汽车冷却系统现状及发展趋势

龙俊华 安瑞兵

摘 要：冷却系统是发动机的重要系统，文章介绍了汽车冷却系统各零部件的现状及发展趋势，同时详细介绍了汽车冷却系统设计方法。

关键词：汽车;冷却系统;发展趋势;设计方法

中图分类号：U464.238  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）06-75-03

Abstract： Cooling system ia a very important system of engine， this article introduces the current situation and development trend of parts of vehicle cooling system， and introduces the design method of veicle cooling system in detail.

Keywords： Vehicle; Cooling system; Development trend; Design method

CLC NO.： U464.238  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）06-75-03

前言

汽车冷却系统的功能是将发动机的热量及时散发出去，使发动机在最适宜的温度下工作。发动机机冷却液温度的过高会使润滑油的粘度降低，各摩擦副润滑油的数量就会减少，导致发动机各部件的摩擦损失加剧。当冷却液温度过低会使润滑油的粘度变大，流动性变差，同样不利于各摩擦副的润滑，从而降低了发动机的动力输出，影响了发动机的机械效率。理想的汽车冷却系统既要达到发动机冷却的需要，又要减少热量损失、减少能耗，使发动机在保证良好动力性基础上具有更优的节能效果。维持冷却液温度在适当的范围内，对于提高发动机的动力经济性有重要作用。

1 冷却系统现状

现阶段，大多数冷却系统属于被动系统，不能按照发动机冷却的需要提供合理的迎风和循环水量，冷却效率低，浪费了大量的燃料。风扇转速、进气量、冷却液流量，不是发动机瞬时需求，也不能使发动机所有工况下的水温保持在合理范围内。

2 冷却系统的电动化

2.1 冷却风扇的电动化

传统风扇为硅油离合器风扇如图1，由发动机带动的定传动比驱动，发动机转速决定风扇风量和冷却液流量，不是发动机瞬时需求。而电子风扇（见图2）不是由发动机直接驱动，而是由直流电机驱动，风扇转速不依赖于发动机转速。电子风扇检测到发动机水温，根据发动机水温实时调整电子风扇转速，这样避免风扇一直高速旋转，利于提高燃油经济性。因电子风扇不安装在发动机上，与护风罩一体化，风扇与散热器的径向间隙能够做到最低，防止了热风回流。同时风扇和风罩的同心度也能严格保证，风扇扫過散热器的面积就能保证。采用电机直接驱动，减少了中间传到环节，可以提高风扇的效率。但是，电子风扇的电机是由蓄电池提供，而蓄电池提供的电压有限，因而风扇的功率会受到影响，导致电子风扇仅适用于乘用车和轻卡等。

2.2 水泵的电动化

传统冷却系统的机械水泵（如图3）受到发动机转速的制约无法提高速度，也就不能动态地改变水流的循环速度，常使散热风扇的工作时间延长，甚至伴有“过热”现象。随着电子技术的发展，机械水泵向着电子水泵（如图4）方向发展。电子水泵的转速是独立控制的，其根据水温传感器信号实时调整发动机水套中冷却液流量，使得发动机水套中流动的冷却液流量能随着不同的驾驶工况而作调整，保持发动机的正常温度，降低能耗。在非最大冷却需求工况时，不需要全功率运行，电子水泵的最大功率和运行的平均功率都较机械水泵低很多。

同时电子水系与原机机械水系相比体积、重量均减少至少50%，可安装在发电机下方，节约空间;电机可由通往外壳周围的冷却液来冷却;此外，相比皮带驱动的机械水泵可减小水泵轴的弯曲应力;电子水泵暖机时间比机械水泵暖机时间早，减少能耗。

2.3 调温器的电动化

电子调温器能根据不同发动机和整车工况主动的调节冷却强度，是目前较为先进的调温器技术，典型的电子节温器如图5所示。

发动机在不同工况下对水温有不同的要求：在启动过程中，为了提高暖机速度，同时确保暖风有足够的强度，需要调温器推迟开启使水温迅速升高;在发动机低负荷运转过程中，为了降低发动机的摩擦功和传导给冷却系统的热量，提高效率，一般希望水温维持在一个相对高的水平，此时需要调温器的控制温度较高;在发动机大负荷运转时，为了防止爆震，局部过热，以及提高充气效率，一般希望调温器尽早开启大循环，使水温维持在相对低的水平。而与之矛盾的是，传统的蜡式调温器的调节特性是固定的，为了满足发动机大负荷工况冷却的需求，设计中常常将调温器的温控范围设置的较低，这使得发动机在低负荷和暖机过程中的性能下降。

电子调温器使以上问题得到解决，使用电子调温器的冷却系统水温不再是唯一的控制因素，电控系统通过标定好的控制MAP（包括水温，发动机工况，车速等信息）直接控制调温器阀门的动作

2.4 格栅的电动化

电动进气格栅可根据需要电动控制格栅开启角度，从而控制进风量。还可以在车辆行驶时降低风阻，提高燃油经济性。

3 冷却系统的材料

冷却系统散热器材料从铜制铝散热器代替传统的铜散热器，铝散热器具有重量轻，散热器性能好，材料便宜等优点。

散热器翅片和主板材料向着高强度轻量化方向发展，在提高强度的同时，减轻了重量，从而提高了燃油经济性。表1为冷却系统散热器部件厚度趋势。

4 冷却系统设计的发展趋势

4.1 经验计算法

冷却系统经验计算法是根据经验计算公式对冷却系统进行计算。影响散热器散热量的参数为发动机额定功率、发动机燃料消耗率等;影响冷却风扇风量的参数为空气进入散热器的前后温差。

4.2 仿真计算法

冷却系统仿真主要是基于流体的一维仿真，可以有效地模拟全工况整车的热状态，计算出发动机水温，从而判断冷却系统匹配是否适合。整车冷却系统一维仿真模型包括包括散热器模型，水泵模型，发动机热模型，节温器模型，膨胀箱等，如图6。

4.3 试验验证法

目前冷却系统试验验证法主要有：牵引负荷拖车试验法、爬长坡试验法、爬长坡试验法、环境舱试验法，如表2比较了这4种试验方法在试验场地、试验条件控制、对干扰的影响、试验一致性、试验数据准确性以及评价方法的优劣，其中环境舱试验法在各个方面都占优势，是冷却系统试验验证的一种趋势。

5 结论

随着技术的进步， 使用电控冷却部件实现精确冷却能和新型材料能最大程度满足逐渐提高的冷却系统性能要求，具有十分理想的应用前景。总之，只有对冷却系统各个环节进行深入地研究，多方面寻求提高冷却性能的有效途径，合理利用和发挥各个方法的潜在优势，才能实现冷却系统的高效化和低耗化，进而从整体上提高发动机的性能。

参考文献

[1] 韩松.车用发动机智能冷却系统基础问题研究[D].博士学位论文.浙江大学，2012.

[2] 苏忆.汽车发动机冷却系统智能控制技术研究[D].硕士论文.南京理工大学，2006.

[3] 胡攀，高勇飞，贾学宏等.电子水泵在混合动力发动机上的应用[J].内燃机，2017.