浅论现代汽车发动机冷却系统发展特点

杨明举

摘 要：文章介绍了现代汽车发动机冷却系统的设计特点，并对当前各种冷却系统发展模式进行了对比分析，提出结合不同冷却模式优点，全面提升发动机冷却系统功效的建议。

关键词：发动机；冷却系统；结构特点

随着科技水平的不断提高，汽车设计与制造技术也在不断发展前进。与过去相比，现在的汽车功能更加富于多样性、马力更加强劲、结构更加复杂紧凑。汽车设计与制造的巨大变化，在满足人们日益增长的使用需求之外，也带来了一些问题。功率越强大，发动机产生的废热也就越多。这给汽车散热性能提出了更高的要求。在汽车某些重要的部位，散热问题是个必须加以重视的问题，比如排气门这样的部位，即使冷却系统发生微小的故障都有可能引发巨大的灾难。由于发动机散发的热量和运行功率成正比，所以冷却系统要以满足发动机最大功率为要求进行设计与制造。如此一来才能满足汽车以最大功率行驶时的散热冷却要求。但这样会导致汽车以部分功率行驶时冷却系统发生功率损失。具体而言就是冷却液的实际流量超过散热所需的流量。另外，结构合理、性能优良的冷却系统能够有效降低汽车冷启动时间。在冷启动状态下，汽车油耗较大，排放的污染物较多。可以说，冷却系统性能水平的高低对于汽车发动机的燃油经济性、加速性、可靠性以及使用寿命都有着显著的影响。

1 现代发动机冷却系统的设计重点

传统冷却系统只是单纯为发动机提供降温冷却服务，保障发动机始终处于正常的工作溫度范围内。现代发动机在此基础之上，更增添了改善燃料经济性和减少排放污染的功能。基于这个原因，在现代发动机设计和制造过程中要注意考虑以下几个方面：发动机内部的摩擦损失；冷却系统水泵的功率；燃烧边界条件，如燃烧室温度、充量密度、充量温度等。其关键是冷却液温度的设定与控制。

2 温度设定点

传统冷却系统的冷却温度是根据发动机最大功率时的状态进行设置，以保障充份的冷却散热效能。这样会导致发动机非满负荷运转状态下的汽车油耗和废气排放增加，影响经济性能和环保效益。现代发动机可以通过调整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的性能。由于为保障冷却系统的冷却效果及时、准确、可靠，冷却系统以金属温度为依据进行调控。而发动机工作温度的最大值又取决于排气门周围区域最高温度，所以可根据排气门周围区域温度极限值调整冷却液或金属温度设定点。升高或降低温度点后果影响各不不同，具体采用哪种方式要根据设计目的来决定。

2.1 提高温度设定点

提高工作温度设定点是最常见的一种方法。对于降低发动机损耗和废气排放以及提高冷却系统效果有着直接影响。提高工作温度使得发动机机油温度上升，从而降低发动机摩擦磨损和燃油消耗。实验证明，冷却液排出温度提高到150℃，气缸温度就会达到195℃，油耗下降4%到6%。如果冷却液温度处于90到115℃之间，发动机机油的最高温度会达到140℃，非满负荷状态下的油耗下降10%。同时，提高工作温度有助于提升冷却系统工作效率。提高冷却液或金属温度有利于发动机更好地散热，从而可以降低冷却液的流速，减小水泵的额定功率，最终达到减小发动机的功耗的目的。

2.2 降低温度设定点

降低冷却系统的工作温度能够有效加强发动机充气性能，降低进气温度，从而对燃烧过程、燃油效率和废气排放产生积极影响。降低温度设定点可以降低发动机损耗，延长零件使用寿命。实验证明，气缸盖温度降低到50℃，可保证在不发生爆震的前提下点火提前角提前3℃A，充气效率上升2%，有助于更好的设置压缩比和相关参数，提高燃油效率，降低尾气排放。

3 现代冷却系统发展方向

3.1 精确冷却系统

精确冷却的特性主要体现在冷却水套的结构设计与冷却液流速的设计中。通过对不同部位的精确设计，产生不同的冷却液流速，从而提高冷却效果。一般通过减小冷却液通道的横截面，提高流速，减少流量来实现。冷却水套和水泵规格型号的选择是精确冷却系统的设计关键，要以保证低速大负荷状态下关键区域工作温度要求为标准。根据负荷不同，发动机冷却液流速从每秒1米到每秒5米，波动范围较大。所以在选择水套和设计冷却系统时要从统筹全局，发挥最大效能。实验证明，精确冷却系统能够在全发动机工作转速范围内使冷却液流量可下降40%。对气缸盖上冷却水套的精确设计，可使普通冷却道流速提高186%，气缸盖传热性得以大幅提高，气缸盖金属温度降低到60℃。

3.2 分流式冷却系统

在分流式冷却系统中，气缸盖和气缸体各自拥有独立的冷却回路，气缸盖和气缸体工作温度互不影响，使得发动机各部位都能够在各自的最佳工作温度下工作。冷却系统的整体效率达到最大。各个冷却回路根据自身技术要求进行独立工作，使得发动机温度分布趋于理想状态。所谓理想的发动机热工作状态是气缸盖温度较低而气缸体温度相对较高。气缸盖温度较低可提高充气效率，增大进气量，进而促进完全燃烧，增加输出，减少一氧化碳、碳氢化合物和氧化氮的排放。气缸体温度较高会增大润滑，提高燃油效率，降低缸内压力和温度的极限值。实验证明，使用分流式冷却系统缸盖和缸体温度可相差100℃。在气缸温度150℃情况下，缸盖温度可降低50℃。整体油耗降低4%到6%，非满负荷状态下碳氢化合物减少20%到35%。节气门全开状态下，缸盖和缸体温度可设定为50℃和90℃，实现节能减排的目标。

3.3 可控式发动机冷却系统

传统的发动机冷却系统是以满足发动机满负荷运转状态下的冷却要求而设计的。这样一来，在非满负荷状态下冷却能力就会超出实际需求，造成发动机功率浪费。对主要在市区内行驶的轻型车来说，这种情况尤其明显。市区内行车多数情况下都是非满负荷行驶，冷却系统长时间处于高损耗状态，造成能源浪费。另外，在特殊情况下，发动机散热会超出正常范围，达到一个极高的峰值，为保障这种情况下的散热需要，传统冷却系统往往体积较大，导致冷却效率降低，增大了冷却系统的功率需求，延长了发动机暖机时间。可控式发动机冷却系统能够妥善解决上述两个问题，它采用与传统被动式冷却系统截然相反的工作机制，能够根据当前冷却需要调整冷却功率。可控式发动机冷却系统由传感器、执行器和电控模块组成。传感器将目标温度信号发送给电控模块，模块根据设定参数将信号发送至执行器，从而实现冷却量的调整。实验证明，使用可控式冷却系统，可以节省燃油2%到5%，减少一氧化碳排放20%，碳氢化合物排放10%。可控式冷却系统具有较快的响应能力，可将冷却温度保持在设定点的±2℃范围，不仅可以有效减少发动机暖机时间，还可以长时间保障冷却系统处于极限工作水平，缩小发动机冷却温度和金属温度的波动范围，减少循环热负荷造成的金属疲劳，延长部件寿命。

4 结束语

综上所述，现代先进发动机冷却系统能够有效改进冷却效率，降低能耗，减少废气排放。现代冷却系统的最大优势与特点就是实现了可控性，能够对在发动机结构保护工作中起到重要作用的技术参数，比如金属温度、冷却液温度和机油温度等实现调控，从而保证发动机始终处于安全工作状态。能够根据工作的不同需要及时采取不同能效水平，在保障发动机整体性能的前提下，最大程度地节省燃料、降低排放。从设计和使用性能角度看，分流式冷却与精密冷却功能上形成互补，结合使用效果更加理想。该结构使冷却液直达关键散热部件，降低温度峰值，整体温度分布趋向平缓，使得发动机保护能力、燃油经济性和排放性等多种指标同时达到理想状态。

参考文献

[1]张金柱.现代发动机冷却系统的发展趋势[J].山东内燃机，2005（3）.

[2]张明.浅议发动机冷却系统[J].商业经济，2009（13）.