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論文：現(xiàn)代車用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)研究進展
張振 2010/4/10
摘要:簡要分析了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀、影響因素及存在的問題;介紹了目前國內(nèi)外前沿的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計理念和研究方法,如智能化電控冷卻系統(tǒng)、精確冷卻理念、分流式冷卻、空氣側(cè)流動和發(fā)動機熱管理研究等;展望了現(xiàn)代發(fā)動機冷卻系統(tǒng)實現(xiàn)高效低耗的目標,指出采用電控冷卻部件實現(xiàn)精確冷卻和分流式冷卻的有效整合是行之有效的手段,而整車熱管理研究勢必會成為全面提高冷卻系統(tǒng)性能的主要方法。
關(guān)鍵詞:汽車發(fā)動機;冷卻系統(tǒng);智能控制;發(fā)展趨勢預(yù)測。
引言:隨著現(xiàn)代車用發(fā)動機采用更加緊湊的設(shè)計和更大的單位體積功率,強化程度越來越高,發(fā)動機產(chǎn)生的熱流密度也隨之明顯增大,目前幾乎所有的發(fā)動機強化都面臨著如何解決高功率密度下的冷卻及熱平衡問題,在滿足不斷提高的輸出功率的同時,又要具有良好的經(jīng)濟性。此外,日益嚴格的排放標準也對冷卻系統(tǒng)提出了新的要求。冷卻系統(tǒng)工作性能的優(yōu)劣,直接影響著動力系統(tǒng)的整體性能。開發(fā)高效可靠的冷卻系統(tǒng),已成為發(fā)動機進一步提高功率、改善經(jīng)濟性所必須突破的關(guān)鍵技術(shù)問題。因此,采用先進的冷卻系統(tǒng)設(shè)計理念,對柴油機冷卻系統(tǒng)進行深入研究具有十分重要的實際意義。
1.影響發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的因素以及目前存在的問題
水冷式發(fā)動機通常采用閉式強制循環(huán)冷卻系統(tǒng),主要由冷卻水套、水泵、風(fēng)扇、散熱器、節(jié)溫器、循環(huán)管路等組成。由于組成冷卻系統(tǒng)部件眾多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加上發(fā)動機運行工況的多樣性,其影響因素也是多方面且錯綜復(fù)雜的。總體來說,影響冷卻系統(tǒng)的主要因素主要有循環(huán)冷卻水量、冷卻空氣流量、冷卻水道結(jié)構(gòu)和散熱效率。
循環(huán)冷卻水量和冷卻空氣流量主要由散熱量決定。對于諸如發(fā)動機燃燒室等嚴重受熱的零部件以及一些關(guān)鍵的區(qū)域,循環(huán)水量的控制就顯得尤為重要,這不僅與水泵的特性、冷卻水套結(jié)構(gòu)密切相關(guān),同時還與冷卻水水溫有關(guān),因為冷卻水高溫沸騰產(chǎn)生的氣泡阻力對循環(huán)水量有著顯著的影響�？諝饬髁恐饕c風(fēng)扇直徑、轉(zhuǎn)速、葉片形狀、流阻特性、水箱與風(fēng)扇葉片相對位置以及機艙背壓等因素有關(guān)。合理而有效的冷卻水道結(jié)構(gòu)能減少流動過程的渦流、節(jié)流等損失,提高關(guān)鍵區(qū)域流速的同時避免非關(guān)鍵區(qū)域的過度冷卻,從而大大提高冷卻效率。散熱效率則主要與散熱器、中冷器等主要散熱部件有關(guān),要求散熱器具有足夠的散熱面積。以上幾個因素并非孤立的,而是相互影響和相互制約的,需要綜合考慮。目前,高功率密度的增壓柴油機由于熱負荷和熱應(yīng)力過高,依然存在關(guān)鍵區(qū)域冷卻不足、零件熱疲勞失效、過熱產(chǎn)生裂紋等問題。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)冷卻過度和冷卻不足都會造成發(fā)動機可靠性下降,零部件磨損加劇,熱量不平衡等問題,影響發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。因此,現(xiàn)代發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)要求能滿足各種工況下運轉(zhuǎn)時的散熱需要,保證關(guān)鍵區(qū)域具有足夠的冷卻,又要降低整機的散熱量,減小對冷卻系統(tǒng)的散熱要求,提高能量利用率,使發(fā)動機具有良好的經(jīng)濟性。
2.現(xiàn)代發(fā)動機冷卻系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向
由于冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響日益顯著,通過對冷卻系統(tǒng)的不斷改進來提高發(fā)動機性能已成為一種有效的手段。對柴油機冷卻系統(tǒng)的研究有兩個方面:一方面是以提高冷卻效率為目的的系統(tǒng)本身的研究,包括系統(tǒng)各缸水流分布、各部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、冷卻散熱系統(tǒng)合理匹配、系統(tǒng)控制等,稱為外冷卻研究;另一方面是研究冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的熱負荷及其可靠性,它更注重研究固—液耦合問題,稱為內(nèi)冷卻研究。目前,發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面。
2.1冷卻系統(tǒng)的智能化和可控化
目前,大部分發(fā)動機冷卻系統(tǒng)仍屬于傳統(tǒng)的被動系統(tǒng),只能有限地調(diào)節(jié)發(fā)動機和汽車的熱分布狀態(tài)。但隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,電控零部件技術(shù)成熟,冷卻系統(tǒng)的智能化和自動化成為可能。
傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)中采用機械驅(qū)動的冷卻水泵和冷卻風(fēng)扇,冷卻介質(zhì)流量取決于發(fā)動機轉(zhuǎn)速,而非發(fā)動機實際運行時冷卻量需求,顯然無法實現(xiàn)對發(fā)動機水溫在全運行工況內(nèi)的合理控制。此外,這些部件耗功嚴重,比如風(fēng)扇消耗的功率可以達到發(fā)動機總功率輸出的10%。采用電子驅(qū)動及控制的冷卻水泵、風(fēng)扇、節(jié)溫器等部件,可以通過傳感器和計算機芯片根據(jù)實際的發(fā)動機溫度控制運行,提供最佳的冷卻介質(zhì)流量,實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)部件的智能化和可控化,同時降低能耗,提高效率。
ElenaCortona等人開發(fā)出的電動冷卻系統(tǒng)中,除了用電動冷卻水泵取代傳統(tǒng)機械冷卻水泵,同時還用電控智能節(jié)溫器取代傳統(tǒng)的節(jié)溫器,并開發(fā)出與這些電動部件相應(yīng)的優(yōu)化控制策略。通過臺架試驗對比研究發(fā)現(xiàn),在冷機起動的情況下,新的冷卻系統(tǒng)能夠顯著縮短暖機時間,大大提高暖機溫度。另外,智能節(jié)溫器對冷卻液的良好控制允許冷卻系統(tǒng)有較高的出水溫度。在相同的配置和冷卻要求下,電動水泵的能量消耗僅為機械水泵的16%,即使考慮到電能的（未完，下一頁）
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