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浅谈我国汽车发动机冷却水泵的研究进展

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欧阳麒麟

摘要：早期的发动机冷却系统虽能满足汽车的基本使用要求，但在满载或者恶劣的环境中容易出现问题。在当今日益重视环境保护、提倡节能和舒适性的情况下，发动机的结构、性能和汽车整体性能都有很大的发展，冷却系统正朝着轻型化、紧凑化和智能化的方向发展。为此，重点介绍了国内外汽车发动机冷却系统的研究及发展情况，并做了简要分析。

关键词：冷却系统；冷却介质；冷却机理

1发动机冷却系统向智能化方向发展

发动机冷却系统是汽车的重要构件。汽车水冷发动机冷却系统主要由发动机冷却水套、冷却水泵、节温器及冷却风扇等部件组成。传统冷却系统采用的是冷却风扇或离合器式冷却风扇，两种风扇均由发动机曲轴通过皮带驱动，其冷却调节的灵敏度不高，功率损失也很大。为解决这个问题，就出现了自控电动冷却风扇。

2冷却系统的冷却介质

目前，发动机广泛采用液态水作冷却液。水作为内燃机冷却系统的冷却介质具有很多优点：在性能方面，它性能稳定、热容量大、导热性好、沸点较高；在经济性能方面，它资源丰富、容易获取。但另一方面，水作为冷却介质也存在着两个较大的缺点：一是冰点高，在0℃时结冰，造成冬季使用困难；二是水具有一定的腐蚀性，对发动机冷却系统有损害作用。另外，水做冷却液的冷却系统，体积较庞大，不利于汽车内部结构的优化和整体质量的减少，增加了发动机功率的额外消耗。天然水中一般都含有部分矿物盐类（MgCl2、Ca（HCO3）2等），当水在发动机冷却系统内受热时，碳酸盐会在冷却系的壁上形成很难除去的水垢。导热性能很差。当水垢聚积过多时，会使发动机冷却性能恶化而导致过热。另外，溶解在水中的某些盐类（如MgCl2）在受热时产生水解作用，生成Mg（OH）2和HCl。其中HCl是一种腐蚀性很强的酸。因此，当水中含矿物盐类过多时，对发动机的冷却系统是很不利的。为了防止水垢的产生和水的腐蚀作用，在冷却水中加入了防腐蚀剂（重铬酸钾K2Cr2O7）；为了解决水在0℃时结冰的问题，一般采用防冻液来作冷却液，常见的有丙稀二醇、甘醇、硅酸盐、有机酸等。

3冷却系统向高效低能耗方向发展

发动机冷却系统效率的提高主要从两个方面来实现：其一，新材料的应用及部件结构的新设计；其二，部件的智能驱动方式。传统冷却系统中，风扇和水泵的效率普遍不高，造成大量能源的浪费。为提高冷却风扇的效率，用塑料翼形风扇取代圆弧

型直叶片冷却风扇。从气体动力学的角度分析，翼形风扇能够改善风扇流场，提高风扇的效率和静压，使风扇高效区变宽；另外，塑料表面的光洁度较高。传统的冷却风扇由发动机驱动，装风扇的发动机与装有风罩的散热器必须分别用弹性支座固定在车架。为避免在汽车运行中因振动而引起风扇与风罩相碰，风扇叶轮与风罩的径向间隙的设计数值大于20mm，这必然大幅度降低风扇的容积效率。风扇的总效率取决于容积效率、机械效率和液力效率的乘积，即η总η机·η容·η液。传统风扇叶片采用薄钢板

冲压而成，其液力效率η液较低，又加上皮带传动存在打滑损失，其机械效率η杨也不高，从而导致传统冷却风扇的总效率只有30%左右。采用电控风扇，由电机直接驱动风扇，与原来的皮带传动相比，机械效率η机提高了。电控冷却风扇完全脱离发动机，与风罩、散热器安装为一体，保证了风扇與风罩的同心度，进一步减小了径向间隙，导致风扇容积效率η容大幅度提高；另外，采用翼形端面塑料和流线型风罩，使风扇气流入口形成良好的流线型气流，可提高风扇的液力效率η液，综合各项措施最终使电动风扇的效率达到78%。

传统冷却系统冷却液的正常工作温度在80°～90℃之间，在此温度下工作的发动机并未处于最佳工作

状态，燃气混合均匀度不理想，引起燃烧不完全，在气缸内积碳，工作中废气黑烟浓度增加，废气中CO、HC含量增大；另外，磨损也较大。由于散热器密封不严，在标准大气压下，水的沸点只有100℃，温度无法提高。封闭式的冷却液强制循环系统解决了这个问题，它采用压力盖提高冷却液的压力，以提高冷却液的沸点。压力盖密封良好，使系统保持较高压力；并且压力阀和真空阀灵敏可靠，有适当的压差可以开启，使系统压力维持在适当范围内，确保系统冷却性能稳定。

4冷却系统新的冷却机理

上世纪70年代，美国、日本和英国等国家提出了“绝热发动机”，其基本思路是对组成发动机燃烧室的零部件表面，喷涂耐高温的陶瓷覆层或使用陶瓷零部件，从而大大减少散热损失。经过20年的研制，绝热发动机在高温陶瓷零件（镶块或涂层）方面取得了较大的成功[7、8]。绝热发动机（无外部冷却装置）的整机热效率接近40%，复合式绝热发动机的整机热效率达到了40%以上[9]。这种以高度隔热层为主要手段的绝热发动机的有效热效率，较同类常规发动机（水冷或风冷）高出5%～15%。虽然绝热发动机提高了整机热效率和功率，同时