發(fā)動機(jī)冷卻液的循環(huán)過程?
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概述 隨著發(fā)動機(jī)采用更加緊湊的設(shè)計和具有更大的比功率，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的廢熱密度也隨之明顯增大。一些關(guān)鍵區(qū)域，如排氣門周圍散熱問題需優(yōu)先考慮，冷卻系統(tǒng)即便出現(xiàn)小的故障也可能在這樣的區(qū)域造成災(zāi)難性的后果。發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱能力一般應(yīng)滿足發(fā)動機(jī)滿負(fù)荷時的散熱需求，因為此時發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量最大。然而，在部分負(fù)荷時，冷卻系統(tǒng)會發(fā)生功率損失，水泵所提供的冷卻液流量超過所需的流量。我們希望發(fā)動機(jī)冷啟動時間盡可能短。因為發(fā)動機(jī)怠速時排放的污染物較多，油耗也大。冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)對發(fā)動機(jī)的冷啟動時間有較大的影響。 2 現(xiàn)代發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的特點 傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的作用是可靠地保護(hù)發(fā)動機(jī)，而還應(yīng)具有改善燃料經(jīng)濟(jì)性和降低排放的作用。為此，現(xiàn)代冷卻系統(tǒng)要綜合考慮下面的因素:發(fā)動機(jī)內(nèi)部的摩擦損失;冷卻系統(tǒng)水泵的功率;燃燒邊界條件，如燃燒室溫度、充量密度、充量溫度。 先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)采用系統(tǒng)化、模塊化設(shè)計方法，統(tǒng)籌考慮每項影響因素，使冷卻系統(tǒng)既保證發(fā)動機(jī)正常工作，又提高發(fā)動機(jī)效率和減少排放。 2.1 溫度設(shè)定點 發(fā)動機(jī)工作溫度的極限值取決于排氣門周圍區(qū)域最高溫度。最理想的情況是按金屬溫度而不是冷卻液溫度控制冷卻系統(tǒng)，這樣才能更好地保護(hù)發(fā)動機(jī)。由于冷卻系統(tǒng)設(shè)定的冷卻溫度是以滿負(fù)荷時最大散熱率為基礎(chǔ)，因此，發(fā)動機(jī)和冷卻系統(tǒng)在部分負(fù)荷時處于不太理想狀態(tài)，如市區(qū)行駛和低速行駛時，會產(chǎn)生高油耗和排放。 通過改變冷卻液溫度設(shè)定點可改善發(fā)動機(jī)和冷卻系統(tǒng)在部分負(fù)荷時的性能。根據(jù)排氣門周圍區(qū)域溫度極限值，可升高或降低冷卻液或金屬溫度設(shè)定點。升高或降低溫度點都各有特點，這取決于希望達(dá)到的目的。 2.2 提高溫度設(shè)定點 提高工作溫度設(shè)定點是一種比較受歡迎的方法。提高溫度有許多優(yōu)點，它直接影響發(fā)動機(jī)損耗和冷卻系統(tǒng)的效果以及發(fā)動機(jī)排放物的形成。提高工作溫度將提高發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度，降低發(fā)動機(jī)摩擦磨損，降低發(fā)動機(jī)燃油消耗。 研究表明，發(fā)動機(jī)工作溫度對摩擦損失有很大影響。將冷卻液排出溫度提高到150℃，使氣缸溫度升高到195℃，油耗則下降4%-6%。將冷卻液溫度保持在90-115℃范圍內(nèi)，使發(fā)動機(jī)機(jī)油的最高溫度為140℃，則油耗在部分負(fù)荷時下降10%。 提高工作溫度也明顯影響冷卻系統(tǒng)的效能。提高冷卻液或金屬溫度會改善發(fā)動機(jī)和散熱氣熱傳遞傳遞的效果，降低冷卻液的流速，減小水泵的額定功率，從而降低發(fā)動機(jī)的功率消耗。此外，可采用不同的方式，進(jìn)一步減小冷卻液的流速。 2.3 降低溫度設(shè)定點 降低冷卻系統(tǒng)的工作溫度可提高發(fā)動機(jī)充氣效率，降低進(jìn)氣溫度。這對燃燒過程、燃油效率及排放有利。降低溫度設(shè)定點可以節(jié)省發(fā)動機(jī)運(yùn)行成本，提高部件使用壽命。 研究表明，若氣缸蓋溫度降低到50℃，點火提前角可提前3℃A而不發(fā)生爆震，充氣效率提高2%，發(fā)動機(jī)工作特性改善，有助于優(yōu)化壓縮比和參數(shù)選擇，取得更好的燃油效率和排放性能。 2.4 精確冷卻系統(tǒng) 精確冷卻系統(tǒng)主要體現(xiàn)在冷卻水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計與冷卻液流速的設(shè)計中。在精確冷卻系統(tǒng)中，熱關(guān)鍵區(qū)，如排氣門周圍，冷卻液有較大的流速，熱傳遞效率高，冷卻液的溫度梯度變化小。這樣的效果來自縮小這些地方冷卻液通道的橫截面，提高流速，減少流量。 精確冷卻系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵在于確定冷卻水套的尺寸，選擇匹配的冷卻水泵，保證系統(tǒng)的散熱能力能夠滿足低速大負(fù)荷時關(guān)鍵區(qū)域工作溫度的需求。 發(fā)動機(jī)冷卻液流速的變化范圍相當(dāng)大，從怠速時的1 m/s到最大功率時的5 m/s。故應(yīng)將冷卻水套和冷卻系統(tǒng)整體考慮，相互補(bǔ)充，發(fā)揮最大潛力。 研究表明，采用精確冷卻系統(tǒng)，在發(fā)動機(jī)整個工作轉(zhuǎn)速范圍，冷卻液流量可下降40%。對氣缸蓋上冷卻水套的精確設(shè)計，可使普通冷卻道的流速從1.4m/s提高到4 m/s，大大提高氣缸蓋傳熱性，將氣缸蓋的金屬溫度降低到60℃。 2.5 分流式冷卻系統(tǒng) 分流式冷卻系統(tǒng)為另外一種冷卻系統(tǒng)。在這種冷卻系統(tǒng)中，氣缸蓋和氣缸體由各自的液流回路冷卻，氣缸蓋和氣缸體具有不同的溫度。分流式的冷卻系統(tǒng)具備特有的優(yōu)勢，可使發(fā)動機(jī)各部分在最優(yōu)的溫度設(shè)定點工作。冷卻系統(tǒng)的整體效率達(dá)到最大。每個冷卻回路將在不同冷卻溫度設(shè)定點或流速下工作，創(chuàng)造理想的發(fā)動機(jī)溫度分布。 理想的發(fā)動機(jī)熱工作狀態(tài)是氣缸蓋溫度較低而氣缸體溫度相對較高。氣缸蓋溫度較低可提高充氣效率，增大進(jìn)氣量。溫度低且進(jìn)氣量大可促進(jìn)完全燃燒，降低CO，HC和NOx的形成，也提高輸出功率。較高氣缸體溫度會減小摩擦損失，直接改善燃油效率，間接地降低缸內(nèi)峰值壓力和溫度。分流式冷卻系統(tǒng)可使缸蓋和缸體溫度相差100℃。氣缸溫度可高達(dá)150℃，而缸蓋溫度可降低50℃，減少缸體摩擦損失，降低油耗。較高的缸體溫度使油耗降低4%-6%，在部分負(fù)荷時HC降低20%-35%。節(jié)氣門全開時，缸蓋和缸體溫度設(shè)定值可調(diào)到50℃和90℃，從整體上改善燃油消耗、功率輸出和排放。 2.6 可控式發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng) 傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)屬于被動式的，結(jié)構(gòu)簡單或成本低?？煽厥嚼鋮s系統(tǒng)可彌補(bǔ)目前冷卻系統(tǒng)的不足?，F(xiàn)在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是解決滿負(fù)荷時的散熱問題，因而部分負(fù)荷時過大的散熱能力將導(dǎo)致發(fā)動機(jī)功率浪費(fèi)。這對輕型車輛來說尤為明顯，這些車輛大多數(shù)時間都在市區(qū)內(nèi)部分負(fù)荷下行駛，只利用部分發(fā)動機(jī)功率，引起冷卻系統(tǒng)較高損耗。為解決發(fā)動機(jī)在特殊情況下過熱的問題，現(xiàn)在的冷卻系統(tǒng)體積較大，導(dǎo)致冷卻效率降低，增大了冷卻系統(tǒng)的功率需求，延長了發(fā)動機(jī)暖機(jī)時間?？煽厥桨l(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)一般包括傳感器、執(zhí)行器和電控模塊?？煽厥嚼鋮s系統(tǒng)能夠根據(jù)發(fā)動機(jī)工作狀況調(diào)整冷卻量，降低發(fā)動機(jī)功率損耗。在可控式冷卻系統(tǒng)中，執(zhí)行器為冷卻水泵和節(jié)溫器，一般由電動水泵和液流控制閥組成，可根據(jù)要求調(diào)整冷卻量。溫度傳感器為系統(tǒng)的一部分，可迅速把發(fā)動機(jī)的熱狀態(tài)傳給控制器。 可控式裝置，如電動水泵，可將冷卻系溫度設(shè)定點從90℃提高到110℃，節(jié)省2%-5%的燃油，CO減少20%，HC減少10%。穩(wěn)定狀態(tài)時，金屬溫度比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的高10℃，可控式冷卻系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)能力，可將冷卻溫度保持在設(shè)定點的±2℃范圍。從110℃下降到100℃只需2 s。發(fā)動機(jī)暖機(jī)時間減少到200s，冷卻系統(tǒng)工作范圍更貼近工作極限區(qū)域，能夠縮小發(fā)動機(jī)冷卻溫度和金屬溫度的波動范圍，減少循環(huán)熱負(fù)荷造成的金屬疲勞，延長部件壽命。 3 結(jié)論 前面介紹的幾種先進(jìn)冷卻系統(tǒng)具有改善冷卻系統(tǒng)性能的潛力，能夠提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性能。冷卻系統(tǒng)的能控性是改善冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵，能控性表示對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)保護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)，如金屬溫度、冷卻液溫度和機(jī)油溫度等能夠控制，確保發(fā)動機(jī)在安全限度范圍內(nèi)工作。冷卻系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌r作出快速反應(yīng)，最大地節(jié)省燃料、降低排放，而不影響發(fā)動機(jī)整體性能。 從設(shè)計和使用性能角度看，分流式冷卻與精密冷卻相結(jié)合具有很好的發(fā)展前景，既能提供理想的發(fā)動機(jī)保護(hù)，又能提高燃油經(jīng)濟(jì)性和排放性。這種結(jié)構(gòu)有利于形成發(fā)動機(jī)理想的溫度分布。直接向氣缸蓋排氣門周圍供給冷卻液，減少了氣缸蓋溫度變化，使缸蓋溫度分布更加均勻，也能將機(jī)油和缸體溫度保持在設(shè)計的工作范圍，具有較低的摩擦損失和污染排放量?！?冷卻系統(tǒng)的功能及維護(hù)保養(yǎng)方法如下: 1、冷卻系統(tǒng)的功能，就是將發(fā)動機(jī)零件吸收的一部分熱量帶走，保證柴油發(fā)動機(jī)各零件維持在正常的溫度范圍內(nèi)。 2、冷卻水應(yīng)是不含溶解鹽的軟水，如清潔的河水、雨水等。不要用井水、泉水或海水等硬水，以防產(chǎn)生水垢，引起發(fā)動機(jī)散熱不良，氣缸過熱等問題發(fā)生。 3、用漏斗將冷卻水加入水箱時，應(yīng)當(dāng)防止水飛濺到發(fā)動機(jī)與散熱器上，防止散熱片和機(jī)體上積塵、弄臟，影響冷卻效果。 4、若因發(fā)動機(jī)缺水而引起溫度過高時，不能馬上加水，應(yīng)使發(fā)動機(jī)慢速運(yùn)轉(zhuǎn)10-15分鐘，等溫度稍降低后，在發(fā)動機(jī)不息火的情況下慢慢加入冷卻水。 5、冬季，水箱內(nèi)應(yīng)加熱水。啟動后應(yīng)慢速運(yùn)轉(zhuǎn)至水溫超過40度時才能工作。工作結(jié)束后，必須放盡冷卻水。 6、要定期清除水箱內(nèi)的水垢，對風(fēng)冷發(fā)動機(jī)的散熱片要經(jīng)常擦洗污泥、臟垢。散熱片不可損壞，若損壞后要及時更換，以免影響散熱效果。
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