龍俊華 安瑞兵

摘 要：冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)的重要系統(tǒng)，文章介紹了汽車?yán)鋮s系統(tǒng)各零部件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，同時(shí)詳細(xì)介紹了汽車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：汽車;冷卻系統(tǒng);發(fā)展趨勢;設(shè)計(jì)方法

中圖分類號：U464.238 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）06-75-03

Abstract： Cooling system ia a very important system of engine， this article introduces the current situation and development trend of parts of vehicle cooling system， and introduces the design method of veicle cooling system in detail.

Keywords： Vehicle; Cooling system; Development trend; Design method

CLC NO.： U464.238 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）06-75-03

前言

汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的功能是將發(fā)動機(jī)的熱量及時(shí)散發(fā)出去，使發(fā)動機(jī)在最適宜的溫度下工作。發(fā)動機(jī)機(jī)冷卻液溫度的過高會使?jié)櫥偷恼扯冉档?，各摩擦副潤滑油的?shù)量就會減少，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)各部件的摩擦損失加劇。當(dāng)冷卻液溫度過低會使?jié)櫥偷恼扯茸兇?，流動性變差，同樣不利于各摩擦副的潤滑，從而降低了發(fā)動機(jī)的動力輸出，影響了發(fā)動機(jī)的機(jī)械效率。理想的汽車?yán)鋮s系統(tǒng)既要達(dá)到發(fā)動機(jī)冷卻的需要，又要減少熱量損失、減少能耗，使發(fā)動機(jī)在保證良好動力性基礎(chǔ)上具有更優(yōu)的節(jié)能效果。維持冷卻液溫度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，對于提高發(fā)動機(jī)的動力經(jīng)濟(jì)性有重要作用。

1 冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，大多數(shù)冷卻系統(tǒng)屬于被動系統(tǒng)，不能按照發(fā)動機(jī)冷卻的需要提供合理的迎風(fēng)和循環(huán)水量，冷卻效率低，浪費(fèi)了大量的燃料。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、進(jìn)氣量、冷卻液流量，不是發(fā)動機(jī)瞬時(shí)需求，也不能使發(fā)動機(jī)所有工況下的水溫保持在合理范圍內(nèi)。

2 冷卻系統(tǒng)的電動化

2.1 冷卻風(fēng)扇的電動化

傳統(tǒng)風(fēng)扇為硅油離合器風(fēng)扇如圖1，由發(fā)動機(jī)帶動的定傳動比驅(qū)動，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速決定風(fēng)扇風(fēng)量和冷卻液流量，不是發(fā)動機(jī)瞬時(shí)需求。而電子風(fēng)扇（見圖2）不是由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動，而是由直流電機(jī)驅(qū)動，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速不依賴于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。電子風(fēng)扇檢測到發(fā)動機(jī)水溫，根據(jù)發(fā)動機(jī)水溫實(shí)時(shí)調(diào)整電子風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，這樣避免風(fēng)扇一直高速旋轉(zhuǎn)，利于提高燃油經(jīng)濟(jì)性。因電子風(fēng)扇不安裝在發(fā)動機(jī)上，與護(hù)風(fēng)罩一體化，風(fēng)扇與散熱器的徑向間隙能夠做到最低，防止了熱風(fēng)回流。同時(shí)風(fēng)扇和風(fēng)罩的同心度也能嚴(yán)格保證，風(fēng)扇掃過散熱器的面積就能保證。采用電機(jī)直接驅(qū)動，減少了中間傳到環(huán)節(jié)，可以提高風(fēng)扇的效率。但是，電子風(fēng)扇的電機(jī)是由蓄電池提供，而蓄電池提供的電壓有限，因而風(fēng)扇的功率會受到影響，導(dǎo)致電子風(fēng)扇僅適用于乘用車和輕卡等。

2.2 水泵的電動化

傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的機(jī)械水泵（如圖3）受到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的制約無法提高速度，也就不能動態(tài)地改變水流的循環(huán)速度，常使散熱風(fēng)扇的工作時(shí)間延長，甚至伴有“過熱”現(xiàn)象。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械水泵向著電子水泵（如圖4）方向發(fā)展。電子水泵的轉(zhuǎn)速是獨(dú)立控制的，其根據(jù)水溫傳感器信號實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)動機(jī)水套中冷卻液流量，使得發(fā)動機(jī)水套中流動的冷卻液流量能隨著不同的駕駛工況而作調(diào)整，保持發(fā)動機(jī)的正常溫度，降低能耗。在非最大冷卻需求工況時(shí)，不需要全功率運(yùn)行，電子水泵的最大功率和運(yùn)行的平均功率都較機(jī)械水泵低很多。

同時(shí)電子水系與原機(jī)機(jī)械水系相比體積、重量均減少至少50%，可安裝在發(fā)電機(jī)下方，節(jié)約空間;電機(jī)可由通往外殼周圍的冷卻液來冷卻;此外，相比皮帶驅(qū)動的機(jī)械水泵可減小水泵軸的彎曲應(yīng)力;電子水泵暖機(jī)時(shí)間比機(jī)械水泵暖機(jī)時(shí)間早，減少能耗。

2.3 調(diào)溫器的電動化

電子調(diào)溫器能根據(jù)不同發(fā)動機(jī)和整車工況主動的調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度，是目前較為先進(jìn)的調(diào)溫器技術(shù)，典型的電子節(jié)溫器如圖5所示。

發(fā)動機(jī)在不同工況下對水溫有不同的要求：在啟動過程中，為了提高暖機(jī)速度，同時(shí)確保暖風(fēng)有足夠的強(qiáng)度，需要調(diào)溫器推遲開啟使水溫迅速升高;在發(fā)動機(jī)低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，為了降低發(fā)動機(jī)的摩擦功和傳導(dǎo)給冷卻系統(tǒng)的熱量，提高效率，一般希望水溫維持在一個(gè)相對高的水平，此時(shí)需要調(diào)溫器的控制溫度較高;在發(fā)動機(jī)大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，為了防止爆震，局部過熱，以及提高充氣效率，一般希望調(diào)溫器盡早開啟大循環(huán)，使水溫維持在相對低的水平。而與之矛盾的是，傳統(tǒng)的蠟式調(diào)溫器的調(diào)節(jié)特性是固定的，為了滿足發(fā)動機(jī)大負(fù)荷工況冷卻的需求，設(shè)計(jì)中常常將調(diào)溫器的溫控范圍設(shè)置的較低，這使得發(fā)動機(jī)在低負(fù)荷和暖機(jī)過程中的性能下降。

電子調(diào)溫器使以上問題得到解決，使用電子調(diào)溫器的冷卻系統(tǒng)水溫不再是唯一的控制因素，電控系統(tǒng)通過標(biāo)定好的控制MAP（包括水溫，發(fā)動機(jī)工況，車速等信息）直接控制調(diào)溫器閥門的動作

2.4 格柵的電動化

電動進(jìn)氣格柵可根據(jù)需要電動控制格柵開啟角度，從而控制進(jìn)風(fēng)量。還可以在車輛行駛時(shí)降低風(fēng)阻，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

3 冷卻系統(tǒng)的材料

冷卻系統(tǒng)散熱器材料從銅制鋁散熱器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅散熱器，鋁散熱器具有重量輕，散熱器性能好，材料便宜等優(yōu)點(diǎn)。

散熱器翅片和主板材料向著高強(qiáng)度輕量化方向發(fā)展，在提高強(qiáng)度的同時(shí)，減輕了重量，從而提高了燃油經(jīng)濟(jì)性。表1為冷卻系統(tǒng)散熱器部件厚度趨勢。

4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢

4.1 經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法

冷卻系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。影響散熱器散熱量的參數(shù)為發(fā)動機(jī)額定功率、發(fā)動機(jī)燃料消耗率等;影響冷卻風(fēng)扇風(fēng)量的參數(shù)為空氣進(jìn)入散熱器的前后溫差。

4.2 仿真計(jì)算法

冷卻系統(tǒng)仿真主要是基于流體的一維仿真，可以有效地模擬全工況整車的熱狀態(tài)，計(jì)算出發(fā)動機(jī)水溫，從而判斷冷卻系統(tǒng)匹配是否適合。整車?yán)鋮s系統(tǒng)一維仿真模型包括包括散熱器模型，水泵模型，發(fā)動機(jī)熱模型，節(jié)溫器模型，膨脹箱等，如圖6。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證法

目前冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證法主要有：牽引負(fù)荷拖車試驗(yàn)法、爬長坡試驗(yàn)法、爬長坡試驗(yàn)法、環(huán)境艙試驗(yàn)法，如表2比較了這4種試驗(yàn)方法在試驗(yàn)場地、試驗(yàn)條件控制、對干擾的影響、試驗(yàn)一致性、試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性以及評價(jià)方法的優(yōu)劣，其中環(huán)境艙試驗(yàn)法在各個(gè)方面都占優(yōu)勢，是冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證的一種趨勢。

5 結(jié)論

隨著技術(shù)的進(jìn)步， 使用電控冷卻部件實(shí)現(xiàn)精確冷卻能和新型材料能最大程度滿足逐漸提高的冷卻系統(tǒng)性能要求，具有十分理想的應(yīng)用前景?？傊?，只有對冷卻系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行深入地研究，多方面尋求提高冷卻性能的有效途徑，合理利用和發(fā)揮各個(gè)方法的潛在優(yōu)勢，才能實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)的高效化和低耗化，進(jìn)而從整體上提高發(fā)動機(jī)的性能。

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