淺談我國汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的研究進(jìn)展

歐陽麒麟

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，并做了簡要分析。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng)；冷卻介質(zhì)；冷卻機(jī)理

1 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。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。

2 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0℃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（MgCl2、Ca（HCO3）2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MgCl2）在受熱時(shí)產(chǎn)生水解作用，生成Mg（OH）2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（重鉻酸鉀K2Cr2O7）；為了解決水在0℃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。

3 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，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η總η機(jī)·η容·η液。傳統(tǒng)風(fēng)扇葉片采用薄鋼板

沖壓而成，其液力效率η液較低，又加上皮帶傳動(dòng)存在打滑損失，其機(jī)械效率η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η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η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η液，綜合各項(xiàng)措施最終使電動(dòng)風(fēng)扇的效率達(dá)到78%。

傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)冷卻液的正常工作溫度在80°～90℃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)饣旌暇鶆蚨炔焕硐耄鹑紵煌耆?，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100℃，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。

4 冷卻系統(tǒng)新的冷卻機(jī)理

上世紀(jì)70年代，美國、日本和英國等國家提出了“絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)”，其基本思路是對組成發(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[7、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[9]。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 滑機(jī)油粘度降低，潤滑效果變差，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，德國的Elsbett公司研制了一種新型車用發(fā)動(dòng)機(jī)[10]，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[11～13]。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—“熱區(qū)”和周邊溫度較低的冷卻空氣層—“冷區(qū)” 這種燃燒系統(tǒng)

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)[14]，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溃瑴p少傳向環(huán)槽的熱量。上述3項(xiàng)措施使燃燒經(jīng)活塞傳到氣缸壁的熱量下降了一個(gè)數(shù)量級；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。

5 結(jié)論

（1）冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化，工作協(xié)調(diào)性增強(qiáng)。

（2）新技術(shù)、新工藝在冷卻系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

（3）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)：

[1]汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的研究進(jìn)展[J].李維強(qiáng)，李偉，施衛(wèi)東，季磊磊，趙曉凡.排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào).2016（01）