发动机冷却系统研究状况及发展趋势

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学 院 工程技术学院

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2013年12月25 日

发动机冷却系统研究状况及发展趋势

摘要：简要介绍了目前国内外前沿的发动机冷却系统研究及应用状况,如智能化电控冷却系统、精确冷却理念、分流式冷却等;指出了现代发

动机冷却系统高效、低耗、智能、环保的发展方向,还指出采用电控冷却部件实现精确冷却和分流式冷却的有效整合是最佳手段。

关键词：汽车发动机 冷却系统 智能控制 发展趋势

1、概述

冷却系统对发动机性能的影响日益显著。目前，几乎所有的发动机强化都面临着如何解决高功率密度下的冷却及热平衡问题,既在提高输出功率的同时,又要兼顾油耗的经济性和排放的环保性。这些都对冷却系统的性能提出了新的要求，开发高效、可靠、经济、环保的冷却系统,已成为发动机进一步实现技术突破的关键所在。因此,采用先进的冷却系统设计理念,应用柴油机现代设计技术提出设计规范与策略,对推动柴油机冷却系统技术进步具有重要的研究价值。

目前,发动机冷却系统的发展趋势主要有以下几个方面：

2、冷却系统的能控化

目前,随着电子技术和计算机技术的广泛应用和飞速发展,电部件技术日趋成熟，传统被动式的发动机冷却系统正在走向智能化和自动化。传统冷却系统不能更全面的适应发动机实际运行时的冷却需求，从而无法实现对发动机水温在全运行工况内的合理控制。然而，采用电子驱动及控制技术，可以通过传感器和计算机芯片根据实际的发动机温度控制运行,从而提供最佳的冷却介质流量,降低能耗,提高效率。例如，HoonCho等人用电控冷却水泵取代传统机械水泵,利用试验和模拟对比分析发现,通过控制水泵转速并提高电控水泵效率,功率消耗降低量超过87%,若将水泵转速提高至最大值时,可降低散热器尺寸超过27%,对提升发动机性能和燃料经济性潜力很大。

可见，电控冷却系统一方面可以通过精确、自动地调节冷却液的温度,把发动机的工作温度控制在最佳范围,延长发动机的使用寿命,提高发动机的工作效率,降低发动机的故障率；另一方面，还可根据汽车的行驶速度、发动机的冷却水温来综合控制冷却系统,从而达到降低油耗和提高发动机可靠性的效果。

3、温度设定点的合理调节

冷却系统设定的冷却温度是以满负荷时最大散热率为基础，因此，可以通过改变冷却液温度设定点来改善发动机和冷却系统在部分负荷时处于不太理想状态时的性能。升高或降低温度点在不同情况下各有优长。

3.1提高温度设定点

提高温度的优点是：于提高了发动机的运行温度和机油温度,减少了发动机的散热量和摩擦损失,提高冷却液和金属温度会改善发动机和散热器热传递效果,降低冷却液流速,减少水泵的标定功率而改善发动机的燃油经济性从而降低发动机的辅机功率损耗。这种方法直接影响发动机损耗和冷却系统的效果以及发动机排放物的形成。研究表明，发动机工作温度对摩擦损失有很大影响。将冷却液排出温度提高到150℃，使气缸温度升高到195℃，油耗则下降4%--6%。将冷却液温度保持在90--115℃范围内，使发动机机油的最高温度为140℃，则油耗在部分负荷时下降10%。同时，提高发动机运行温度对发动机热承载能力提出了更高要求,对NOx排放也有负面影响,同为燃烧室中NOx的生成对温度的变化十分敏感。因此,在排放要求较严格的情况下,提高温度设定点的做法对于柴油机不适合；但是对于汽油机则很

有潜力，在部分负荷下提高冷却液温度可以使有效功率最大提高10%。

3.2降低温度设定点

降低温度设定点的优势在于降低进气温度,从而提高充气效率,有利于燃烧过程优化和降低燃油消耗,提高部件的使用寿命。Finlay等人的研究表明,若气缸温度降低50℃,点火提前角可提前而不发生爆震,充气效率提高2%,发动机工作特性改善,有助于优化压缩比和参数选择,取得较好的燃油经济性和排放性能。此外,在较低的冷却液设定温度工况下,可在燃油消耗率和NOx排放间获得更好的折中关系,最大可使NOx排放降低30%,燃油消耗率及CO和HC排放也略有改善。

总之,无论是提高温度设定点还是降低温度设定点都可能改善发动机的冷却性能,但是必须结合实际需要而合理应用。

4、冷却机理的优化创新

发动机冷却系统零部件的低能耗和高效率同样是设计目标之一,零部件冷却效率的提高主要从几个方面来实现:a.新材料的应用;b.部件结构的新设计;c.部件的智能驱动方式;d.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。

随着材料科学和加工工艺水平的不断进步,发动机的冷却机理有向强化内冷却、减弱甚至取消外冷却的方向发展的趋势,这对于提高发动机的热效率等将产生巨大的推动作用。

5、介质流动的合理组织

发动机的冷却介质主要包括水腔内冷却液和空气侧冷却空气。

5.1水腔内冷却水流动的研究状况及趋势改进发动机冷却水套结构是研发高强化发 动机关键环节。

“精确冷却”的概念（即利用最少的冷却以达到最佳的温度分配）,其应用的潜在优势在于降低摩擦系数和冷却水泵功率消耗,提高平均有效压力和抗爆性。CouetouseH.等人提出分流式冷却系统的设计（即气缸盖和气缸体有不同的冷却回路,使得气缸盖和气缸体具有不同温度）其优势在于使发动机各部分在最优的温度设定点工作,达到较高的冷却效率。研究实践表明，无论是精确冷却系统还是分流式冷却系统,都要求对发动机冷却水套进行必要的改进以优化冷却液流动。从设计和使用角度看,分流式冷却和精确冷却相结合具有很好的发展前景,有利于形成理想的发动机温度分布,满足发动机对未来冷却系统的要求。

5.2空气侧冷却空气流动的研究状况及趋势

车辆迎风空气侧冷却空气流动的组织在很大程度上制约着冷却水冷却效果同时也影响发动机的工作性能。空气侧部件空间安装分布对空气流动和温度分布影响显著，其中,风扇是研究的焦点。Delphi汽车公司提出了新的中冷器-风扇-散热器布置顺序的冷却模块(CFRM)概念,即将风扇置于中冷器和散热器之间，在保证风扇提供相同的质量流量的前提下，CFRM所需的风扇转速要远远低于传统的CRFM，可以节约19%的风扇耗功。NgySrunAP等人甚至提出取消冷却风扇在车厢加热器处加装风机的方案，能降低成本达30%,质量减轻达30%,对不带空调的车辆，尤其是小型车辆应用前景更好。

5.3冷却液流动研究状况及趋势

国内对冷却液流动的研究手段主要为试验研究和计算机数值模拟研究。在实验研究方面，主要以朱义伦等人为代表的采用激光多普勒测速仪(LDV)对发动机气缸盖冷却水流动进行测量,得到冷却水在平行于气缸盖与气缸体接合面的二维流场。以及，以王书义、屈盛官等人为代表的利用流动显形法得到冷却水流动的二维流场,通过研究二维流场以改进水腔设计。 在计算机数值模拟研究方面，被广泛应用的有CFD分析技术和有限元(FEA)耦合分析技术。

目前其常用的技术载体，如大型CFD商业软件有FLU2ENT,STAR)CD,FIRE等。计算机软硬件水平飞速提高,使得采用计算机数值模拟研究复杂结构水腔内流动特性成越来越重要的研究手段。

6、结论

在新材料、新技术、新理念的引领下，充分利用发动机现代设计技术寻求对冷却系统的冷却机理、控制和研究开发手段的改进是冷却系统发展的必然趋势。从设计的有效性和实用性方面来看,冷却介质的流动优化是改善冷却系统的关键。使用电控冷却部件实现精确冷却和分流式冷却的合理整合,能最大程度满足逐渐提高的冷却系统性能要求,具有十分理想的应用前景。总之,只有对冷却系统各个环节进行深入地研究,多方面寻求提高冷却性能的有效途径,合理利用和发挥各个方法的潜在优势,才能实现冷却系统的高效化和低耗化,进而从整体上提高发动机的性能。

参考文献

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[2]王书义,王宪成,段初华.发动机冷却水流动的试验研究[J].车用发动机,1994

[3]陈家瑞，马天飞.汽车构造.第五版，2001

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