发动机冷却系统：散热、冷启动与现代特点的综合解析

xinxi1368

1 概述

随着发动机采用更紧凑的设计和更大的比功率，发动机产生的废热密度也显着增加。排气阀周围等关键区域的散热问题需要优先考虑，因为即使是冷却系统的小故障也可能在这些区域产生灾难性的后果。发动机冷却系统的散热能力一般应满足发动机满负荷时的散热需要，因为此时发动机产生的热量最大。然而，在部分负载下，冷却系统会出现功率损失，并且水泵提供的冷却剂流量超出了所需。我们希望发动机冷启动时间尽可能短。由于发动机在怠速时排放的污染物较多，因此消耗的燃油也较多。冷却系统的结构对发动机的冷启动时间影响很大。

2 现代发动机冷却系统的特点

传统冷却系统的作用是可靠地保护发动机，但它还应该提高燃油经济性并减少排放。为此，现代冷却系统必须综合考虑以下因素：发动机内的摩擦损失；冷却系统水泵功率；燃烧边界条件，例如燃烧室温度、充气密度和充气温度。

先进的冷却系统采用系统化、模块化的设计方法，考虑到每一个影响因素，使冷却系统不仅能保证发动机的正常工作，还能提高发动机效率，减少排放。

2.1 温度设定点

发动机工作温度限制取决于排气门周围区域的最高温度。理想情况下，通过金属温度而不是冷却液温度来控制冷却系统将更好地保护发动机。由于冷却系统设定的冷却温度是根据满载时的最大散热率来设定的，因此发动机和冷却系统在部分负载时处于不太理想的工况，例如城市行驶和低速行驶，会产生较高的热损失。燃料消耗和排放。 。

通过改变冷却液温度设定点可以改善部分负载下的发动机和冷却系统性能。根据排气阀周围区域的温度限制，可以升高或降低冷却剂或金属温度设定点。升高或降低温度点有其自身的特点，具体取决于所需的内容。

2.2 提高温度设定点

提高工作温度设定点是一种流行的方法。提高温度有很多好处，它直接影响发动机损失和冷却系统的有效性以及发动机排放的形成。提高工作温度会提高发动机油温，减少发动机摩擦和磨损，降低发动机燃油消耗。

研究表明，发动机工作温度对摩擦损失有显着影响。将冷却液排出温度提高到150℃，将使气缸温度提高到195℃，燃油消耗将降低4%-6%。将冷却液温度保持在90-115°C范围内，使机油最高温度达到140°C，部分负荷时油耗可降低10%。

提高工作温度也会显着影响冷却系统的性能。提高冷却液或金属的温度，会改善发动机与散热器之间的传热效果，减少冷却液的流量，降低水泵的额定功率，从而降低发动机的功耗。此外，还可以采用不同的方式进一步降低冷却剂流量。

2.3 降低温度设定点

降低冷却系统的工作温度可以提高发动机的充气效率并降低进气温度。这有利于燃烧过程、燃油效率和排放。降低温度设定点可以节省发动机运行成本并延长部件寿命。

研究表明，如果缸盖温度降低至50℃，点火提前角可提前3℃而不发生爆震，充气效率提高2%，改善发动机工作特性，有助于优化压缩比和参数选择，取得更好的效果。燃油效率和排放性能。

2.4 精密冷却系统

精密的冷却系统主要体现在冷却水套的结构设计和冷却液流量的设计上。在精密冷却系统中，在热关键区域，如排气阀周围，冷却剂流量大，传热效率高，冷却剂温度梯度变化小。这种效果来自于缩小这些地方的冷却剂通道的横截面，增加流速并减少流量。

设计精密冷却系统的关键是确定冷却水套的尺寸并选择匹配的冷却水泵，以确保系统的散热能力能够满足低速大负载时关键区域的工作温度要求。

发动机冷却液流速变化很大，从怠速时的 1 m/s 到最大功率时的 5 m/s。因此，冷却水套和冷却系统应作为一个整体来考虑，相辅相成，最大限度地发挥其潜力。

研究表明，采用精密冷却系统，在整个发动机工作速度范围内，冷却液流量可减少 40%。缸盖上冷却水套的精密设计，可将普通冷却水道的流速从1.4m/s提高到4m/s，大大改善缸盖的传热，降低缸盖金属温度至 60°C。

2.5 分体式冷却系统

分体式冷却系统是另一种类型的冷却系统。在该冷却系统中，气缸盖和气缸体由单独的液体流动回路冷却并且具有不同的温度。分流式冷却系统具有独特的优势，可以让发动机各部分工作在最佳温度设定点。冷却系统的整体效率最大化。每个冷却回路将在不同的冷却温度设定点或流量下运行，从而创建理想的发动机温度曲线。

发动机理想的热工况是缸盖温度较低，缸体温度较高。较低的气缸盖温度可以提高充气效率并增加进气量。低温和大进气量可以促进完全燃烧，减少CO、HC和NOx的生成，同时也可以提高输出功率。较高的缸体温度将减少摩擦损失，直接提高燃油效率，并间接降低缸内峰值压力和温度。分流冷却系统可以实现缸盖和缸体之间100℃的温差。气缸温度可高达150℃，而气缸盖温度可降低50℃，减少气缸摩擦损失，降低油耗。缸温较高，油耗降低4%-6%，部分负荷下HC降低20%-35%。当节气门完全打开时，气缸盖和气缸体温度设置可调节至50°C和90°C，以全面改善燃油消耗、功率输出和排放。

2.6 可控发动机冷却系统

传统的发动机冷却系统是被动式的，结构简单或成本低。可控冷却系统可以弥补当前冷却系统的缺点。目前冷却系统的设计标准是解决满负载时的散热问题。因此，部分负荷时散热能力过大，会导致发动机功率的浪费。对于轻型汽车尤其如此，其大部分时间在城市地区部分负荷下行驶，仅使用部分发动机功率，导致冷却系统损失较高。为了解决特殊情况下发动机过热的问题，目前的冷却系统体积较大，导致冷却效率较低，增加了冷却系统的功率需求，延长了发动机的预热时间。可控发动机冷却系统通常包括传感器、执行器和电子控制模块。可控冷却系统可根据发动机工况调节冷却量，减少发动机功率损失。在可控冷却系统中，执行器是冷却水泵和恒温器，一般由电动水泵和液流控制阀组成。冷却量可根据需要调整。温度传感器是系统的一部分，可将发动机的热状态快速传达给控制器。

电动水泵等可控装置可以将冷却系统温度设定点从90℃提高到110℃，节省燃料2%-5%，减少CO 20%，减少HC 10%。稳态时，金属温度比传统冷却系统高10°C。可控冷却系统具有更快的响应能力，可将冷却温度维持在设定值的±2℃以内。从110℃降至100℃仅需2秒。发动机预热时间缩短至200秒，冷却系统工作范围更接近工作极限区域，可减小发动机冷却温度和金属温度的波动范围，减少循环热负荷引起的金属疲劳，延长部件的使用寿命。

3 结论

早期推出的几种先进冷却系统有潜力提高冷却系统性能，提高燃油经济性和排放性能。冷却系统的可控性是改善冷却系统的关键。可控性是指可以控制发动机结构保护的关键参数，例如金属温度、冷却液温度和油温，以确保发动机在安全范围内运行。冷却系统可以快速响应不同的工况，最大限度地节省燃油并减少排放，而不影响发动机的整体性能。

从设计和性能角度来看，分流冷却与精密冷却相结合具有良好的发展前景，不仅可以提供理想的发动机保护，还可以提高燃油经济性和排放。这种结构有利于发动机理想的温度分布。直接向气缸盖排气门周围供给冷却液，减少了气缸盖的温度变化，使气缸盖的温度分布更加均匀。它还可以使发动机机油和气缸温度保持在设计的工作范围内，摩擦损失和污染更低。排放。 ■

冷却系统的作用及维护方法如下：

1、冷却系统的作用是带走发动机零件吸收的部分热量，保证柴油机零件维持在正常温度范围内。

2、冷却水应采用不含溶解盐的软水，如清洁的河水、雨水等，切勿使用井水、泉水或海水等硬水，以免形成水垢，导致发动机不良散热、气缸过热等问题。

3、使用漏斗向水箱添加冷却水时，一定要防止水溅到发动机和散热器上，并防止散热器和机体上积聚灰尘、污垢，影响冷却效果。

4、如果因发动机缺水而导致发动机温度过高，不能立即加水。发动机应低速运转10-15分钟。待温度稍降后，趁发动机仍点火时缓慢添加冷却水。

5、冬季应将水箱内的水加热。启动后应缓慢运转，直至水温超过40度方可工作。工作完成后，必须将冷却水排掉。

6、应定期清除水箱内的水垢，并定期擦拭风冷发动机散热器上的泥土和污垢。散热器不得损坏。如有损坏，必须及时更换，以免影响散热效果。