汽车发动车冷却系统研究现状与发展方向
刘卫民 Z11030187
1 引言
随着现代车用发动机采用更加紧凑的设计和更大的单位体积功率,强化程度越来越高,发动机产生的热流密度也随之明显增大,目前几乎所有的发动机强化都面临着如何解决高功率密度下的冷却及热平衡问题,在满足不断提高的输出功率的同时,又要具有良好的经济性。此外,日益严格的排放标准也对冷却系统提出了新的要求。冷却系统工作性能的优劣,直接影响着动力系统的整体性能。开发高效可靠的冷却系统,已成为发动机进一步提高功率、改善经济性所必须突破的关键技术问题。因此,采用先进的冷却系统设计理念,对柴油机冷却系统进行深入研究具有十分重要的实际意义。
2 影响发动机冷却系统的因素以及目前存在的问题
2.1影响发动机冷却系统的因素
水冷式发动机通常采用闭式强制循环冷却系统,主要由冷却水套、水泵、风扇、散热器、节温器、循环管路等组成。由于组成冷却系统部件众多且结构复杂,加上发动机运行工况的多样性,其影响因素也是多方面且错综复杂的。总体来说,影响冷却系统的主要因素主要有循环冷却水量、冷却空气流量、冷却水道结构和散热效率【1】。
循环冷却水量和冷却空气流量主要由散热量决定。对于诸如发动机燃烧室等严重受热的零部件以及一些关键的区域,循环水量的控制就显得尤为重要,这不仅与水泵的特性、冷却水套结构密切相关,同时还与冷却水水温有关,因为冷却水高温沸腾产生的气泡阻力对循环水量有着显著的影响。空气流量主要与风扇直径、转速、叶片形状、流阻特性、水箱与风扇叶片相对位置以及机舱背压等因素有关。合理而有效的冷却水道结构能减少流动过程的涡流、节流等损失,提高关键区域流速的同时避免非关键区域的过度冷却,从而大大提高冷却效率。散热效率则主要与散热器、中冷器等主要散热部件有关,要求散热器具有足够的散热面积。以上几个因素并非孤立的,而是相互影响和相互制约的,需要综合考虑。
2.2目前存在的问题
目前,高功率密度的增压柴油机由于热负荷和热应力过高,依然存在关键区域冷却不足、零件热疲劳失效、过热产生裂纹等问题。发动机冷却系统冷却过度和冷却不足都会造成发动机可靠性下降,零部件磨损加剧,热量不平衡等问题,影响发动机的动力性和经济性【2】。因此,现代发动机的冷却系统要求能满足各种工况下运转时的散热需要,保证关键区域具有足够的冷却,又要降低整机的散热量,减小对冷却系统的散热要求,提高能量利用率,使发动机具有良好的经济性。
3 现代发动机冷却系统研究现状及发展方向
由于冷却系统对发动机性能的影响日益显著,通过对冷却系统的不断改进来提高发动机性能已成为一种有效的手段。对柴油机冷却系统的研究有两个方面:一方面是以提高冷却效率为目的的系统本身的研究,包括系统各缸水流分布、各部件结构设计、冷却散热系统合理匹配、系统控制等,称为外冷却研究;另一方面是研究冷却系统关键零部件的热负荷及其可靠性,它更注重研究固—液耦合问题,称为内冷却研究。目前,发动机冷却系统的发展趋势主要有以下几个方面。
3.1冷却系统的智能化和可控化
目前,大部分发动机冷却系统仍属于传统的被动系统,只能有限地调节发动机和汽车的热分布状态。但随着电子技术和计算机技术的飞速发展,电控零部件技术成熟,冷却系统的智能化和自动化成为可能。
传统的冷却系统中采用机械驱动的冷却水泵和冷却风扇,冷却介质流量取决于发动机转速,而非发动机实际运行时冷却量需求,显然无法实现对发动机水温在全运行工况内的合理控制。此外,这些部件耗功严重,比如风扇消耗的功率可以达到发动机总功率输出的10%【3】。采用电子驱动及控制的冷却水泵、风扇、节温器等部件,可以通过传感器和计算机芯片根据实际的发动机温度控制运行,提供最佳的冷却介质流量,实现冷却系统部件的智能化和可控化,同时降低能耗,提高效率。
ValeoEngineCooling公司较早开发出了一种可变速冷却风扇发动机,其风扇速度能根据冷却液温度和空气调节循环参数来调整,从而能够降低噪声和燃料消耗。国内郭新民等人对汽车智能化声明,这对于提高发动机的热效率等很有帮助【4】。
3.2发动机冷却介质流动的合理组织
3.2.1水腔内冷却水流动的组织
闭式强制循环冷却方式中,水腔内冷却水流动的组织是直接影响冷却效果的主要因素。改进发动机冷却水套结构,寻求适当的冷却水流量、压力以及合理的流场分布成为高强化发动机研究开发中不可缺少的重要环节。
CloughM.J.早在1992年提出了“精确冷却”的概念,即利用最少的冷却以达到最佳的温度分配【5】。精确冷却系统的设计关键在于确定冷却水套的尺寸,选择匹配的冷却水泵,保证系统的散热能力能够满足发动机低速大负荷时关键区域工作温度的需求。研究表明,采用精确冷却系统,在发动机整个工作转速范围,冷却液流量可下降40%。尤其适用于机体内纵向流动的精确冷却,体现在冷却水套的结构设计与冷却液流速的设计中。精确冷却的潜在优势在于加快暖机速度,减少热应力和热量损失,降低摩擦系数和冷却水泵功率消耗,提高平均有效压力和抗爆性。由于抗爆性的改进和铝制气缸盖的广泛应用,因此相比柴油机而言,精确冷却更适合于汽油机。
CouetouseH.等人提出分流式冷却系统的设计,即气缸盖和气缸体有不同的冷却回路,使得气缸盖和气缸体具有不同的温度。发动机理想的工作状态是气缸盖温度低而气缸体温度高,这是由于较低的气缸盖温度有利于进气和改善排放,而较高的气缸体温度则有利于降低摩擦损失,改善燃油经济性。分流式冷却系统的优势在于使发动机各部分在最优的温度设定点工作,达到较高的冷却效率。研究表明,该系统可使两者温度相差约100℃,气缸体温度可高达150℃,而气缸盖温度可降低约50℃,减少摩擦损失,降低油耗。较高的气缸体温度使油耗降低4%～6%,在部分负荷时HC排放降低20%～35%。节气门全开时,气缸盖和气缸体温度设定值最大可调50℃和90℃,从整体上改善燃油消耗、功率输出和排放【6】。
无论是精确冷却系统还是分流式冷却系统,都要求对发动机冷却水套进行必要的改进以优化冷却液流动。从设计和使用角度看,分流式冷却和精确冷却相结合具有很好的发展前景,有利于形成理想的发动机温度分布,满足发动机对未来冷却系统的要求。
3.2.2 冷却液流动的研究
目前,对冷却液流动的研究手段主要为试验研究和计算机数值模拟研究。在试验研究方面,朱义伦等人采用激光多普勒测速仪(LDV)对发动机气缸盖冷却水流动进行
