某汽油机冷却系统温变和流变特性分析

钟祥麟 郑雪龙

（中国汽车技术研究中心）

发动机冷却系统的作用是降低发动机受热零部件的热应力，以保证发动机能可靠地运转。冷却不足会影响发动机的可靠性，降低发动机的工作效率，甚至导致发动机不能正常工作；而过度冷却会使发动机出现过快磨损，降低发动机的动力性和经济性，所以冷却液温度的合理控制对发动机性能存在影响。低温冷启动时，加热冷却液有利于混合气的形成以及改善燃烧，继而可以降低发动机污染物排放以及提高冷启动性能[1]。中小负荷时，冷却液温度的提升有利于提高发动机的有效热效率[2]。冷却液温度的变化对热量的传递和耗散也有着重大的影响。目前国外已经有研究人员开发了发动机冷却液温度模型，用于发动机冷却系统的控制、诊断开发及验证。随着汽车及发动机的小型化趋势日益明显，冷却系统也必须深入优化，高效化和紧凑化势在必行，而高温冷却系统是一个很好的解决途径。但是目前国内外对于高温冷却的研究工作还不够充分，在汽车领域的实际应用更是少之又少。文章以某PFI汽油机为研究对象，基于冷却液温度研究了汽油机外特性下的冷却液特性，主要研究外特性下发动机进水口温度和发动机转速2个变量对冷却液的温变特性和流变特性的影响。本试验从作用机理着手，对试验数据进行了深层次的处理分析，试验的数据积累可以为新型冷却系统的开发设计提供一系列的理论支持。

1 试验台架系统及试验方法

1.1 试验设备和装置

本试验用某PFI汽油机主要技术参数，如表1所示，主要仪器设备，如表2所示。发动机的试验台架示意图及数据采集点位置，如图1和图2所示。

表1 某PFI汽油机主要参数表

表2 台架试验主要设备参数表

图1 发动机试验台架示意图

图2 发动机数据采集点位置框图

1.2 试验方法

试验在保持发动机进水口温度分别为90，95，100℃的情况下，负荷保持在100%，即发动机外特性下，发动机转速从1 500～5 000 r/min范围内按500 r/min转速间隔顺序地改变转速，在各转速工况点运转到稳定工况，即热平衡（发动机出水口温度的升降速率不大于0.3℃/min）时采集并记录下列数据：1）发动机转速、功率、转矩、燃油消耗量；2）发动机进出水温度、水流量；3）机油冷却器进出水温度、水流量；4）小循环冷却水温度、水流量；5）散热器进出水温度、水流量。

2 试验结果与分析

不同冷却液进水口温度下大循环、小循环及机油冷却器流量随发动机转速的变化关系，如图3所示。

图3 汽油机大/小循环及机油冷却器流量随转速变化曲线

从图3可以看出，在不同冷却液进水口温度下，汽油机大/小循环及机油冷却器流量均随着转速的升高而升高；在低转速时流量随转速的增加而增加，且增加速度较快；高转速时曲线趋于平稳。这种现象的产生与试验所用的机械式循环水泵的工作特性有关，此处不再过多论述。

从图3还可分别看出，大/小循环及机油冷却器流量在低转速时基本相同。随着转速的逐渐增加，不同进水口温度下的流量逐渐显现出明显差异，90℃的流量最大，95℃次之，100℃最小。随着转速进一步增加，这种差异又逐渐减小。不同温度下的流量曲线在总体上呈现“枣核形”。

图4示出发动机进水口、机油冷却器出口及小循环水温随发动机转速的变化。从图4可以看出，不同转速下冷却液温度几乎不变（最大误差不超过3.79%），因此，可以排除不同转速下的冷却液温度对流量的影响。

图4 发动机冷却液温度随转速变化曲线

而图3中呈现“枣核形”流量曲线与沸腾传热中的气泡有极大关系，下面进行具体分析。

在发动机冷却系统工作过程中，冷却水道中存在的气泡对冷却水的流动有一定的阻碍作用。在低转速低流量时，气泡对冷却液流动的阻碍作用较弱，即使冷却管道中存在气泡，但是对于低流速的冷却液其阻碍效果不明显，所以流量基本相同。这个很容易理解，以汽车来类比，汽车行驶过程受到的阻力与车速的二次方成正比，车速越高，受到的空气阻力越大，在车速低时空气的阻碍作用反而并没有那么明显。当发动机转速逐渐增加时，冷却液流速增大，“气阻”现象的作用越来越明显。而95℃和100℃的冷却液温度高，产生的气泡多，对冷却液流动的阻碍现象就越来越明显，宏观上呈现冷却液流量相对下降的趋势，所以在中转速时出现温度越高流量越小的现象。随着发动机转速的进一步增加，冷却液的流速增大，流速增大会导致气相流减少[3]，即气泡破裂。气泡减少造成气泡对冷却液流动的阻碍作用也会减弱，流速越大，气相流减少得越多，则对“气阻”现象抑制作用越明显，所以宏观上3条流量曲线又趋于重合。对于上述现象，大循环流量随转速变化曲线符合度较好，小循环和机油冷却器的转速-流量曲线在高转速时未趋向一致。其原因是：1）试验误差的影响；2）发动机转速还不够高。

图5示出发动机冷却水带走的热量与转速变化曲线，图6示出发动机进出水口温差随转速变化曲线。

图5 发动机冷却水带走的热量随转速变化曲线

图6 发动机进出水口温差随转速变化曲线

分析图5和图6可知：1）同转速下95℃和100℃时的冷却液带走的热量和汽油机进出水口温差明显比90℃时的冷却液要高。原因可以归结于沸腾换热的影响。管内强制对流的双相流沸腾换热的换热系数要比单相流的换热系数高[4]，所以即使在冷却液流量比90℃少的情况下，95℃和100℃的冷却液仍然吸热更多，温升更大。2）同转速下比较95℃与100℃，100℃时发动机进出水口温差比95℃的要高，但是它们带走的热量却几乎相等，原因是100℃冷却液的换热系数比95℃时的大，但是95℃时的冷却液流量更多，此多彼少，吸热趋于相同。

由上述分析可以得出，高温冷却由于沸腾传热因素的影响，可以用较少的冷却液流量带走更多的热量，达到与正常冷却时大流量同样的冷却效果，这对于高温冷却的实际应用具有一定的参考价值。

图7示出散热器进出水口温差随转速变化曲线。从图7可以看出，90℃时，温差随着转速的升高而升高，这是因为90℃时冷却液处于单相流换热阶段，流速越大换热系数越大，换热能力越强[5]。但在95℃与100℃情况下，散热器进出水口温差随转速波动较大，这可能与沸腾换热中存在的气泡有关。沸腾状态下的冷却液流经散热器时，散热增加，流体过冷度增大，压力降低，流体中的气泡破裂，而且不同的冷却液流速对气泡破裂的影响程度不同，这会加剧紊流而且导致换热边界层的波动[6]，紊流加剧和边界层的变化导致换热系数的变化，继而对整体换热产生较大的影响。由于试验数据记录是在发动机出水温度平稳后随机记录，而散热器冷却液由于相变换热的不稳定性造成温度波动较大，所以造成不同转速下记录的温度差异较大。因而，发动机在采取高温冷却时，不得不注意气泡的破裂对换热的影响，气泡的破裂还可能造成穴蚀，对发动机的寿命有极大的影响。

图7 散热器进出水口温差随转速变化曲线

图8示出发动机有效功率随转速变化曲线。从图8可以看出，当冷却液处在较高温度时，温度的变化对于有效功率的提升没有太大意义，远没有低温时温度的提升对有效功率的影响明显，所以在高温时想一味地以提升冷却液温度来提高有效功率是不现实的。

图8 发动机有效功率随转速变化曲线

3 结论

文章在研究了外特性下发动机进水口温度和发动机转速2个变量对冷却液温变和流变特性的影响，深入探究了内在的影响机理，结果表明：1）在不同的发动机冷却液进口温度下，冷却液流量的变化趋势是不同的，温度越高，流量降低，这主要与高温沸腾状态下冷却液中产生的气泡有关，气泡对冷却液的流动具有阻碍作用，造成宏观上的冷却液流量趋于下降。2）沸腾双相流换热要比单相流换热具有更大的换热系数，可以以较少的流量传递更多的热量，达到与正常冷却时大流量同样的冷却效果，这对于减少发动机冷却系泵损具有一定的参考价值。3）高温冷却虽然有很多优点，但是冷却温度过高也是不合理的。过高的冷却液温度对于发动机有效功率的提升并没有太大的影响，而且沸腾换热中，气泡的破裂对于换热有很大的影响，造成相变换热的不稳定，宏观上表现为换热前后温差波动大。此外，气泡的破裂还会造成穴蚀，对发动机的寿命有很大的影响，这在高温冷却系统的设计中是需要加以注意的。