【综合评述】
现代发动机冷却系统的发展趋势
张金柱
（黑龙江工程学院，黑龙江哈尔滨
150050）
摘要：传统发动机冷却系统由于自身特性影响，其工作性能受到限制。在部分负荷时会造成功率损失，而汽车在此工况下行驶的时间最长。本文介绍一些先进冷却系统的设计和系统的工作特点，这些系统既起到保护发动机的作用，又改善燃油效率和降低排放污染。
关键词：发动机冷却系统；燃油效率；减少排放中图分类号：TK414.2；424.2
文献标识码：A 文章编号：1671-2471（2005）03-0006-03
基金项目：黑龙江省自然基金项目（E2004-04）资助。
作者简介：张金柱（1963-），男，黑龙江工程学院汽车系系副主任，副教授，工学硕士哈尔滨工程大学机电工程专业毕业，
研究方向为汽车动力系统检测、开发与设计。
收稿日期：2005-03-28
Trend of Cooling System in Modern Engine
Zhang Jinzhu
（Heilongjiang Engineering College ，Harbin 150050）
Abstract ：Conventional cooling system of engine is limited in operating performance for its character-istics.When automobile is running with partial load ，it is possible to low some power.Automotive keeps running frequently under this condition.The paper describes some structure and operation of advanced
cooling system ，Which will have a perfect effect on protecting engine ，improving fuel efficiency and de-creasing emission.
Key Words ：Engine Eooling System ；Fuel Efficiency ；Emission Reduction
1概述
随着发动机采用更加紧凑的设计和具有更大的比功率，发动机生产的废热密度也随之明显增大。一些关键区域，如排气门周围的散热问题需优先考虑。冷却系统即便出现小的故障也可能在这样的区域造成灾难性的后果。发动机冷却系统的散热能力一般应满足发动机满负荷时的散热需求。已为此时发动机产生的热量最大。然而，在部分负荷时，冷却系统会发生功率损失。水泵所提供的冷却液流量超过所需的流量。
发动机冷起动时间应尽可能短。因为发动机怠速时排放的污染物较多，油耗也大。而冷却系统的结构对发动机的冷起动时间有较大的影响。
现代的发动机设计充分考虑这些问题，将发
动机的热量管理系统纳入到整个发动机控制系统中，全面考虑发动机的暖机、冷却效率、废气排放控制、燃油利用、乘客室的取暖和三元催化剂活化时间等。目前的冷却系统属于被动系统，只能有限地调节发动机和汽车的热分布状态。采用先进的冷却系统设计和先进的工作方式可大大改进冷却系统，使冷却系统高效的运行，间接地提高燃料经济性和降低排放量。
2现代发动机冷却系统的特点
传统冷却系统的作用是可靠地保护发动机，而还应具有改善燃料经济性和降低排放的作用。为此现代冷却系统要综合考虑下面的因素。
2005年第3期（总第87期）山东内燃机SHANDONG I.C.E.2004年6月
（1）发动机内部的摩擦损失。
（2）冷却系统消耗的功率。
（3）燃烧边界条件，如燃烧室温度，充量密度、充量温度。
先进的冷却系统采用系统化、模块化设计方法，统筹考虑每项影响因素，使冷却系统既保证发动机正常工作，又提高发动机效率和减少排放。2.1温度设定点
发动机性能受到多种因素影响，不可能改变一项条件就能提高发动机的整个性能。因此先进的冷却系统要全面考虑各种条件才能改善发动机的性能。使冷却液温度保持在设定点是冷却系统最常见的工作方式。通常人们会认为冷却液的温度可用金属温度表示。实际上这种关系只在稳态下和特定运转速度和负荷下才能成立。金属和冷却液温度在发动机不同地方可能相同也可能不同。发动机整体处于不均匀温度分布状态。
发动机工作温度的极限值取决于排气门周围区域最高温度。最理想的情况是按金属温度而不是冷却液温度控制冷却系，这样才能更好地保护发动机。由于冷却系统设定的冷却温度是以满负荷时最大散热率为基础，因此发动机和冷却系统在部分负荷时处于不太理想状态，如市区行驶和低速行驶时，会产生高油耗和排放。
通过改变冷却液温度设定点可改善发动机和冷却系统在部分负荷时的性能。根据排气门周围区域温度极限值，可升高或降低冷却液或金属温度设定点。升高或降低温度点都各有特点，这取决于希望达到的目的。
2.2提高温度设定点
提高工作温度设定点是一种比较受欢迎的方法。提高温度有许多优点，它直接影响发动机损耗和冷却系统的效果、以及发动机排放物的形成。提高工作温度将提高发动机机油温度，降低发动机摩擦磨损，降低发动机燃油消耗。
研究表明发动机工作温度对摩擦损失由很大影响。将冷却液排出温度提高到150℃，使气缸温度升高到195℃，油耗则下降4%～6%［8］。将冷却液温度保持在90～115℃范围内，使发动机机油的最高温度为140℃，则油耗在部分负荷时下降10%。
提高工作温度也明显影响冷却系统的效能。提高冷却液或金属温度会改善发动机和散热气热传递的效果，降低冷却液的流速，减小水泵的额定功率。从而降低发动机的功率消耗。此外，可采用不同的传热方式，进一步减小冷却液的流速。2.3降低温度设定点
降低冷却系统的工作温度可提高发动机充气效率，降低进气温度。这对燃烧过程、燃油效率及排放有利。降低温度设定点可以节省发动机运行成本，提高部件使用寿命。
研究表明，若气缸盖温度降低到50℃，点火提前角可提前3º而不发生爆震。充气效率提高将2%，发动机工作特性改善。有助于优化压缩比和参数选择，取得更好的燃油效率和排放性能［9］。2.4精确冷却系统
精确冷却系统主要体现在冷却水套的结构设计与冷却液流速的设计。在精确冷却系统中，热关键区，如排气门周围，冷却液有较大的流速，热传递效率高，冷却液的温度梯度变化小。这样的效果来自缩小这些地方冷却液通道的横截面，提高流速，减少流量。
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低速大负荷时关键区域工作温度的需求。
发动机冷却液流速的变化范围相当大，从怠速时1m/s到最大功率时5m/s。因此应将冷水套和冷却系统整体考虑，相互补充，发挥最大潜力。
研究表明，采用精确冷却系统，可在发动机整个工作转速范围，冷却液流量下降40%［8］。对气缸盖上冷却水套的精确设计，可使普通冷却道的流速从1.4m/s提高到4m/s，大大提高气缸盖传热性，将气缸盖的金属温度降低到60℃。
2.5分流式冷却系统
分流式冷却系统为另外一种冷却系统。在这种冷却系统中，气缸盖和气缸体由各自的液流回路冷却，气缸盖和气缸体具有不同的温度。分流式的冷却系统具备特有的优势，可使发动机各部分在最优的温度设定点工作。冷却系统的整体效率达到最大。每个冷却回路将在不同冷却温度设定点或流速下工作，创造理想的发动机温度分布。
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。温度低且进气量大可促进完全燃烧，降低CO、HC和NO
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的形成，也提高输出功率。较高气缸体温度会减小摩擦损失，直接改善燃油效率，间接的降低缸内峰值压力和温度。分流式冷却系统可使缸盖和缸体温度可相差100℃［8］。气缸温度可高达150℃，而缸盖温度可
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2005年第3期张金柱：现代发动机冷却系统的发展趋势
