莊月芹

摘要：隨著社會經(jīng)濟水平的進一步發(fā)展，汽車越來越成為人們的日常代步工具。冷卻系統(tǒng)作為汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可忽視的子系統(tǒng)，其直接影響著汽車發(fā)動機的發(fā)動效率，更重要的是冷卻系統(tǒng)故障更帶來汽車大多數(shù)的故障問題。因此做好冷卻系統(tǒng)的維護保養(yǎng)成為當(dāng)務(wù)之急。而在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中冷卻水套起到最重要作用。下文從汽車發(fā)動機冷卻水套的工作原理入手，探索當(dāng)前冷卻水套結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，提出做好冷卻水套清洗工藝流程，指出如何借助發(fā)動機冷卻水套流場動力學(xué)模型來優(yōu)化完善清洗工藝。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動機;冷卻水套;清洗工藝;應(yīng)用

中圖分類號：TK402? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）22-0036-02

0? 引言

汽車發(fā)動機是汽車正常行駛的關(guān)鍵，工作中的發(fā)動機通過燃燒燃料釋放出熱量轉(zhuǎn)化為驅(qū)動汽車行駛的機械能。汽車發(fā)動機的效率的高低直接影響著汽車行駛的狀態(tài)?；谄嚢l(fā)動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)發(fā)動機做功時，發(fā)動機內(nèi)部的各個零部件溫度會急劇升高，如果不及時冷卻這些零部件，則會使發(fā)動機零部件溫度過高，增加發(fā)動機的負荷，帶來各種形式發(fā)動機故障問題。在生態(tài)環(huán)保發(fā)展理念中，汽車作為耗能較大的產(chǎn)品，且汽車尾氣作為大氣污染的主要來源之一，實現(xiàn)對汽車節(jié)能減排技術(shù)的優(yōu)化至關(guān)重要。因此做好發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)成為汽車行業(yè)制造研發(fā)的重要內(nèi)容。冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其內(nèi)部的清潔性會影響到其具體應(yīng)用效果。因此長期使用中必須做好冷卻水套的內(nèi)部清洗維護，采用傳統(tǒng)的工藝技術(shù)需要對冷卻水套進行拆卸清洗，整體清洗效率較低，清洗的質(zhì)量不高。因此展開對冷卻水套清洗工藝的研究具有現(xiàn)實意義。本文正是借助現(xiàn)代技術(shù)手段，根據(jù)冷卻水套內(nèi)部流場規(guī)律分析，通過仿真實驗，從而達到優(yōu)化冷卻水套內(nèi)部的冷卻、清洗的效果。具體如下所示：

1? 汽車發(fā)動機冷卻水套分析

1.1 汽車發(fā)動機冷卻水套的結(jié)構(gòu)

當(dāng)前隨著低碳環(huán)保理念的深入發(fā)展，如何控制減少汽車尾氣成為交通運輸行業(yè)的研究重點。基于汽車發(fā)動機的工作原理可知，汽車冷卻系統(tǒng)能夠?qū)l(fā)動機受熱零件吸收的部分熱量散發(fā)出去，保證發(fā)動機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。因此可以通過完善汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的工作效能由此來提升整個發(fā)動機的性能，提升發(fā)動機效力，減少能源的消耗，降低有害物質(zhì)的排放。在汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中，其主要由冷卻液、節(jié)溫器、水泵、散熱器、散熱風(fēng)扇、水溫感應(yīng)器、蓄液罐、采暖裝置以及冷卻水套所組成。冷卻水套在整個冷卻系統(tǒng)中發(fā)揮著“承上啟下”的重要作用。具體的應(yīng)用是由冷卻液流動時直接同水套接觸并且讓冷卻液的流動按照水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式進行熱量的交換流動，然后根據(jù)發(fā)動機的工作負荷大小來選擇是否需要開啟節(jié)溫器，若是負荷較大，則開啟節(jié)溫器讓冷卻液可以經(jīng)由冷卻水套中的水管進入到散熱器內(nèi)部，發(fā)揮散熱風(fēng)扇的作用，將發(fā)動機各零部件的一部分熱量散發(fā)到外界，達到冷卻發(fā)動機熱量的效果。由此可見，整個發(fā)動機冷卻水套的內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接影響發(fā)動機工作的熱效率、高溫零部件的熱負荷水平，繼而影響到對汽車發(fā)動機的冷卻效果。因此通過對冷卻水套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，有助于實現(xiàn)對發(fā)動機氣缸蓋火力面等區(qū)域的冷卻液的流動以及強制性傳熱效率。

1.2 汽車發(fā)動機冷卻水套的工作原理

第一，汽車發(fā)動機冷卻水套的工作影響因素。汽車發(fā)動機不同運行過程中，汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)所發(fā)揮的作用功能不同。如，其發(fā)動機啟動過程中，冷卻系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的持續(xù)穩(wěn)定上升，只有上升到80-90℃之間，汽車發(fā)動機才能夠更快地啟動，不會出現(xiàn)長期啟動，但是發(fā)動機動力效率上不去，燃料消耗嚴重的情況。另一方面，在發(fā)動機長期高速運行中，其內(nèi)部各零件溫度較高，需要發(fā)揮冷卻系統(tǒng)的導(dǎo)熱冷卻效用，控制發(fā)動機的溫度適中，減少因溫度過高所帶來的發(fā)動機內(nèi)部零件安全問題。整體來講，汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的各零部件結(jié)構(gòu)都必須擁有冷卻和傳熱的功能作用。發(fā)動機冷卻或是傳熱的效率主要取決于冷卻液在冷卻水套中的流動方式、流動速度等。發(fā)動機氣缸蓋內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及熱負荷大小以及冷卻液的流動方式，如，冷卻水套內(nèi)部液體會隨著水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)完成流動，若是冷卻水套內(nèi)部出現(xiàn)流動死區(qū)，則冷卻水套在冷卻作業(yè)中中勢必也存在死角位置，無法達到全面高效的冷卻降溫效果。

第二，汽車發(fā)動機冷卻水套的工作原理。汽車發(fā)動機冷卻水套常見內(nèi)部冷卻液流動方式有縱向流動、橫向流動和混合流動三種?？v向流動顧名思義就是按照發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)順序流動，先是氣缸體前端，再是完成1，2，3，4個氣缸，然后是各個氣缸的上水口，繼而是氣缸蓋，最后是氣缸蓋后端出口。橫向流動清洗工藝一般是在整體式氣缸蓋的小功率發(fā)動機上實現(xiàn)。其流動順序為：缸體長度方向的總?cè)胨?各如水口對應(yīng)的缸體水套-各缸上水口-氣缸蓋-排氣管側(cè)上方出水口。這種流動（清洗）順序下，能夠讓整個發(fā)動起冷卻水套內(nèi)部的溫度分布更加均勻，具有較高的應(yīng)用效率。混合式流動形式，其實現(xiàn)了縱向流動和橫向流動的有機結(jié)合。如，有三分之一的液體流動方式同橫向流動順序相同，展開對發(fā)動機高溫重點區(qū)的溫度控制。

2? 汽車發(fā)動機冷卻水套清洗工藝應(yīng)用分析

上述提到汽車發(fā)動機冷卻水套的冷卻傳熱工作原理、工作方式等。而在汽車發(fā)動機冷卻水套清洗工藝也同其冷卻傳熱的工作原理相同。

2.1 汽車發(fā)動機冷卻水套清洗工藝應(yīng)用的意義

冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包括冷卻水套進出口、發(fā)動機四個缸的缸蓋水套，四個缸的缸體進氣側(cè)和排氣側(cè)水套。汽車發(fā)動機在不同的時期下所采用的各種冷卻液是不同的，不同冷卻液在發(fā)動機不同的溫度影響下的流動速度也不同。長期下來容易導(dǎo)致整個汽車發(fā)動機冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)堵塞等情況，繼而導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題。因此展開對汽車發(fā)動機冷卻水套的清洗至關(guān)重要。在傳統(tǒng)的冷卻水套清洗工作中，忽視對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的把握，既浪費時間，還容易在拆卸過程中損耗發(fā)動機冷卻水套的各個零部件，因此所達到的清洗效果有限。而基于CFD分析冷卻水套內(nèi)不同清洗劑的流場，能夠達到全面具體的清洗效果。

2.2 汽車發(fā)動機冷卻水套清洗工藝應(yīng)用的影響因素

第一，冷卻水套清洗劑。冷卻水套中的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一些冷卻液在溫度的影響下，容易在內(nèi)部沉積成為“陳年水垢”，難以清洗。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新的工藝材料的出現(xiàn)為冷卻水套的清洗帶來了各種高清潔性、高功能性的清潔劑。這些清洗液會在冷卻水套中不斷循環(huán)流動，以其達到循環(huán)清洗的效果。而事實上，這些清洗液所具有的化學(xué)性質(zhì)對于整個冷卻系統(tǒng)各零部件都可能帶來消極的影響。

第二，冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)前若是冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，則水套內(nèi)部的流動區(qū)域勢必存在死角，影響整體清洗效果。與此同時，不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)下，液體的流場效果，流場形式也不同，因此展開對冷卻水套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計對于提升其清洗工藝具有重要性和必要性。

3? 汽車發(fā)動機冷卻水套清洗工藝的優(yōu)化途徑

3.1 基于CFD技術(shù)優(yōu)化設(shè)計冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)

通過計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)實現(xiàn)對冷卻水套內(nèi)部流體流動的微積方程，得出在水套內(nèi)內(nèi)部中液體流動的離散分布情況，從而掌握著冷卻水套內(nèi)部的清洗的區(qū)域、清洗的效率情況。同時還可以展開對現(xiàn)有的冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級。

第一，合理應(yīng)用計算流體動力學(xué)技術(shù)。當(dāng)前借助CFD軟件來進行數(shù)學(xué)模型建立，將各種不同規(guī)格型號的冷卻水套參數(shù)套進去，由此仿真得出其清洗工藝情況。一是對冷卻水套內(nèi)部區(qū)域進行計算網(wǎng)格劃分，基于冷卻水套的規(guī)格大小情況，發(fā)動機高熱量集中區(qū)域?qū)崿F(xiàn)計算網(wǎng)格劃分。如，對于“高熱量區(qū)”的氣缸蓋位置需要將地方網(wǎng)格劃分的稠密一些，在一些平緩的區(qū)域則可以稀疏一些。二是建立冷卻水套的控制方程。清洗液在冷卻水套內(nèi)部的流動是遵守一定能量守恒定律的，CFD技術(shù)正是可以通過對其守恒定律的方程建立，實現(xiàn)對流體流場的定性定量表達。三是進行冷卻水套流體流場的求解。在冷卻水套的流體流場方程求解中，需要先設(shè)置邊界條件，再設(shè)置求解模型。其邊界條件就是按照汽車發(fā)動機的運行壓力情況，如出水口采用壓力邊界值為200kPa，從水泵流出進入到油冷器的流量為22.5L/min。設(shè)置條件之后，按照SLMPLE軟件進行速度耦合算法進行計算，求得流體速度和壓力的分布情況。在完成冷卻水套流體流場計算之后，可以由此來制定冷卻水套的清洗方案。

3.2 優(yōu)化創(chuàng)新冷卻水套清洗中的各工藝材料和技術(shù)水平

在冷卻水套清洗過程中，各種零部件的質(zhì)量參數(shù)等也會影響到清洗工藝的執(zhí)行情況。對此要求在未來發(fā)展中能夠展開對汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化升級。第一，完成對冷卻系統(tǒng)的材質(zhì)的優(yōu)化升級。冷卻水套的密封性程度直接影響著其漏水情況，繼而影響清洗效果。因此需要采用復(fù)合材料進行冷卻水套的制備生產(chǎn)，提高冷卻水套各零件的質(zhì)量。第二，設(shè)計研發(fā)新的冷卻水套材料，減少水垢等的沉積。在汽車發(fā)動機運行中，冷卻系統(tǒng)之所以需要清洗，是因為在長期的冷卻或是傳熱過程中，冷卻液同冷卻系統(tǒng)內(nèi)部零件產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成水垢，帶來堵塞等故障問題。未來若是能夠選用性能較高的冷卻水套制備材料，減少其同冷卻液的化學(xué)反應(yīng)效果，能夠有效減少清洗工作量。

4? 結(jié)束語

綜上所述，汽車發(fā)動機冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同的發(fā)動機型號的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，冷卻水套內(nèi)部也全然不同。因此為了確保發(fā)動機擁有既定的安全效率，其必須能夠展開對冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化升級。如，可以通過需要借助不同的冷卻液以此達到內(nèi)部冷卻效果。還可以通過優(yōu)化升級冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方式，提高冷卻液在的發(fā)動機內(nèi)部的流場范圍，提高冷卻降溫效果。這一設(shè)計原理為汽車發(fā)動機冷卻水套清洗工藝提供了新的發(fā)展方向。即在汽車發(fā)動機冷卻水套的清洗可以借助不同的冷卻液的不同流場圖，從而探索出全新的高效的冷卻水套清洗工藝。如，無水冷卻液在不同溫度下的速度場不同，對冷卻水套帶來的內(nèi)部壓力不同。正是可以借助這一函數(shù)模型來仿真建立起不同的清洗方案。

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