第2期汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展與現(xiàn)狀盧廣峰，郭新民，孫運(yùn)柱，尹克榮，牟曉玉（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東泰安 271018；2.東營(yíng)市公路局，山東東營(yíng)257091；3.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東泰安271018）［摘要］ 早期的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)雖能滿足汽車的基本使用要求，但在滿載或者惡劣的環(huán)境中容易出現(xiàn)問題。在當(dāng)今日益重視環(huán)境保護(hù)、提倡節(jié)能和舒適性的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)、性能和汽車整體性能都有很大的發(fā)展，冷卻系統(tǒng)正朝著輕型化、緊湊化和智能化的方向發(fā)展。為此，重點(diǎn)介紹了國(guó)內(nèi)外汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究及發(fā)展情況，并做了簡(jiǎn)要分析。［關(guān)鍵詞］ 冷卻系統(tǒng)；冷卻介質(zhì)；冷卻機(jī)理［中圖分類號(hào)］U464.138 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A ［文章編號(hào)］1003—188X（2002）02—0129—03發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是汽車的重要構(gòu)件。汽車水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套、冷卻水泵、節(jié)溫器及冷卻風(fēng)扇等部件組成，如圖1所示。傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)采用的是冷卻風(fēng)扇或離合器式冷卻風(fēng)扇，兩種風(fēng)扇均由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過皮帶驅(qū)動(dòng)，其冷卻調(diào)節(jié)的靈敏度不高，功率損失也很大。為解決這個(gè)問題，就出現(xiàn)了自控電動(dòng)冷卻風(fēng)扇。最早的汽車電動(dòng)冷卻風(fēng)扇出現(xiàn)在1981年3月的美國(guó)專利文件中（專利號(hào)US4257554）。該專利首1985年，德國(guó)大眾汽車公司在中國(guó)申請(qǐng)發(fā)明利（專利號(hào)CN851095/A）。該項(xiàng)專利在汽車散熱器，前方設(shè)置空氣吸入口和輔助通口，加快了散熱器的冷卻速度，減少了電動(dòng)風(fēng)扇的電能消耗。但輔助通風(fēng)口從下向上吸入冷卻空氣，很容易將道路上的塵土、雜物吸入，造成散熱器臟污和堵塞，使散熱器的散熱效率降低。1985年，德國(guó)大眾汽車公司在中國(guó)申請(qǐng)發(fā)明專利（專利號(hào)CN851095/A）。該項(xiàng)專利在汽車散熱器前，方設(shè)置空氣吸入口和輔助通口，加快了散熱器的冷卻速度，減少了電動(dòng)風(fēng)扇的電能消耗。但輔助通風(fēng)口從下向上吸入冷卻空氣，很容易將道路上的塵土、雜物吸入，造成散熱器臟污和堵塞，使散熱器1989年，美國(guó)發(fā)明專利（專利號(hào)US4875521）的散熱效率降低。次在載重汽車上采用電動(dòng)單冷卻風(fēng)扇，風(fēng)扇布置在散熱器中部，葉片直徑較大，驅(qū)動(dòng)功率也較大。1992年，美國(guó)發(fā)明專利“機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)”（專利號(hào)US5269264）“I將電動(dòng)冷卻風(fēng)扇布置在散熱器前方，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的高低，冷熱氣閥可以交替開閉。韓國(guó)現(xiàn)代汽車公司生產(chǎn)的奏鳴曲（SONATA）牌轎車，用兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立而又相互聯(lián)系的電子控制的冷卻風(fēng)扇一散熱器冷卻風(fēng)扇和冷凝器冷卻風(fēng)扇，對(duì)冷卻液溫度和空調(diào)冷凝器溫度進(jìn)行多級(jí)聯(lián)合控制。該系統(tǒng)可以根據(jù)冷卻水溫度和空調(diào)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，綜合調(diào)節(jié)冷卻能力［阿，減少了在低溫時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱損失、功率損失和過度磨損，抑制了發(fā)動(dòng)機(jī)過熱的發(fā)生，降低了燃油消耗率。冷卻風(fēng)扇由傳統(tǒng)控制方式轉(zhuǎn)化為智能控制方式，散熱風(fēng)扇的冷卻能力隨著發(fā)動(dòng)機(jī)散熱的需要而自動(dòng)精確地調(diào)節(jié)，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)熱速度，使其始終保持最佳工作溫度，而且避免了能源的大量浪費(fèi)，其中減少風(fēng)扇功率消耗90%，節(jié)省燃油10%。1999年，法雷奧（Valeo）公司提出了在發(fā)動(dòng)機(jī)上配置名為Themis（智能熱調(diào)節(jié)系統(tǒng)）的新型電子調(diào)節(jié)系統(tǒng)，來改善發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻性能。它實(shí)現(xiàn)了水泵和缸體的分離，泵的流量和通風(fēng)裝置都通過發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU1.空％.夜岌.閭，曲熱善3.，說藪1..我我 5.氣幻晟出寄;對(duì)1愈咬水色 T.F日愈戒水向 0.也油M日費(fèi)早.戒水圖q圖1 反的機(jī)泳陣卻采氧+■'整和控制，便于水泵的安裝，而且遠(yuǎn)離缸體這一熱源后，水泵可以用塑料制成，既降低了成本，又減輕了水泵的重量，達(dá)到了水泵的轉(zhuǎn)速隨水溫的變化而變化，進(jìn)一步降低傳熱損失和機(jī)械損失，降低了污染和油耗的目的。1994年，臺(tái)灣裕隆汽車公司申請(qǐng)專利（專利號(hào)94119819），提出了在冷卻系統(tǒng)中裝置可調(diào)轉(zhuǎn)速電動(dòng)水泵的設(shè)計(jì)。以反饋控制水泵冷卻液流量，其主要是根據(jù)水溫、節(jié)氣門位置、車速等的傳感器所傳給ECU（微處理器）的信號(hào)，以反饋控制的方式，調(diào)整電動(dòng)水泵的轉(zhuǎn)速，使得引擎水套中流動(dòng)的冷卻液流量能隨著不同的駕駛狀況而作調(diào)整，保持發(fā)動(dòng)機(jī)的正常溫度，以減少HC污染的排放。［收稿日期］2001-12-17［指導(dǎo)教師］ 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)郭新民教授［作者簡(jiǎn)介］盧廣鋒（1977—），男，山東濟(jì)南人，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院99級(jí)研究生，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)的智能控制。第2期冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)目前，發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用液態(tài)水作冷卻液。水作為內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)具有很多優(yōu)點(diǎn)：在性能方面，它性能穩(wěn)定、熱容量大、導(dǎo)熱性好、沸點(diǎn)較高；在經(jīng)濟(jì)性能方面，它資源豐富、容易獲取。但另一方面，水作為冷卻介質(zhì)也存在著兩個(gè)較大的缺點(diǎn)：一是冰點(diǎn)高，在o°c時(shí)結(jié)冰，造成冬季使用困難；二是水具有一定的腐蝕性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)有損害作用。另外，水做冷卻液的冷卻系統(tǒng)，體積較龐大，不利于汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和整體質(zhì)量的減少，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)功率的額外消耗。天然水中一般都含有部分礦物鹽類（MgCl、Ca（HCO）等），當(dāng)水在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)內(nèi)受熱時(shí)，碳酸鹽會(huì)在冷卻系的壁上形成很難除去的水垢。導(dǎo)熱性能很差。當(dāng)水垢聚積過多時(shí)，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能惡化而導(dǎo)致過熱。另外，溶解在水中的某些鹽類（如MgCl）在受熱時(shí)產(chǎn)生水解作用，生成Mg（OH）和HCl。其中HCl是一種腐蝕性很強(qiáng)的酸。因此，當(dāng)水中含礦物鹽類過多時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)是很不利的。為了防止水垢的產(chǎn)生和水的腐蝕作用，在冷卻水中加入了防腐蝕劑（重銘酸鉀K2Cr2O）；為了解決水在0C時(shí)結(jié)冰的問題，一般采用防凍液來作冷卻液，常見的有丙稀二醇、甘醇、硅酸鹽、有機(jī)酸等。英國(guó)布里斯托爾大學(xué)航天系于1998年研制出了一種微型汽車散熱器，它只有一個(gè)火柴盒大小，體積為普通汽車散熱器的1%。，散熱能力卻與后者不相上下。據(jù)美國(guó)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，這種微型散熱器由415個(gè)細(xì)微的不銹鋼管組成，每個(gè)不銹鋼管直徑為0.38mm，中間裝有液態(tài)氦。測(cè)試表明，由這些細(xì)微不銹鋼管組成的面積為160mm的陣列，散熱能力可以達(dá)到13kW，與目前的汽車散熱器相當(dāng)。散熱器體積縮小，不但減輕了質(zhì)量，增加了其他零部件的布置空間，還減少了貴重金屬的使用量；液氦的使用消除了水冷卻介質(zhì)的不利影響，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的抗寒性。該系統(tǒng)存在的問題是液氦的制備和儲(chǔ)藏比較復(fù)雜，對(duì)儲(chǔ)藏設(shè)備的要求較高。冷卻系統(tǒng)向高效低能耗方向發(fā)展發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)效率的提高主要從兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)：其一，新材料的應(yīng)用及部件結(jié)構(gòu)的新設(shè)計(jì)；其二，部件的智能驅(qū)動(dòng)方式。傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)中，風(fēng)扇和水泵的效率普遍不高，造成大量能源的浪費(fèi)。為提高冷卻風(fēng)扇的效率，用塑料翼形風(fēng)扇取代圓弧型直葉片冷卻風(fēng)扇。從氣體動(dòng)力學(xué)的角度分析，翼形風(fēng)扇能夠改善風(fēng)扇流場(chǎng)，提高風(fēng)扇的效率和靜壓，使風(fēng)扇高效區(qū)變寬；另外，塑料表面的光潔度較高。傳統(tǒng)的冷卻風(fēng)扇由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，裝風(fēng)扇的發(fā)動(dòng)機(jī)與裝有風(fēng)罩的散熱器必須分別用彈性支座固定在車架。為避免在汽車運(yùn)行中因振動(dòng)而引起風(fēng)扇與風(fēng)罩相碰，風(fēng)扇葉輪與風(fēng)罩的徑向間隙的設(shè)計(jì)數(shù)值大于20mm，這必然大幅度降低風(fēng)扇的容積效率。風(fēng)扇的總效率取決于容積效率、機(jī)械效率和液力效率的乘積，即n總=財(cái)?n容?n液。傳統(tǒng)風(fēng)扇葉片采用薄鋼板 ’、沖壓而成，其液力效率n液較低，又加上皮帶傳動(dòng)存在打滑損失，其機(jī)械效率n楊也不高，從而導(dǎo)致傳統(tǒng)冷卻風(fēng)扇的總效率只有30%左右。采用電控風(fēng)扇，由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，與原來的皮帶傳動(dòng)相比，機(jī)械效率n機(jī)提高了。電控冷卻風(fēng)扇完全脫離發(fā)動(dòng)機(jī)，與風(fēng)罩、散熱器安裝為一體，保證了風(fēng)扇與風(fēng)罩的同心度，進(jìn)一步減小了徑向間隙，導(dǎo)致風(fēng)扇容積效率n容大幅度提高；另外，采用翼形端面塑料和流線型風(fēng)罩，使風(fēng)扇氣流入口形成良好的流線型氣流，可提高風(fēng)扇的液力效率n液，綜合各項(xiàng)措施最終使電動(dòng)風(fēng)扇的效率達(dá)到78%。Stepanoff曾提出高效離心水泵和軸流水泵的設(shè)計(jì)理論，通過改變?nèi)~輪形狀、提高表面光潔度，能使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的效率提高到75%。日本尼桑公司基于這一理論制造了一種水泵，比目前廣泛應(yīng)用的水泵尺寸增大了15%。為了在獲得水泵高效率的同時(shí)減小水泵的結(jié)構(gòu)尺寸，該公司又通過增加葉片數(shù)目、改進(jìn)葉片曲線設(shè)計(jì)，使水泵最大效率達(dá)到75%，水泵尺寸得到縮減。傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)冷卻液的正常工作溫度在80。?90C之間，在此溫度下工作的發(fā)動(dòng)機(jī)并未處于最佳工作狀態(tài)，燃?xì)饣旌暇鶆蚨炔焕硐?，引起燃燒不完全，在氣缸?nèi)積碳，工作中廢氣黑煙濃度增加，廢氣中CO、HC含量增大;另外，磨損也較大。由于散熱器密封不嚴(yán)，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，水的沸點(diǎn)只有100C，溫度無法提高。封閉式的冷卻液強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)解決了這個(gè)問題，它采用壓力蓋提高冷卻液的壓力，以提高冷卻液的沸點(diǎn)。壓力蓋密封良好，使系統(tǒng)保持較高壓力；并且壓力閥和真空閥靈敏可靠，有適當(dāng)?shù)膲翰羁梢蚤_啟，使系統(tǒng)壓力維持在適當(dāng)范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)冷卻性能穩(wěn)定。冷卻系統(tǒng)新的冷卻機(jī)理上世紀(jì)70年代，美國(guó)、日本和英國(guó)等國(guó)家提出了“絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)”，其基本思路是對(duì)組成發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的零部件表面，噴涂耐高溫的陶瓷覆層或使用陶瓷零部件，從而大大減少散熱損失。經(jīng)過20年的研制，絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)在高溫陶瓷零件（鑲塊或涂層）方面取得了較大的成功［8］。絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)（無外部冷卻裝置）的整機(jī)熱效率接近40%，復(fù)合式絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)熱效率達(dá)到了40%以上［“。這種以高度隔熱層為主要手段的絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率，較同類常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)（水冷或風(fēng)冷）高出5%?15%。雖然絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)提高了整機(jī)熱效率和功率，同時(shí)降低了成本，但受材料和鑲涂工藝的限制，還不能在普通車輛上使用，而且在高溫條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑機(jī)油粘度降低，潤(rùn)滑效果變差，需要安裝專門的散熱裝置；另外，氣缸的充氣效率會(huì)降低5%?10%。因此，還需要進(jìn)一步研究新的冷卻技術(shù)。上世紀(jì)80年代，德國(guó)的Elsbett公司研制了一種新型車用發(fā)動(dòng)機(jī)［項(xiàng)］，它采用新的燃燒系統(tǒng)與新的冷卻系統(tǒng)相結(jié)合的方式，以傳熱系數(shù)低的普通金屬材料和巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大幅度減少了散熱損失，取消了外部冷卻裝置。該機(jī)新的燃燒系統(tǒng)減少散熱的原理是在球型燃燒室中有強(qiáng)烈的空氣渦流，在離心力的作用下，沿燃燒室壁形成一層相對(duì)較冷的空氣區(qū)，“旋流式噴油器”噴出一股霧化錐角很大、射程近、射速慢的空心渦流霧錐［^。這股油霧隨空氣渦流旋轉(zhuǎn)，不與燃燒室壁接觸，在燃燒室中心混合燃燒，形成了熱的燃燒中心一“熱區(qū)”和周邊溫度較低的冷卻空氣層一“冷區(qū)”這種燃燒系統(tǒng)第2期由于。有“冷區(qū)”包圍著“熱區(qū)”，從而使燃燒室壁接受和傳出的燃燒熱量大為減少°Elsbett發(fā)動(dòng)機(jī)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步減少傳熱損失的設(shè)計(jì)「八，選用鑄鐵做活塞頂；將活塞環(huán)按內(nèi)腔設(shè)置隔熱槽，以截?cái)酂崃魍ǖ?，減少傳向環(huán)槽的熱量。上述3項(xiàng)措[14]施使燃燒經(jīng)活塞傳到氣缸壁的熱量下降了一個(gè)數(shù)量級(jí)；加上以機(jī)油循環(huán)冷卻氣缸蓋內(nèi)腔和缸體上部的油道，用機(jī)油噴射冷卻活塞內(nèi)腔，實(shí)現(xiàn)了無水冷強(qiáng)制風(fēng)冷的新的冷卻機(jī)理。目前，還出現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)常規(guī)冷卻機(jī)理中的強(qiáng)化冷卻措施，如活塞的“內(nèi)油冷”、排氣門的“鈉冷”以及噴油嘴的“內(nèi)油冷”等內(nèi)冷技術(shù)[15]。另外，采用的一些節(jié)油技術(shù)也具有內(nèi)部冷卻的功能[15]，如乳化柴油、進(jìn)氣噴水、進(jìn)氣引汽、代用燃料冷卻和過量空氣冷卻等。結(jié)論冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化，工作協(xié)調(diào)性增強(qiáng)。新技術(shù)、新工藝在冷卻系統(tǒng)中得到越來越6結(jié)束語6結(jié)束語隨著發(fā)動(dòng)機(jī)新技術(shù)的應(yīng)用，新概念的冷卻機(jī)制將在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻中得到廣泛應(yīng)用，冷卻裝置有離合器開關(guān)VJ型汽車駕駛模擬器信號(hào)采集系統(tǒng)中的傳感的主機(jī)板直接接口，程序運(yùn)行可靠。[參考文獻(xiàn)][KeyWords]Coolingsystem;Development;Statusquo郭清山.人機(jī)工程設(shè)計(jì)[M].天津：天津大學(xué)出版社，1994.5—7.李令舉.汽車電腦控制設(shè)備的原理與維修[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.95—96.張旦，錢 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