楊明舉
摘 要:文章介紹了現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn),并對(duì)當(dāng)前各種冷卻系統(tǒng)發(fā)展模式進(jìn)行了對(duì)比分析,提出結(jié)合不同冷卻模式優(yōu)點(diǎn),全面提升發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)功效的建議。
關(guān)鍵詞:發(fā)動(dòng)機(jī);冷卻系統(tǒng);結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
隨著科技水平的不斷提高,汽車設(shè)計(jì)與制造技術(shù)也在不斷發(fā)展前進(jìn)。與過去相比,現(xiàn)在的汽車功能更加富于多樣性、馬力更加強(qiáng)勁、結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜緊湊。汽車設(shè)計(jì)與制造的巨大變化,在滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的使用需求之外,也帶來了一些問題。功率越強(qiáng)大,發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢熱也就越多。這給汽車散熱性能提出了更高的要求。在汽車某些重要的部位,散熱問題是個(gè)必須加以重視的問題,比如排氣門這樣的部位,即使冷卻系統(tǒng)發(fā)生微小的故障都有可能引發(fā)巨大的災(zāi)難。由于發(fā)動(dòng)機(jī)散發(fā)的熱量和運(yùn)行功率成正比,所以冷卻系統(tǒng)要以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率為要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造。如此一來才能滿足汽車以最大功率行駛時(shí)的散熱冷卻要求。但這樣會(huì)導(dǎo)致汽車以部分功率行駛時(shí)冷卻系統(tǒng)發(fā)生功率損失。具體而言就是冷卻液的實(shí)際流量超過散熱所需的流量。另外,結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)良的冷卻系統(tǒng)能夠有效降低汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)間。在冷啟動(dòng)狀態(tài)下,汽車油耗較大,排放的污染物較多??梢哉f,冷卻系統(tǒng)性能水平的高低對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油經(jīng)濟(jì)性、加速性、可靠性以及使用壽命都有著顯著的影響。
1 現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)
傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)只是單純?yōu)榘l(fā)動(dòng)機(jī)提供降溫冷卻服務(wù),保障發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于正常的工作溫度范圍內(nèi)?,F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)在此基礎(chǔ)之上,更增添了改善燃料經(jīng)濟(jì)性和減少排放污染的功能?;谶@個(gè)原因,在現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和制造過程中要注意考慮以下幾個(gè)方面:發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦損失;冷卻系統(tǒng)水泵的功率;燃燒邊界條件,如燃燒室溫度、充量密度、充量溫度等。其關(guān)鍵是冷卻液溫度的設(shè)定與控制。
2 溫度設(shè)定點(diǎn)
傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的冷卻溫度是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置,以保障充份的冷卻散熱效能。這樣會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)非滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的汽車油耗和廢氣排放增加,影響經(jīng)濟(jì)性能和環(huán)保效益?,F(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過調(diào)整冷卻液溫度設(shè)定點(diǎn)來改善發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻系統(tǒng)在部分負(fù)荷時(shí)的性能。由于為保障冷卻系統(tǒng)的冷卻效果及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠,冷卻系統(tǒng)以金屬溫度為依據(jù)進(jìn)行調(diào)控。而發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的最大值又取決于排氣門周圍區(qū)域最高溫度,所以可根據(jù)排氣門周圍區(qū)域溫度極限值調(diào)整冷卻液或金屬溫度設(shè)定點(diǎn)。升高或降低溫度點(diǎn)后果影響各不不同,具體采用哪種方式要根據(jù)設(shè)計(jì)目的來決定。
2.1 提高溫度設(shè)定點(diǎn)
提高工作溫度設(shè)定點(diǎn)是最常見的一種方法。對(duì)于降低發(fā)動(dòng)機(jī)損耗和廢氣排放以及提高冷卻系統(tǒng)效果有著直接影響。提高工作溫度使得發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度上升,從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦磨損和燃油消耗。實(shí)驗(yàn)證明,冷卻液排出溫度提高到150℃,氣缸溫度就會(huì)達(dá)到195℃,油耗下降4%到6%。如果冷卻液溫度處于90到115℃之間,發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油的最高溫度會(huì)達(dá)到140℃,非滿負(fù)荷狀態(tài)下的油耗下降10%。同時(shí),提高工作溫度有助于提升冷卻系統(tǒng)工作效率。提高冷卻液或金屬溫度有利于發(fā)動(dòng)機(jī)更好地散熱,從而可以降低冷卻液的流速,減小水泵的額定功率,最終達(dá)到減小發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗的目的。
2.2 降低溫度設(shè)定點(diǎn)
降低冷卻系統(tǒng)的工作溫度能夠有效加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)充氣性能,降低進(jìn)氣溫度,從而對(duì)燃燒過程、燃油效率和廢氣排放產(chǎn)生積極影響。降低溫度設(shè)定點(diǎn)可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)損耗,延長(zhǎng)零件使用壽命。實(shí)驗(yàn)證明,氣缸蓋溫度降低到50℃,可保證在不發(fā)生爆震的前提下點(diǎn)火提前角提前3℃A,充氣效率上升2%,有助于更好的設(shè)置壓縮比和相關(guān)參數(shù),提高燃油效率,降低尾氣排放。
3 現(xiàn)代冷卻系統(tǒng)發(fā)展方向
3.1 精確冷卻系統(tǒng)
精確冷卻的特性主要體現(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)中。通過對(duì)不同部位的精確設(shè)計(jì),產(chǎn)生不同的冷卻液流速,從而提高冷卻效果。一般通過減小冷卻液通道的橫截面,提高流速,減少流量來實(shí)現(xiàn)。冷卻水套和水泵規(guī)格型號(hào)的選擇是精確冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵,要以保證低速大負(fù)荷狀態(tài)下關(guān)鍵區(qū)域工作溫度要求為標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)負(fù)荷不同,發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流速?gòu)拿棵?米到每秒5米,波動(dòng)范圍較大。所以在選擇水套和設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí)要從統(tǒng)籌全局,發(fā)揮最大效能。實(shí)驗(yàn)證明,精確冷卻系統(tǒng)能夠在全發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)使冷卻液流量可下降40%。對(duì)氣缸蓋上冷卻水套的精確設(shè)計(jì),可使普通冷卻道流速提高186%,氣缸蓋傳熱性得以大幅提高,氣缸蓋金屬溫度降低到60℃。
3.2 分流式冷卻系統(tǒng)
在分流式冷卻系統(tǒng)中,氣缸蓋和氣缸體各自擁有獨(dú)立的冷卻回路,氣缸蓋和氣缸體工作溫度互不影響,使得發(fā)動(dòng)機(jī)各部位都能夠在各自的最佳工作溫度下工作。冷卻系統(tǒng)的整體效率達(dá)到最大。各個(gè)冷卻回路根據(jù)自身技術(shù)要求進(jìn)行獨(dú)立工作,使得發(fā)動(dòng)機(jī)溫度分布趨于理想狀態(tài)。所謂理想的發(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(duì)較高。氣缸蓋溫度較低可提高充氣效率,增大進(jìn)氣量,進(jìn)而促進(jìn)完全燃燒,增加輸出,減少一氧化碳、碳?xì)浠衔锖脱趸呐欧?。氣缸體溫度較高會(huì)增大潤(rùn)滑,提高燃油效率,降低缸內(nèi)壓力和溫度的極限值。實(shí)驗(yàn)證明,使用分流式冷卻系統(tǒng)缸蓋和缸體溫度可相差100℃。在氣缸溫度150℃情況下,缸蓋溫度可降低50℃。整體油耗降低4%到6%,非滿負(fù)荷狀態(tài)下碳?xì)浠衔餃p少20%到35%。節(jié)氣門全開狀態(tài)下,缸蓋和缸體溫度可設(shè)定為50℃和90℃,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。
3.3 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)是以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的冷卻要求而設(shè)計(jì)的。這樣一來,在非滿負(fù)荷狀態(tài)下冷卻能力就會(huì)超出實(shí)際需求,造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率浪費(fèi)。對(duì)主要在市區(qū)內(nèi)行駛的輕型車來說,這種情況尤其明顯。市區(qū)內(nèi)行車多數(shù)情況下都是非滿負(fù)荷行駛,冷卻系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于高損耗狀態(tài),造成能源浪費(fèi)。另外,在特殊情況下,發(fā)動(dòng)機(jī)散熱會(huì)超出正常范圍,達(dá)到一個(gè)極高的峰值,為保障這種情況下的散熱需要,傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)往往體積較大,導(dǎo)致冷卻效率降低,增大了冷卻系統(tǒng)的功率需求,延長(zhǎng)了發(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)能夠妥善解決上述兩個(gè)問題,它采用與傳統(tǒng)被動(dòng)式冷卻系統(tǒng)截然相反的工作機(jī)制,能夠根據(jù)當(dāng)前冷卻需要調(diào)整冷卻功率??煽厥桨l(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)由傳感器、執(zhí)行器和電控模塊組成。傳感器將目標(biāo)溫度信號(hào)發(fā)送給電控模塊,模塊根據(jù)設(shè)定參數(shù)將信號(hào)發(fā)送至執(zhí)行器,從而實(shí)現(xiàn)冷卻量的調(diào)整。實(shí)驗(yàn)證明,使用可控式冷卻系統(tǒng),可以節(jié)省燃油2%到5%,減少一氧化碳排放20%,碳?xì)浠衔锱欧?0%??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,不僅可以有效減少發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間,還可以長(zhǎng)時(shí)間保障冷卻系統(tǒng)處于極限工作水平,縮小發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻溫度和金屬溫度的波動(dòng)范圍,減少循環(huán)熱負(fù)荷造成的金屬疲勞,延長(zhǎng)部件壽命。
4 結(jié)束語
綜上所述,現(xiàn)代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)能夠有效改進(jìn)冷卻效率,降低能耗,減少?gòu)U氣排放?,F(xiàn)代冷卻系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了可控性,能夠?qū)υ诎l(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)保護(hù)工作中起到重要作用的技術(shù)參數(shù),比如金屬溫度、冷卻液溫度和機(jī)油溫度等實(shí)現(xiàn)調(diào)控,從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于安全工作狀態(tài)。能夠根據(jù)工作的不同需要及時(shí)采取不同能效水平,在保障發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能的前提下,最大程度地節(jié)省燃料、降低排放。從設(shè)計(jì)和使用性能角度看,分流式冷卻與精密冷卻功能上形成互補(bǔ),結(jié)合使用效果更加理想。該結(jié)構(gòu)使冷卻液直達(dá)關(guān)鍵散熱部件,降低溫度峰值,整體溫度分布趨向平緩,使得發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)能力、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性等多種指標(biāo)同時(shí)達(dá)到理想狀態(tài)。
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