汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

董國宇 王立濤

摘要：發(fā)動機(jī)是汽車的靈魂，決定了汽車的性能好壞。發(fā)動機(jī)在快速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候會產(chǎn)生很多熱量，如果這些熱量沒有散失，會嚴(yán)重影響汽車零部件的運(yùn)轉(zhuǎn)，從而影響汽車的正常使用。汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)伴隨著汽車的發(fā)展而有了很大的改善。本文主要探討了汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：汽車；發(fā)動機(jī)；冷卻系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1.冷卻系統(tǒng)的構(gòu)造

1.1冷卻液

冷卻液指清潔的軟水，不是什么水都可以當(dāng)作冷卻液的，越嬌貴的車對水質(zhì)的要求越高。比如，清澈的泉水，雖然清澈，看起來也潔凈，但泉水中含有大量的礦物質(zhì)，如果加入發(fā)念頭的冷卻系統(tǒng)中，就會產(chǎn)生大量的水垢，影響冷卻系統(tǒng)正常作用的發(fā)揮，可見，冷卻液水質(zhì)的好壞是相當(dāng)重要的，國際上遍及使用的乙二醇型冷卻液是在軟化水中按比例添加防凍劑乙二醇，配以適量的金屬緩蝕劑、阻垢劑等添加劑進(jìn)行科學(xué)調(diào)和，達(dá)到冬季防凍、夏季防沸、且能防腐蝕、防水垢等作用。

1.2汽缸水套

它相當(dāng)于發(fā)念頭燃燒室周圍的水道，當(dāng)發(fā)念頭產(chǎn)生大量的熱時(shí)，汽缸水套將發(fā)揮降溫的作用在發(fā)念頭中，水和油的管道涇渭分明、互不干預(yù)干與，如果發(fā)現(xiàn)冷卻液中有油，就說明水道和油路發(fā)生了穿孔征象，一旦出現(xiàn)這種情況，水溫表的水溫會急劇上升，這時(shí)一定要及時(shí)采納措施。

1.3散熱水箱和冷卻風(fēng)扇

散熱水箱從外觀看狀似蜂窩，做成這種形狀是為了增加水箱的散熱面積，以加強(qiáng)散熱效果；冷卻風(fēng)扇有在正面安裝的，也有在側(cè)面安裝的，汽車在高速行駛過程中，冷卻風(fēng)扇將外面的空氣吸引進(jìn)來，利用自然風(fēng)，起到冷卻的作用。冷卻系和空調(diào)冷凝器共同的風(fēng)扇是直流永磁電念頭風(fēng)扇，用裝在散熱器上的溫度節(jié)制開關(guān)來節(jié)制，當(dāng)散熱器中冷卻液溫度降落至93～98℃時(shí)風(fēng)扇停轉(zhuǎn)。

1.4冷卻水泵和節(jié)溫器

冷卻液在冷卻系統(tǒng)中的流動，首要依靠冷卻水泵的動力；節(jié)溫器能感知發(fā)念頭的作溫度，低溫時(shí)，它封住水套中的水，令其在水套內(nèi)流動，當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)再打開，讓水顛末散熱水箱，發(fā)揮散熱作用。這里值得說明的是，切勿將節(jié)溫器摘掉，不然會導(dǎo)致發(fā)念頭過冷而難于啟動。

2.冷卻系統(tǒng)工作原理

冷卻系的功用就是使發(fā)念頭在不論什么工況下都得到適度的冷卻，從而保持在相宜的溫度（冷卻液溫度）下工作。汽車?yán)鋮s系統(tǒng)分為兩種類型：液冷和風(fēng)冷。

2.1水冷系

水冷系是以冷卻液為冷卻介質(zhì)，通過冷卻液將高溫零件的熱量帶走，再以一定的方式散發(fā)到大氣去，使發(fā)動機(jī)的溫度降低而進(jìn)行冷卻的一系列裝置。

2.2風(fēng)冷系

這種冷卻方法不是在發(fā)動機(jī)中進(jìn)行液體循環(huán)，而是通過發(fā)動機(jī)缸體表面附著的鋁片對氣缸進(jìn)行散熱。一個(gè)功率強(qiáng)大的風(fēng)扇向這些鋁片吹風(fēng)，使其向空氣中散熱，從而達(dá)到冷卻發(fā)動機(jī)的目的。

3.冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的作用是可靠地保護(hù)發(fā)念頭，而還應(yīng)具備改善燃料經(jīng)濟(jì)性和降低排放的作用。為此，現(xiàn)代冷卻系統(tǒng)要綜合考慮底下的因素：發(fā)念頭內(nèi)部的摩擦損掉；冷卻系統(tǒng)水泵的功率；燃燒邊界條件，如燃燒室溫度、充量密度、充量溫度。先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)接納系統(tǒng)化、模塊化設(shè)計(jì)方法，統(tǒng)籌考慮每項(xiàng)影響因素，使冷卻系統(tǒng)既保證發(fā)念頭正常工作，又提高發(fā)念頭效率和削減排放。

4.汽車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)控制模式設(shè)計(jì)

4.1渦輪增壓器的冷卻

渦輪增壓器軸承過去只用機(jī)油冷卻，最近，由于安裝了中間冷卻器，使發(fā)動機(jī)功率進(jìn)一步提高，因此發(fā)動機(jī)內(nèi)燃?xì)饬吭黾?，熱?fù)荷增大，渦輪增壓器軸承處的機(jī)油容易結(jié)炭，軸承材料也容易發(fā)生高溫腐蝕。為此，正開始采取用發(fā)動機(jī)冷卻水冷卻渦輪增壓器軸承的方法。因冷卻水在渦輪周圍高溫區(qū)循環(huán)，所以，不僅在運(yùn)轉(zhuǎn)中而且在停車后冷卻水的氣化潛熱也可以冷卻軸承和機(jī)油通道。豪克等人聲稱：裝車的水冷式渦輪增壓器，與舊式只用機(jī)油潤滑的發(fā)動機(jī)相比其可靠性可提高4～10倍。

4.2分流式冷卻系統(tǒng)

分流式冷卻系統(tǒng)為另外一種冷卻系統(tǒng)。在這種冷卻系統(tǒng)中，氣缸蓋和氣缸體由各自的液流回路冷卻，氣缸蓋和氣缸體具有不同的溫度。分流式冷卻系統(tǒng)具備特有的優(yōu)勢，可使發(fā)動機(jī)各部分在最優(yōu)的溫度設(shè)定點(diǎn)工作，冷卻系統(tǒng)的整體效率達(dá)到最大。每個(gè)冷卻回路將在不同冷卻溫度設(shè)定點(diǎn)或流速下工作，創(chuàng)造理想的發(fā)動機(jī)溫度分布。理想的發(fā)動機(jī)熱工作狀態(tài)是氣缸蓋溫度較低而氣缸體溫度相對較高。氣缸蓋溫度較低可提高充氣效率，增大進(jìn)氣量。溫度低且進(jìn)氣量大可促進(jìn)完全燃燒，降低CO、HC形成，也提高輸出功率。較高氣缸體溫度會減小摩擦損失，直接改善燃油效率，間接地降低缸內(nèi)峰值壓力和溫度。分流式冷卻系統(tǒng)可使缸蓋和缸體溫度相差100e。氣缸溫度可高達(dá)150e，而缸蓋溫度可降低50e，減少缸體摩擦損失，降低油耗。較高的缸體溫度使油耗降低4%～6%，在部分負(fù)荷時(shí)Hc降低20%～35%。節(jié)氣門全開時(shí)，缸蓋和缸體溫度設(shè)定值可調(diào)到50e和90e，從整體上改善燃油消耗、功率輸出和排放。

4.3單片機(jī)控制系統(tǒng)工作原理

當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)處于“ON”，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器采集發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號經(jīng)處理變換為數(shù)字信號，由單片機(jī)MCS-51讀入，MCS-51單片機(jī)根據(jù)輸入的信號判斷發(fā)動機(jī)是否處于啟動或正常工作狀態(tài)。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于啟動狀態(tài)時(shí)，溫度傳感器感受發(fā)動機(jī)冷卻液溫度，同時(shí)把溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷耗M信號，此信號經(jīng)處理后送入轉(zhuǎn)換器中，由轉(zhuǎn)換器把采集來的模擬電壓信號，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并讀入單片機(jī)MCS-51，單片機(jī)根據(jù)送來的溫度信號判斷發(fā)動機(jī)冷卻液溫度是否低于一定溫度）。如發(fā)動機(jī)冷卻液溫度低于60℃，單片機(jī)輸出信號電加熱器給冷卻液預(yù)熱，以便于發(fā)動機(jī)冷啟動，縮短暖機(jī)時(shí)間，減輕發(fā)動機(jī)磨損，減少燃油消耗和排放污染。當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到60℃C時(shí)則停止預(yù)熱。當(dāng)發(fā)動機(jī)啟動后，由溫度傳感器感受發(fā)動機(jī)冷卻液溫度高低與變化率，同時(shí)把溫度電壓信號經(jīng)處理后由單片機(jī)讀入，單片機(jī)根據(jù)溫度的高低及變化率，采用模糊控制的方法分析處理，輸出控制信號去控制驅(qū)動電路，對節(jié)溫器、保溫簾的開度和冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻強(qiáng)度的智能控制。在發(fā)動機(jī)工作過程中，如發(fā)動機(jī)冷卻液溫度越限（，單片機(jī)則輸出信號進(jìn)行越限報(bào)警，如傳感器及其電路在工作過程中出現(xiàn)故障，單片機(jī)得到的信號不符合要求，單片機(jī)則輸出信號進(jìn)行故障報(bào)警。單片機(jī)根據(jù)采樣數(shù)據(jù)分析處理發(fā)出控制指令，使：a電控冷卻風(fēng)扇不工作；b電控導(dǎo)風(fēng)板處于敞開狀態(tài)；c電控節(jié)溫器處于大循環(huán)狀態(tài)。這樣，直到發(fā)動機(jī)水溫返升至95e，電控冷卻風(fēng)扇又重新工作。

結(jié)語

隨著汽車輕量化技術(shù)等發(fā)展，現(xiàn)代汽車領(lǐng)域?qū)Πl(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)理念趨向于緊湊、單位面積功率大等方向。這樣的設(shè)計(jì)就導(dǎo)致發(fā)動機(jī)的強(qiáng)化程度越來越高，發(fā)動機(jī)工作的時(shí)候產(chǎn)生的熱流密度也就非常大。這個(gè)產(chǎn)生的熱流也是妨礙發(fā)動機(jī)進(jìn)一步提高效率，改進(jìn)性能一大因素。發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)就是為了解決發(fā)動機(jī)高速工作時(shí)熱流的冷卻和熱平衡。除此之外，冷卻系統(tǒng)還對發(fā)動機(jī)的排放有影響，越來越嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)對冷卻系統(tǒng)也提出了更高的要求。發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)已經(jīng)成為汽車領(lǐng)域里關(guān)鍵的技術(shù)，對提高發(fā)動機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)性都有很大的幫助。因此，對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行更深入的研究也就具有了更加重要的意義了。