汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的發(fā)展

1汽車蒸發(fā)器和電子控制的發(fā)展從根冷動(dòng)力系統(tǒng)是汽車的重要組成部分。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,如圖1所示。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(guò)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(wèn)題,就出現(xiàn)了自控電動(dòng)冷卻風(fēng)扇。最早的汽車電動(dòng)冷卻風(fēng)扇出現(xiàn)在1981年3月的美國(guó)專利文件中(專利號(hào)US4257554)。該專利首先提出了用電動(dòng)冷卻風(fēng)扇取代皮帶驅(qū)動(dòng)的冷卻風(fēng)扇,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度和負(fù)荷情況的不同,實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn),避免了發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻風(fēng)扇的功率損失,縮短了發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)熱時(shí)間,減少傳熱損失。然而,該項(xiàng)專利技術(shù)由于沒(méi)有采用護(hù)風(fēng)罩,降低了風(fēng)機(jī)的容積效率,同時(shí)引起風(fēng)機(jī)總效率的降低,最終只能應(yīng)用在熱負(fù)荷比較小的轎車散熱器上。1985年,德國(guó)大眾汽車公司在中國(guó)申請(qǐng)發(fā)明專利(專利號(hào)CN851095/A)。該項(xiàng)專利在汽車散熱器前方設(shè)置空氣吸入口和輔助通口,加快了散熱器的冷卻速度,減少了電動(dòng)風(fēng)扇的電能消耗。但輔助通風(fēng)口從下向上吸入冷卻空氣,很容易將道路上的塵土、雜物吸入,造成散熱器臟污和堵塞,使散熱器的散熱效率降低。1989年,美國(guó)發(fā)明專利(專利號(hào)US4875521)首次在載重汽車上采用電動(dòng)單冷卻風(fēng)扇,風(fēng)扇布置在散熱器中部,葉片直徑較大,驅(qū)動(dòng)功率也較大。1992年,美國(guó)發(fā)明專利“機(jī)動(dòng)車發(fā)動(dòng)機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)”(專利號(hào)US5269264)將電動(dòng)冷卻風(fēng)扇布置在散熱器前方,根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的高低,冷熱氣閥可以交替開(kāi)閉。韓國(guó)現(xiàn)代汽車公司生產(chǎn)的奏鳴曲(SONATA)牌轎車,用兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立而又相互聯(lián)系的電子控制的冷卻風(fēng)扇—散熱器冷卻風(fēng)扇和冷凝器冷卻風(fēng)扇,對(duì)冷卻液溫度和空調(diào)冷凝器溫度進(jìn)行多級(jí)聯(lián)合控制。該系統(tǒng)可以根據(jù)冷卻水溫度和空調(diào)系統(tǒng)的工作狀態(tài),綜合調(diào)節(jié)冷卻能力,減少了在低溫時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的傳熱損失、功率損失和過(guò)度磨損,抑制了發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱的發(fā)生,降低了燃油消耗率。冷卻風(fēng)扇由傳統(tǒng)控制方式轉(zhuǎn)化為智能控制方式,散熱風(fēng)扇的冷卻能力隨著發(fā)動(dòng)機(jī)散熱的需要而自動(dòng)精確地調(diào)節(jié),提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)熱速度,使其始終保持最佳工作溫度,而且避免了能源的大量浪費(fèi),其中減少風(fēng)扇功率消耗90%,節(jié)省燃油10%。1999年,法雷奧(Valeo)公司提出了在發(fā)動(dòng)機(jī)上配置名為T(mén)hemis(智能熱調(diào)節(jié)系統(tǒng))的新型電子調(diào)節(jié)系統(tǒng),來(lái)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻性能。它實(shí)現(xiàn)了水泵和缸體的分離,泵的流量和通風(fēng)裝置都通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)的ECU來(lái)進(jìn)行調(diào)整和控制,便于水泵的安裝,而且遠(yuǎn)離缸體這一熱源后,水泵可以用塑料制成,既降低了成本,又減輕了水泵的重量,達(dá)到了水泵的轉(zhuǎn)速隨水溫的變化而變化,進(jìn)一步降低傳熱損失和機(jī)械損失,降低了污染和油耗的目的。1994年,臺(tái)灣裕隆汽車公司申請(qǐng)專利(專利號(hào)94119819),提出了在冷卻系統(tǒng)中裝置可調(diào)轉(zhuǎn)速電動(dòng)水泵的設(shè)計(jì)。以反饋控制水泵冷卻液流量,其主要是根據(jù)水溫、節(jié)氣門(mén)位置、車速等的傳感器所傳給ECU(微處理器)的信號(hào),以反饋控制的方式,調(diào)整電動(dòng)水泵的轉(zhuǎn)速,使得引擎水套中流動(dòng)的冷卻液流量能隨著不同的駕駛狀況而作調(diào)整,保持發(fā)動(dòng)機(jī)的正常溫度,以減少HC污染的排放。2水在0時(shí)工作原理目前,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(duì)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(guò)多時(shí),會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能惡化而導(dǎo)致過(guò)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(guò)多時(shí),對(duì)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(wèn)題,一般采用防凍液來(lái)作冷卻液,常見(jiàn)的有丙稀二醇、甘醇、硅酸鹽、有機(jī)酸等。英國(guó)布里斯托爾大學(xué)航天系于1998年研制出了一種微型汽車散熱器,它只有一個(gè)火柴盒大小,體積為普通汽車散熱器的1‰,散熱能力卻與后者不相上下。據(jù)美國(guó)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道,這種微型散熱器由415個(gè)細(xì)微的不銹鋼管組成,每個(gè)不銹鋼管直徑為0.38mm,中間裝有液態(tài)氦。測(cè)試表明,由這些細(xì)微不銹鋼管組成的面積為160mm2的陣列,散熱能力可以達(dá)到13kW,與目前的汽車散熱器相當(dāng)。散熱器體積縮小,不但減輕了質(zhì)量,增加了其他零部件的布置空間,還減少了貴重金屬的使用量;液氦的使用消除了水冷卻介質(zhì)的不利影響,提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的抗寒性。該系統(tǒng)存在的問(wèn)題是液氦的制備和儲(chǔ)藏比較復(fù)雜,對(duì)儲(chǔ)藏設(shè)備的要求較高。3大幅度降低風(fēng)電的容積效率發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)效率的提高主要從兩個(gè)方面來(lái)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(chǎng),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上。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)扇后,由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇,與原來(lái)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%。Stepanoff曾提出高效離心水泵和軸流水泵的設(shè)計(jì)理論,通過(guò)改變?nèi)~輪形狀、提高表面光潔度,能使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水泵的效率提高到75%。日本尼桑公司基于這一理論制造了一種水泵,比目前廣泛應(yīng)用的水泵尺寸增大了15%。為了在獲得水泵高效率的同時(shí)減小水泵的結(jié)構(gòu)尺寸,該公司又通過(guò)增加葉片數(shù)目、改進(jìn)葉片曲線設(shè)計(jì),使水泵最大效率達(dá)到75%,水泵尺寸得到縮減。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?引起燃燒不完全,易在氣缸內(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(wú)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(wèn)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_(kāi)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在車輛和發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用上世紀(jì)70年代,美國(guó)、日本和英國(guó)等國(guó)家提出了“絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)”,其基本思路是對(duì)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(guò)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(wú)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。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(rùn)滑機(jī)油粘度降低,潤(rùn)滑效果變差,需要安裝專門(mén)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(guó)的Elsbett公司研制了一種新型車用發(fā)動(dòng)機(jī),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(duì)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),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?減少傳向環(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(jí);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(wú)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