级研究生，研究方向为内燃机冷却系统的智能控制。22002年5月农机化研究第2期２冷却系统的冷却介质目前，发动机广泛采用液态水作冷却液。水作为内燃机冷却系统的冷却介质具有很多优点：在性能方面，它性能稳定、热容量大、导热性好、沸点较高；在经济性能方面，它资源丰富、容易获取。但另一方面，水作为冷却介质也存在着两个较大的缺点：一是冰点高，在０℃时结冰，造成冬季使用困难；二是水具有一定的腐蚀性，对发动机冷却系统有损害作用。另外，水做冷却液的冷却系统，体积较庞大，不利于汽车内部结构的优化和整体质量的减少，增加了发动机功率的额外消耗。天然水中一般都含有部分矿物盐类（ＭｇＣｌ２、Ｃａ（ＨＣＯ３）２等），当水在发动机冷却系统内受热时，碳酸盐会在冷却系的壁上形成很难除去的水垢。导热性能很差。当水垢聚积过多时，会使发动机冷却性能恶化而导致过热。另外，溶解在水中的某些盐类（如ＭｇＣｌ２）在受热时产生水解作用，生成Ｍｇ（ＯＨ）２和ＨＣｌ。其中ＨＣｌ是一种腐蚀性很强的酸。因此，当水中含矿物盐类过多时，对发动机的冷却系统是很不利的。为了防止水垢的产生和水的腐蚀作用，在冷却水中加入了防腐蚀剂（重铬酸钾Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７）；为了解决水在０℃时结冰的问题，一般采用防冻液来作冷却液，常见的有丙稀二醇、甘醇、硅酸盐、有机酸等。英国布里斯托尔大学航天系于１９９８年研制出了一种微型汽车散热器，它只有一个火柴盒大小，体积为普通汽车散热器的１‰，散热能力却与后者不相上下。据美国《新科学家》杂志报道，这种微型散热器由４１５个细微的不锈钢管组成，每个不锈钢管直径为０．３８ｍｍ，中间装有液态氦。测试表明，由这些细微不锈钢管组成的面积为１６０ｍｍ２的阵列，散热能力可以达到１３ｋＷ，与目前的汽车散热器相当。散热器体积缩小，不但减轻了质量，增加了其他零部件的布置空间，还减少了贵重金属的使用量；液氦的使用消除了水冷却介质的不利影响，提高了发动机的抗寒性。该系统存在的问题是液氦的制备和储藏比较复杂，对储藏设备的要求较高。３冷却系统向高效低能耗方向发展发动机冷却系统效率的提高主要从两个方面来实现：其一，新材料的应用及部件结构的新设计；其二，部件的智能驱动方式。传统冷却系统中，风扇和水泵的效率普遍不高，造成大量能源的浪费。为提高冷却风扇的效率，用塑料翼形风扇取代圆弧型直叶片冷却风扇。从气体动力学的角度分析，翼形风扇能够改善风扇流场，提高风扇的效率和静压，使风扇高效区变宽；另外，塑料表面的光洁度较高。传统的冷却风扇由发动机驱动，装风扇的发动机与装有风罩的散热器必须分别用弹性支座固定在车架。为避免在汽车运行中因振动而引起风扇与风罩相碰，风扇叶轮与风罩的径向间隙的设计数值大于２０ｍｍ，这必然大幅度降低风扇的容积效率。风扇的总效率取决于容积效率、机械效率和液力效率的乘积，即η总η机η容η液。传统风扇叶片采用薄钢板冲压而成，其液力效率η液较低，又加上皮带传动存在打滑损失，其机械效率η杨也不高，从而导致传统冷却风扇的总效率只有３０％左右。采用电控风扇，由电机直接驱动风扇，与原来的皮带传动相比，机械效率η机提高了。电控冷却风扇完全脱离发动机，与风罩、散热器安装为一体，保证了风扇与风罩的同心度，进一步减小了径向间隙，导致风扇容积效率η容大幅度提高；另外，采用翼形端面塑料和流线型风罩，使风扇气流入口形成良好的流线型气流，可提高风扇的液力效率η液，综合各项措施最终使电动风扇的效率达到７８％。Ｓｔｅｐａｎｏｆｆ曾提出高效离心水泵和轴流水泵的设计理论，通过改变叶轮形状、提高表面光洁度，能使发动机冷却水泵的效率提高到７５％。日本尼桑公司基于这一理论制造了一种水泵，比目前广泛应用的水泵尺寸增大了１５％。为了在获得水泵高效率的同时减小水泵的结构尺寸，该公司又通过增加叶片数目、改进叶片曲线设计，使水泵最大效率达到７５％，水泵尺寸得到缩减。传统冷却系统冷却液的正常工作温度在８０°～９０℃之间，在此温度下工作的发动机并未处于最佳工作状态，燃气混合均匀度不理想，引起燃烧不完全，在气缸内积碳，工作中废气黑烟浓度增加，废气中ＣＯ、ＨＣ含量增大；另外，磨损也较大。由于散热器密封不严，在标准大气压下，水的沸点只有１００℃，温度无法提高。封闭式的冷却液强制循环系统解决了这个问题，它采用压力盖提高冷却液的压力，以提高冷却液的沸点。压力盖密封良好，使系统保持较高压力；并且压力阀和真空阀灵敏可靠，有适当的压差可以开启，使系统压力维持在适当范围内，确保系统冷却性能稳定。４冷却系统新的冷却机理上世纪７０年代，美国、日本和英国等国家提出了“绝热发动机”，其基本思路是对组成发动机燃烧室的零部件表面，喷涂耐高温的陶瓷覆层或使用陶瓷零部件，从而大大减少散热损失。经过２０年的研制，绝热发动机在高温陶瓷零件（镶块或涂层）方面取得了较大的成功［７、８］。绝热发动机（无外部冷却装置）的整机热效率接近４０％，复合式绝热发动机的整机热效率达到了４０％以上［９］。这种以高度隔热层为主要手段的绝热发动机的有效热效率，较同类常规发动机（水冷或风冷）高出５％～１５％。虽然绝热发动机提高了整机热效率和功率，同时降低了成本，但受材料和镶涂工艺的限制，还不能在普通车辆上使用，而且在高温条件下，发动机的润滑机油粘度降低，润滑效果变差，需要安装专门的散热装置；另外，气缸的充气效率会降低５％～１０％。因此，还需要进一步研究新的冷却技术。上世纪８０年代，德国的Ｅｌｓｂｅｔｔ公司研制了一种新型车用发动机［１０］，它采用新的燃烧系统与新的冷却系统相结合的方式，以传热系数低的普通金属材料和巧妙的结构设计，大幅度减少了散热损失，取消了外部冷却装置。该机新的燃烧系统减少散热的原理是在球型燃烧室中有强烈的空气涡流，在离心力的作用下，沿燃烧室壁形成一层相对较冷的空气区，“旋流式喷油器”喷出一股雾化锥角很大、射程近、射速慢的空心涡流雾锥［１１～１３］。这股油雾随空气涡流旋转，不与燃烧室壁接触，在燃烧室中心混合燃烧，形成了热的燃烧中心—“热区”和周边温度较低的冷却空气层—“冷区”这种燃烧系统32002年5月农机化研究第2期由于。有“冷区”包围着“热区”，从而使燃烧室壁接受和传出的燃烧热量大为减少。Ｅｌｓｂｅｔｔ发动机在此基础上进行了进一步减少传热损失的设计［１４］，选用铸铁做活塞顶；将活塞环按内腔设置隔热槽，以截断热流通道，减少传向环槽的热量。上述３项措施使燃烧经活塞传到气缸壁的热量下降了一个数量级；加上以机油循环冷却气缸盖内腔和缸体上部的油道，用机油喷射冷却活塞内腔，实现了无水冷强制风冷的新的冷却机理。目前，还出现了发动机常规冷却机理中的强化冷却措施，如活塞的“内油冷”、排气门的“钠冷”以及喷油嘴的“内油冷”等内冷技术［１５］。另外，采用的一些节油技术也具有内部冷却的功能［１５］，如乳化柴油、进气喷水、进气引汽、代用燃料冷却和过量空气冷却等。５结论（１）冷却系统实现智能化，工作协调性增强。（２）新技术、新工艺在冷却系统中得到越来越广泛的应用。（３）随着发动机新技术的应用，新概念的冷却机制将在发动机冷却中得到广泛应用，冷却装置有离合器开关ＶＪ型汽车驾驶模拟器信号采集系统中的传感的主机板直接接口，程序运行可靠。[KeyWords]Coolingsystem;Development;Statusquo［参考文献］６结束语［１］郭清山．人机工程设计［Ｍ］．天津：天津大学出版社，１９９４．５－７．［２］李令举．汽车电脑控制设备的原理与维修［Ｍ］．北京：电子工业出版社，１９９８．９５－９６．［３］张旦，钱蔚．虚拟驾驶环境中混合交通控制的设计与实现［Ｊ］．计算机科学，２０００，２７（２）：７６－７８．［４］董辉．汽车电子技术与传感器［Ｍ］．北京：北京理工大学出版社，１９９５．３－５．［５］黄贤武．传感器实际应用电路设计［Ｍ］．北京：电子科技大学出版社，１９９５．１０－１１．［６］钱蔚．汽车驾驶模拟