现代车用发动机冷却系统研究状况及发展趋势

科ｆ ｆ ｌ 技 论 坛
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现代车用发动机冷却系统研究状况及发展趋势
刘 德 彬
（ 黑龙 江省 动 物 卫 Βιβλιοθήκη Baidu监 督 站 ）
摘 要： 简要介 绍了 目 国内外前 沿的发动机冷却 系统研究及应用状况， 能化 电控冷 却 系统、 前 如智 精确冷却理念、 分流式冷却等； 出了现 ｝发 指 １ 己 动机冷却 系统 高效、 低耗 、 智能 、 环保 的发展方向， 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 。 还指 关键词 ： 汽车发 动机； 冷却 系统； 智能控 制； 发展趋 势
１ 述 概 气缸温度升高到 １５ 油耗则下降 ４ － Ｖ 将 作， ９ ℃， ％－ ｏ ０ 。 达到较高的冷却效率 。研究实践表 明， 无论 冷却系统对发动机性能的影响 日益 显著。 冷却液温度保持在 ９ 一 １℃范围内，使发动机 是精确冷却 系统还是分流式冷却系统， ０ ｌ５ 都要 求 目前 ， 几乎所有 的发动机强化都 面临着如何解决 机油的最高温度为 ｌＤ ， ４℃ 则油耗在部分负荷 时 对发动 机冷却水套进行必要的改进 以优化 冷却 Ｊ 高功率密度下的冷却及热平衡问题， 既在提高输 下降 １％。 ０ 液流动 。 从设计 和使用角度看， 分流式 冷却和精 出功率的同时， 又要兼顾油耗的经济性和排放 的 同时 ， 高发动机运行温度对发动机热承 确冷却 相结合具有很好 的发展前 景， 提 有利于形 环保性 。 这些都对冷却系统的性能提出了新的要 载能力提出了更高要求对 Ｎ ｘ Ｏ 排放也有负面影 成理想 的发动机温度 分布 ， 足发 动机对未来 满 求， 开发高效 、 、 可靠 经济、 环保 的冷却系统， 已成 响， 同为燃烧室 中 Ｎ ｘ的生成对温度的变化十分 冷却系统的要求。 Ｏ 为发动机进一步实现技术突破 的关键所 在。因 敏感。因此， 在排放要求较严格 的情况下， 提高温 ５ 空气侧 冷却空气 流动的研究状 况及趋 ． ２ 此， 采用先进的冷却系统设计理念 应 用柴油机现 度设定点的做法对于柴油机不适合 ； 但是对于汽 势 代设计技术提出设计规范与策略， 对推动柴油机 油机则很有潜力 ， 在部分负荷下提高冷却液温度 车辆迎风 空气侧冷却空气流动的组织在很 冷却系统技术进步具有重要 的研究价值。 可以使有效功率最大提高 ｌ 。 【 大程度上制约着 冷却水冷却效果同时也影 响发 目 前， 发动机冷却 系统的发展趋势 主要确 ３ ． ２降低温度设定点 动机的工作性 能。空气侧部件空间安装分布对 以下 几 个方 面 ： 降低温度设定点 的优势在于降低进气温度， 空气流动和温度分布影响显著 ， 其中， 风扇是 研 ２ 冷却系统的能控化 从而提高充气效率， 于燃烧过程优 化和降低 究的焦点 。Ｄ ｌ ｉ 有利 ｅ ｈ 汽车公司提 出了新 的中冷器 ｐ 目前， 随着 电子技术和计算机技术的广泛 燃油消耗， 提高部件的使用寿命。 ｉ ａ 等人的研 风扇 一 Ｆ． ｎｙ １ 散热器布置顺序 的冷却模块 （ Ｒ ） Ｃ Ｍ 概 Ｆ 应用 和飞速发展， 电部件技术 日 趋成熟 ， 传统被 究表 明， 若气缸温度 降低 ５ ℃， 提前角可提 念 ， 风扇 置于中冷器和散热器之问 ， 保证 ０ 点火 即将 在 动式 的发动机冷却 系统正在走向智能化和 自动 前 ３ Ａ而不发生爆震 ， 。Ｃ 充气效率提高 ２ 发动 风扇提供相 同的质量 流量 的前 提下 ，Ｆ Ｍ 所 ％， ＣＲ 化。 传统冷却系统不能更全面的适应发动机实际 机工作特性改善， 有助于优化压缩 比和参数选择。 需 的风 扇转速要 远远低 于传统 的 Ｃ Ｆ Ｒ Ｍ，可 以 运行时的冷却需求 ， 从而无法实现对发动机水温 取得较好的燃油经济性和排放性能日 此外， 。 在较 节约 １％的风扇耗功。Ｎ ， Ａ ９ ￣Ｓ Ｐ等人甚至提 ｍｎ 在全运行工况 内的合理控制。然而 ， 采用电子驱 低的冷却液设定温度工况下， 可在燃油消耗率和 出取消冷却风扇在车厢加热器处加装风机的方 动及控制技术 ， 可以通过传感器和计算机芯片根 Ｎ ｘ Ｏ 排放 间获得更好 的折 中关系最 大可使 Ｎ ｘ 案 ， Ｏ 能降低 成本达 ３ ％， 量减 轻达 ３ ％， 不 ０ 质 ０ 对 据实际的发动机温度控制运行， 从而提供最佳的 排放降低 ３％， ０ 燃油消耗率及 Ｃ Ｏ和 Ｈ 排放也 带空调的车辆 ， Ｃ 尤其是小型车辆应用前景更好 。 冷却介质流量。 降低能耗， 提高效率 。例 如 ， ｏｎ 略有改善。 Ｈ ｏ ５ － ３冷却液 流动研究状况及趋势 ｃ０ ｈ 等人用 电控冷却水泵取代 传统 机械水泵， 利 总之’ 无论是提高温度设定点还是降低温度 国内对冷却液流动的研究 手段 主要 为试验 用试验和模 拟对 比分析发现， 通过控制水泵转速 设定点都可能改善发动机的冷却性能， 但是必须 研究和计算机数值模拟研究。 并 提 高电控 水泵 效率 ， 功率 消耗 降 低量 超过 结合实际需要而合理应用。 在实验研究方而 ，主要以朱义伦等人先代 ８纸若将水泵转速提高至最大值时， ７ 可降低散热 ４ 冷却机理的优化创新 表的采用 激光多普勒测速 仪（Ｄ ） 发动机气 Ｌ Ｖ对 器尺寸超过 ２ ％ 对提升发动机性能和燃料经济 ７， 发动机冷却系统零部 件的低 能耗和 高效率 缸盖冷却 水流动进行测 量， 到冷却水在平行 得 性 潜 力很 大 ０ ｌ 。 同样是设计 目 标之一， 零部件冷却 效率 的提高主 于气缸盖与气缸体接合 面的二维流场 。 以及 ， 以 可见 ， 电控冷却 系统一方面可以通过精确、 要从几个方面来实现：新材料 的应用 部件结 王 书义日 ａ ． ． 屈盛官等人 为代 表的利用流动 显形法 自动地调节冷却液的温度， 把发动机 的工作温度 构 的新设计 部件 的智能驱动方式； 发 动机常 得 到冷却水流动 的二维 流场。 ｄ ． 通过研 究二维流 控制在最佳范围， 延长发动机 的使用寿命， 提高发 规冷却机理 中的强化冷却措施 如活塞 的“ 内油 场 以改进水腔设计。 动机 的工作效率， 降低发动机的故障率 ； 一方 冷” 排气门的“ 另 、 钠冷 ” 以及喷油嘴的“ 内油冷” 等 在计算机数值模拟研究方面 ， 袱广 泛应 用 面， 还可根据汽车的行驶 速度 、 动机的冷却水 内冷技术。 发 的有 Ｃ Ｄ分 析技术和有限元（Ｅ ） Ｆ Ｆ Ａ耦合分析技 温来综合控制冷却系统， 从而达到降低油耗 和提 笔者认为 ，随着材料科学和加工工艺水平 术 。目前其常用的技术载体 ， 如大型 Ｃ Ｄ商业 Ｆ 高发动机可靠性的效果。 的不断进步，发动机的冷却机理有 向强 化内冷 软件有 Ｆ Ｕ２ Ｎ ， Ａ ）Ｄ。Ｉ Ｌ Ｅ ＴＳ Ｒ Ｃ ＦＲＥ等 。计算机 软 Ｔ ３ 温度设定点的合理调节 却、 减弱甚至取消外冷却的方 向发展 的趋势 ， 这 硬件水平飞速提高， 使得采用计算机数 值模拟 冷却系统设定的冷却 温度是 以满负荷时最 对 于提高发动机的热效率等将产生巨大的推动 研究复杂结构水腔 内流动特性成越来越 重要 的 大散热率为基础 ， ， 以通过改变冷却液温 作用 。 因此 可 研究手段 。 度设定点来改善发 动机和冷却系统在部分负荷 ５介质流动的合 理组织 ６结论 时处于不太理想状态时的性能。 升高或降低温度 发动机的冷却介 质主要包括水腔 内冷却液 在新材料 、 新技术 、 新理念 的引领下 ， 充分 点在不同情况下各有优长。 和空气侧冷却空气。 利用发动机现代设计技术 寻求对冷却系统的冷 ３ 提高温度设定点 ． １ ５１ ． 水腔内冷却水 流动 的研究状况及趋势 却机理 、控制和研究开发手段 的改进是冷却系 提高温度的优点是 ：于提高 了发动机的运 改进发动机冷却水套结构是研发高强化发 统发展的必然趋势。从设计的有效性和实用性 行温度和机油温度。 减少了发动机 的散热量和摩 动机关键环节。ｔ ９ ２ Ｃｏ曲Ｍ Ｊ 出了“ ￣ ９年 ｌ ｑ ｕ ．提 ． 精 方 面来看， 冷却介质 的流动优化是 改善 冷却系 擦损失 ， 提高冷却液 和金属温度会改善发动机和 确冷却” 的概念 （ 即利用最少 的冷却 以达到最佳 统 的关键。使用电控冷却部件实现精确冷却和 散热器热传递效果， 降低冷却液流速， 减少水泵的 的温度分配 ） ， 其应用的潜在优势在 于降低摩擦 分流式冷却 的合理整合， 能最大程度满 足逐渐