汽车发动机冷却系统的发展与现状

汽车发动机冷却系统的发展与现状
发表时间：2017-10-20T14:00:13.917Z 来源：《防护工程》2017年第16期作者：刘洋[导读] 汽车水冷发动机冷却系统主要由发动机冷却水套、冷却水泵、节温器及冷却风扇等部件组成。

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心
摘要：早期的发动机冷却系统虽能满足汽车的基本使用要求，但在满载或者恶劣的环境中容易出现问题。

在当今日益重视环境保护、提倡节能和舒适性的情况下，发动机的结构、性能和汽车整体性能都有很大的发展，冷却系统正朝着轻型化、紧凑化和智能化的方向发展。

为此，重点介绍了国内外汽车发动机冷却系统的研究及发展情况，并做了简要分析。

关键词：冷却系统；冷却介质；冷却机理
１发动机冷却系统向智能化方向发展
发动机冷却系统是汽车的重要构件。

汽车水冷发动机冷却系统主要由发动机冷却水套、冷却水泵、节温器及冷却风扇等部件组成。

传统冷却系统采用的是冷却风扇或离合器式冷却风扇，两种风扇均由发动机曲轴通过皮带驱动，其冷却调节的灵敏度不高，功率损失也很大。

为解决这个问题，就出现了自控电动冷却风扇。

２冷却系统的冷却介质
目前，发动机广泛采用液态水作冷却液。

水作为内燃机冷却系统的冷却介质具有很多优点：在性能方面，它性能稳定、热容量大、导热性好、沸点较高；在经济性能方面，它资源丰富、容易获取。

但另一方面，水作为冷却介质也存在着两个较大的缺点：一是冰点高，在０℃时结冰，造成冬季使用困难；二是水具有一定的腐蚀性，对发动机冷却系统有损害作用。

另外，水做冷却液的冷却系统，体积较庞大，不利于汽车内部结构的优化和整体质量的减少，增加了发动机功率的额外消耗。

天然水中一般都含有部分矿物盐类（ＭｇＣｌ２、Ｃａ（ＨＣＯ３）２等），当水在发动机冷却系统内受热时，碳酸盐会在冷却系的壁上形成很难除去的水垢。

导热性能很差。

当水垢聚积过多时，会使发动机冷却性能恶化而导致过热。

另外，溶解在水中的某些盐类（如ＭｇＣｌ２）在受热时产生水解作用，生成Ｍｇ（ＯＨ）２和ＨＣｌ。

其中ＨＣｌ是一种腐蚀性很强的酸。

因此，当水中含矿物盐类过多时，对发动机的冷却系统是很不利的。

为了防止水垢的产生和水的腐蚀作用，在冷却水中加入了防腐蚀剂（重铬酸钾Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７）；为了解决水在０℃时结冰的问题，一般采用防冻液来作冷却液，常见的有丙稀二醇、甘醇、硅酸盐、有机酸等。

３冷却系统向高效低能耗方向发展
发动机冷却系统效率的提高主要从两个方面来实现：其一，新材料的应用及部件结构的新设计；其二，部件的智能驱动方式。

传统冷却系统中，风扇和水泵的效率普遍不高，造成大量能源的浪费。

为提高冷却风扇的效率，用塑料翼形风扇取代圆弧型直叶片冷却风扇。

从气体动力学的角度分析，翼形风扇能够改善风扇流场，提高风扇的效率和静压，使风扇高效区变宽；另外，塑料表面的光洁度较高。

传统的冷却风扇由发动机驱动，装风扇的发动机与装有风罩的散热器必须分别用弹性支座固定在车架。

为避免在汽车运行中因振动而引起风扇与风罩相碰，风扇叶轮与风罩的径向间隙的设计数值大于２０ｍｍ，这必然大幅度降低风扇的容积效率。

风扇的总效率取决于容积效率、机械效率和液力效率的乘积，即 η总 ??η机 ??η容 ??η液。

传统风扇叶片采用薄钢板冲压而成，其液力效率 η液较低，又加上皮带传动存在打滑损失，其机械效率 η杨也不高，从而导致传统冷却风扇的总效率只有３０％左右。

采用电控风扇，由电机直接驱动风扇，与原来的皮带传动相比，机械效率 η机提高了。

电控冷却风扇完全脱离发动机，与风罩、散热器安装为一体，保证了风扇与风罩的同心度，进一步减小了径向间隙，导致风扇容积效率 η容大幅度提高；另外，采用翼形端面塑料和流线型风罩，使风扇气流入口形成良好的流线型气流，可提高风扇的液力效率 η液，综合各项措施最终使电动风扇的效率达到７８％。

４冷却系统新的冷却机理
上世纪７０年代，美国、日本和英国等国家提出了“绝热发动机”，其基本思路是对组成发动机燃烧室的零部件表面，喷涂耐高温的陶瓷覆层或使用陶瓷零部件，从而大大减少散热损失。

经过２０年的研制，绝热发动机在高温陶瓷零件（镶块或涂层）方面取得了较大的成功［７、８］。

绝热发动机（无外部冷却装置）的整机热效率接近４０％，复合式绝热发动机的整机热效率达到了４０％以上［９］。

这种以高度隔热层为主要手段的绝热发动机的有效热效率，较同类常规发动机（水冷或风冷）高出５％～１５％。

虽然绝热发动机提高了整机热效率和功率，同时降低了成本，但受材料和镶涂工艺的限制，还不能在普通车辆上使用，而且在高温条件下，发动机的润滑机油粘度降低，润滑效果变差，需要安装专门的散热装置；另外，气缸的充气效率会降低５％～１０％。

因此，还需要进一步研究新的冷却技术。

上世纪８０年代，德国的Ｅｌｓｂｅｔｔ公司研制了一种新型车用发动机［１０］，它采用新的燃烧系统与新的冷却系统相结合的方式，以传热系数低的普通金属材料和巧妙的结构设计，大幅度减少了散热损失，取消了外部冷却装置。

该机新的燃烧系统减少散热的原理是在球型燃烧室中有强烈的空气涡流，在离心力的作用下，沿燃烧室壁形成一层相对较冷的空气区，“旋流式喷油器”喷出一股雾化锥角很大、射程近、射速慢的空心涡流雾锥［１１～１３］。

这股油雾随空气涡流旋转，不与燃烧室壁接触，在燃烧室中心混合燃烧，形成了热的燃烧中心—“热区”和周边温度较低的冷却空气层—“冷区” 这种燃烧系统。

有“冷区”包围着“热区”，从而使燃烧室壁接受和传出的燃烧热量大为减少。

Ｅｌｓｂｅｔｔ发动机在此基础上进行了进一步减少传热损失的设计［１４］，选用铸铁做活塞顶；将活塞环按内腔设置隔热槽，以截断热流通道，减少传向环槽的热量。

上述３项措施使燃烧经活塞传到气缸壁的热量下降了一个数量级；加上以机油循环冷却气缸盖内腔和缸体上部的油道，用机油喷射冷却活塞内腔，实现了无水冷强制风冷的新的冷却机理。

目前，还出现了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［１５］。

另外，采用的一些节油技术也具有内部冷却的功能［１５］，如乳化柴油、进气喷水、进气引汽、代用燃料冷却和过量空气冷却等。

５结论
（１）冷却系统实现智能化，工作协调性增强。

（２）新技术、新工艺在冷却系统中得到越来越广泛的应用。

（３）随着发动机新技术的应用，新概念的冷却机制将在发动机冷却中得到广泛应用，冷却装置有离合器开关ＶＪ型汽车驾驶模拟器信号采集系统中的传感的主机板直接接口，程序运行可靠。

参考文献：
[1]郭清山．人机工程设计［Ｍ］．天津：天津大学出版社，2016．５－７．
[2]李令举．汽车电脑控制设备的原理与维修［Ｍ］．北京：电子工业出版社，2015．９５－９６。