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发动机冷却
11.1冷却系统的任务
11.1.1 功能要求
冷却系统的基本要求是保证发动机的零件在车辆所有的工况下能冷却在适当温度范围内，例如，对于传统的水冷，需要注意，若温度超出沸点，冷却液未被加热，会导致冷却系统的压力超出界限，发动机蒸干。通常在发动机达到最大功率或车辆接近最大车速时，发动机燃烧室（气缸）周围的零件会达到最高温度。冷却系统的还存在其他临界情况，如满载的车辆缓慢爬坡，牵引挂车，车辆停止发动机怠速时，尽管在这些工作点，靠近燃烧室的零件没有达到很高的温度，散热器和风扇的状况仍需要检查以避免冷却液过热。同时，这些极限点必须在车辆能工作的最高环境温度范围内。
11.1.2满足被动特性要求
所谓被动特性，主要是指在汽车使用寿命内冷却系统的耐久性，例如散热器等部件，要求其能够保持所有功能并正常工作约150，000km，冷却液要求保持正常工作60,000km或两年，这些耐久性要求将在未来持续提高。
对于散热器，延长工作寿命的要求很难满足，因为在腐蚀、尘土污染、堵塞、泄漏等方面可能出现许多技术难题，为避免散热器支架的外部污染，散热片的数量每10CM管长不应超过100个。水泵暴露在一定的危险环境中，导致了汽蚀和轴承处的泄漏：例如软管和它们的连接处，泄露物的力和自由度需要特殊考虑。汽车冷却系统的冷却液是由水和乙二醇或丙二醇混合形成，还加入了泡沫抑制剂，防锈剂和着色剂。冷却液必须为无毒，非易燃液体，且与亚硝酸盐和胺不互溶。
冷却系统的设计和安装应满足，无论人们运行任何制热系统，均不会遭受烧伤。
11.1.3冷却系统的发展潜力
除了前面部分已经提及的基本的冷却系统要求（系统的零件和冷却液应保证在任何工况下不会过热），冷却系统对发动机的燃料消耗和废气排放也有较大影响。
冷却系统应能在任何时间，以与发动机运行状态匹配的速率，将靠近燃烧室的零部件的热量有效的移除，零件既不能过冷，也不能过热，也就是说，他们应该保持在允许的高温下。
在预热阶段，产生的热量应被用于迅速提高零件温度，以达到正常工作值，需要少量的辅助能量来传递大量热能给冷却液，以传递给散热器，冷却液和辅助装置的质量应尽可能小。
在冷却液流动空间和冷却系统部件的尺寸设计方面，还有进一步发展的潜力，可以用一些的模型作为辅助，以减少车内实验。在设计冷却系统时的一个重要的判断标准是，要在任意给定的发动机工况下，了解建立零件的温度分布，及热量的连续变化，例如，局部的热负荷能导致受力问题，需考虑汽缸的膨胀和压力，因此，能够提前计算冷却系统的状态是很重要的。
11.2冷却系统
11.2.1水冷
在传统循环冷却系统中，冷却液在水泵增压后首先通过需要被冷却的发动机，然后经过能够传热的零件——散热器或加热器（图11.1）。冷却液首先通过发动机的机体水套，接着经汽缸机体和汽缸盖接合处的连接孔，流入汽缸盖水套，汽缸盖衬套处的小洞保证了各式汽缸能尽可能被相同程度的冷却。接着冷却液开始分流，此时流动方式决定于节温器的状态，一部分流入散热器（冷却长循环），另一部分流经旁边支路（冷却短循环），当节温器关闭时，液体完全在发动机内循环 ，因此将快速变热，当液体足够热时，节
温器打开，液体经过长循环路线进入散热器，这就是通常的冷却方式。
离心式水泵被发动机曲轴驱动运转，因此冷却液流速取决于发动机转速，即被冷却的零件和冷却液间的热传递系数很大程度取决于发动机转速。
图11.1水冷系统简图
节温器的状态决定于发动机工作点和被散热器转移的热量，节温器控制着冷却液流经长循环流入散热器的流量，和直接流入短循环至水泵的流量（图11.1），因此冷却液的温度持续保持在很小范围内。节温器中阀盖升起的运动产生于元件的膨胀，反应了冷却液温度变化。
如果节温器完全打开长循环回路，叶片运转增加了通过散热器气流量，保证带走了更多热量，叶片的开启决定于需要的冷却液温度，对于中低档发动机功率，电动机驱动叶片，对于更高的性能要求，叶片由发动机机械驱动，或是大型冷却系统中的液压发动机机驱动。发动机的开启与它的负荷由机械控制或电控，是根据液体温度或者离开散热器的空气温度来决定。通常使用双金属片驱动的粘性离合器，双金属片暴露在离开散热器的气流中，当它膨胀时，调节了液压离合器的油量和叶片速度，因此不完全由发动机转速控制。
当满载运行时，冷却系统以热量损失的形式转移了燃油提供给发动机的15%—30%的能量到周围大气中。当发动机在低负荷工作时，这个值变更大。根据H.-P. Willumeit等人的研究，图11.2表明了道路行驶中部分负荷工作状态下的热平衡。当车速减小时，发
动机效率降低，冷却系统转移的热量与发动机有效功率的比值会迅速增大。
图11.2 部分负荷时的发动机热平衡图
11.2.2空冷
若发动机采用空冷，需要冷却的零件的热量直接被转移至周围空气中，零件与空气之间的低传热系数需通过提供更大接触面积来补偿。在摩托车的空冷系统中，冷却气缸及气缸盖的叶片的表面积应足够大，在车辆运转中，当气流通过他们时，才能够保持温度足够低。空冷发动机主要应用于商业车及客车中，且还需要冷却风扇装置。
图11.3给出了空冷系统的示意图，冷却媒介在一个开回路中流动，通过风扇进入的新鲜空气可以在流经发动机后再次流入大气中。径流式与轴流式的风扇均被用于空冷系统，气流的体积由恒温控制板控制，当风扇由粘性离合器控制时，也可以通过改变风扇转速来控制，当前，空冷在汽车中应用较困难，主要应用于摩托车。
图11.3 空冷系统工作原理
11.2.3零件温度控制冷却系统
在发动机部分负荷工况下，传统的冷却系统需要移除过量的热量（见图11.2），在这个工况下，零件温度极大的降低，通过H.P.WILLUMEIT等人的测量，图11.4中描述了在发动机转速从零负荷到满载的变化过程中，气缸温度的变化。在发动机满载，转速为6000rpm时，零件达到最高温度，在发动机其他工况下，气缸温度较低。通过让零件温度在每一个工作点保持一致的方式，控制冷却系统的热传递，我们就得到了所谓的零件温度控制冷却系统（图11.5）。根据ECE实验，零件持续的高温改变了发动机的废气排放量，同时，也提高了13.5%的燃油消耗（图11.5）。
图11.4 传统冷却系统中当活塞在顶点时气缸温度与发动机转速的关系
在这个系统中，冷却液温度是一个自由变量，因此冷却液必须有高沸点。
11.2.4双回路冷却系统与暖机的概念
当零件预热时，内燃机会产生较高的摩擦损失，因此燃油消耗和发动机磨损增加。此外，在这样的工况下，空燃比必须较高，燃油经济型与排放变差。为了尽快通过暖机阶段，冷却系统不应在此阶段从发动机中获取热量，这也是要求汽车供暖系统尽快地从冷循环系统得到高温液体。
图11.5 零件温度控制的冷却概念 排放与燃油消耗方面与传统冷却系统的比较
双回路系统通过允许冷却液在暖机阶段只流过汽缸盖，来解决矛盾问题，图11.6展示了双回路系统的布置情况，辅助的控制阀能在暖机阶段关闭发动机的冷却回路，冷却液无法流动，汽缸壁的传热系数大大降低，暖机过程也加快，气缸的摩擦较大程度减少，图11.6 优化暖机阶段的双回路冷却概念
与发动机体相比，汽缸盖较低的热容量（）与较多的热量（,见图11.2）使汽车的加热系统迅速获得高温冷却液。
11.2.5 高温冷却
高温冷却是指在高温冷却液的辅助下提高发动机的零件温度，图11.7所示，基于E.MUHLBERG与W.BESSLEN的研究，图11.7表明了，通过改变传统的冷却液温度为度的水冷而使用冷却温度高达的乙二醇，可以在柴油机上实现燃油消耗的减少。在任何情况下，用高温冷却方式，发动机内的油温都较高，因此燃油消耗进一步降低。
图11.7从水冷转换为高温冷却时，降低的燃油消耗与平均有效压力之间的关系
在柴油机上使用高温冷却方式的研究表明，相比于传统的冷却方式，根据发动机负荷的不同，CO的排放减少了35-40%，HC排放减少了19-33%，NO排放仅有极小程度的提高。
为了允许在高温条件下工作，需使用具有高沸点的冷却液，使用传统的冷却液会使系统内压力上升过大。
高温冷却液也会导致满载时零件温度的大幅度升高，因此当发动机转速较高时，关键位置的零件承担过多的热负荷（例如：阀之间的板），发动机的高温通常会提高容积系数，若是四冲程发动机，对爆震极限会产生反作用，因此，高温冷却仅仅用于无过度负荷的柴油发动机中。
11.2.6油冷
在任何情况下，高温冷却中，冷却液的沸点必须高于传统水冷中的冷却液，因此自然想到可以使用润滑油作为冷却系统的冷却液，此时需要二级油泵，第一级（高压阶段）正常提供给发动机润滑，而第二级（低压阶段）则提供大量冷却液为发动机冷却，润滑油与冷却油在机油箱中混合后被泵再次吸入，节温器保持油温的均衡。
图11.8 油冷发动机工作原理
油冷发动机有许多设计优点，因为它仅装满一种液体，在发动机密封部分易得到较好效果，尤其是在汽缸盖衬套处。将润滑和冷却回路结合也使需要的零件数量减少。
就热学性能而言，使用油作为冷却液的显著特点是它的粘性主要取决于温度。粘性反过来会影响零件与冷却液之间的热传递（见11.3节），当发动机温度较低时（油粘度较高），热传递较少，温度升高时（油粘度较低），热传递增加。在发动机暖机阶段和较低负荷工况下，采用油冷，燃油消耗和HC排放均减少。
11.2.7相变冷却
目前为止，我们所讨论的冷却系统主要是依据热传递的强迫对流原则运转，冷却液被需要冷却的零件加热，然后通过水泵的作用流至给热交换器，在周围空气下冷却。
用相变冷却方式的系统极大的满足了11.1节所提到的现代冷却系统的要求，图11.9是相变冷却系统的布置简图，它的工作过程如下：零件吸收热量，导致冷却液达到从液体转换为气体的条件，在这个相变过程中，蒸发媒介吸收了大量热量，而温度保持不变，第二个相变阶段，气体液化，向周围空气中释放热量，在暖机阶段没，特殊的通风系统允许空气离开没有被液体充满的冷却系统零件。气体在隔板作用下，强制离开冷却系统。
图11.9 相变冷却循环
蒸发过程吸收的高热量（水：2258kJ/kg）使冷却过程中的冷却液需求量少，相比于传统冷却系统，泵的尺寸和传递率可以降低，系统也可以采用电力驱动泵，将液化的冷却液压入发动机。
11.3.1节中通过蒸发解决了物理过程中的热传递，因此，传热系数和从发动机转移的热量决定于零件的温度，物理的作用在一方面保证冷却系统了在承受过度载荷（满载）工作点时能有足够的冷却能力，另一方面，使发动机在部分负荷时保持一定温度，使暖机过程加快，燃油消耗，HC排放以及发动机的磨损也有改善，然而由于燃烧室的温度较高，N排放增加，图11.13表明，使用相变冷却时，发动机暖机过程加快对零件温度及油温的影响明显
图11.10 冷却液体积流与传递的热量和相关的液压泵等级之间的关系
（水冷系统与相变冷却系统）
图11.11 在以上三种实验条件校， 相变冷却对燃油消耗的影响
图11.12稳态工况下，相变冷却对于燃油消耗的影响
图11.13在ECE实验中，冷启动后的阀面温度与油温
在发动机预热和暖机阶段，除了在燃油经济性和废气排放方面有所提升外，相变冷却和传统的水冷相比，还有以下优点：
1 循环中冷却液消耗少
2 冷却液质量小
3 发动机在低负荷工况时，油温高
4 零件温度分布均匀
5 气缸冷却均匀
11.3计算方法
11.3.1热交换原理
在热力学中，热交换一词概述了热流从空间里的一点流至另一点期间，所发生的所有的物理现象。在内燃机的冷却系统中，热能从燃烧气体转移至周围的空气中，这类热传递不是直接发生的，相反，所有的传热途径：热传递，热传导，热辐射均有发生。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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