【2017年整理】现代车用发动机冷却系统研究进展.doc

成晓北，潘立，鞠洪玲（湖北武汉华中科技大学能源与动力工程学院）　　 　　【摘要】简要分析了发动机冷却系统的发展现状、影响因素及存在问题；介绍了目前国内前沿的发动机冷却系统的设计理念和研究方法，如智能化电控冷却系统、精确冷却理念、分流式冷却、空气侧流动以及整车热管理研究等；展望了现代发动机冷却系统实现高效低耗的目标，指出采用电控冷却部件实现精确和分流式冷却的有效整合是行之有效的手段；而整车热管理研究势必会成为全面提高冷却系统性能的主要方法。　　 　　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，应用柴油机现代设计技术提出设计规范与策略，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。　　1??影响发动机冷却系统的因素以及目前存在的问题　　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。　　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。　　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。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。　　2??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，它更注重研究固一液耦合问题，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。　　2.1??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%。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。：　　Elena Cortona等人开发出的电动冷却系统中，除了用电动冷却水泵取代传统机械冷却水泵，同时还用电控智能节温器取代传统的节温器，并开发出与这些电动部件相应的优化控制策略。通过台架试验对比研究发现，在冷机起动的情况下，新的冷却系统能够显著缩短暖机时间，大大提高暖机温度。另外，智能节温器对冷却液的良好控制允许冷却系统有较高的出水温度。在相同的配置和冷却要求下，电动水泵的能量消耗仅为机械水泵的16%，即使考虑到电能的转换效率只有机械能效