發(fā)動機冷卻系統(tǒng)研究狀況及發(fā)展趨勢.docx

本科課程論文題目 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)研究狀況及發(fā)展趨勢 學 院 工程技術學院 專 業(yè) 年 級 2011級 學 號 姓 名 指 導 教 師 成 績 2013年12月25 日發(fā)動機冷卻系統(tǒng)研究狀況及發(fā)展趨勢摘要：簡要介紹了目前國內外前沿的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)研究及應用狀況,如智能化電控冷卻系統(tǒng)、精確冷卻理念、分流式冷卻等;指出了現代發(fā)動機冷卻系統(tǒng)高效、低耗、智能、環(huán)保的發(fā)展方向,還指出采用電控冷卻部件實現精確冷卻和分流式冷卻的有效整合是最佳手段。關鍵詞：汽車發(fā)動機 冷卻系統(tǒng) 智能控制 發(fā)展趨勢1、概述冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機性能的影響日益顯著。目前，幾乎所有的發(fā)動機強化都面臨著如何解決高功率密度下的冷卻及熱平衡問題,既在提高輸出功率的同時,又要兼顧油耗的經濟性和排放的環(huán)保性。這些都對冷卻系統(tǒng)的性能提出了新的要求，開發(fā)高效、可靠、經濟、環(huán)保的冷卻系統(tǒng),已成為發(fā)動機進一步實現技術突破的關鍵所在。因此,采用先進的冷卻系統(tǒng)設計理念,應用柴油機現代設計技術提出設計規(guī)范與策略,對推動柴油機冷卻系統(tǒng)技術進步具有重要的研究價值。目前,發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：2、冷卻系統(tǒng)的能控化目前,隨著電子技術和計算機技術的廣泛應用和飛速發(fā)展,電部件技術日趨成熟，傳統(tǒng)被動式的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)正在走向智能化和自動化。傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)不能更全面的適應發(fā)動機實際運行時的冷卻需求，從而無法實現對發(fā)動機水溫在全運行工況內的合理控制。然而，采用電子驅動及控制技術，可以通過傳感器和計算機芯片根據實際的發(fā)動機溫度控制運行,從而提供最佳的冷卻介質流量,降低能耗,提高效率。例如，HoonCho等人用電控冷卻水泵取代傳統(tǒng)機械水泵,利用試驗和模擬對比分析發(fā)現,通過控制水泵轉速并提高電控水泵效率,功率消耗降低量超過87%,若將水泵轉速提高至最大值時,可降低散熱器尺寸超過27%,對提升發(fā)動機性能和燃料經濟性潛力很大。可見，電控冷卻系統(tǒng)一方面可以通過精確、自動地調節(jié)冷卻液的溫度,把發(fā)動機的工作溫度控制在最佳范圍,延長發(fā)動機的使用壽命,提高發(fā)動機的工作效率,降低發(fā)動機的故障率；另一方面，還可根據汽車的行駛速度、發(fā)動機的冷卻水溫來綜合控制冷卻系統(tǒng),從而達到降低油耗和提高發(fā)動機可靠性的效果。3、溫度設定點的合理調節(jié)冷卻系統(tǒng)設定的冷卻溫度是以滿負荷時最大散熱率為基礎，因此，可以通過改變冷卻液溫度設定點來改善發(fā)動機和冷卻系統(tǒng)在部分負荷時處于不太理想狀態(tài)時的性能。升高或降低溫度點在不同情況下各有優(yōu)長。3.1提高溫度設定點提高溫度的優(yōu)點是：于提高了發(fā)動機的運行溫度和機油溫度,減少了發(fā)動機的散熱量和摩擦損失,提高冷卻液和金屬溫度會改善發(fā)動機和散熱器熱傳遞效果,降低冷卻液流速,減少水泵的標定功率而改善發(fā)動機的燃油經濟性從而降低發(fā)動機的輔機功率損耗。這種方法直接影響發(fā)動機損耗和冷卻系統(tǒng)的效果以及發(fā)動機排放物的形成。研究表明，發(fā)動機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，使發(fā)動機機油的最高溫度為140，則油耗在部分負荷時下降10%。同時，提高發(fā)動機運行溫度對發(fā)動機熱承載能力提出了更高要求,對NOx排放也有負面影響,同為燃燒室中NOx的生成對溫度的變化十分敏感。因此,在排放要求較嚴格的情況下,提高溫度設定點的做法對于柴油機不適合；但是對于汽油機則很有潛力，在部分負荷下提高冷卻液溫度可以使有效功率最大提高10%。3.2降低溫度設定點降低溫度設定點的優(yōu)勢在于降低進氣溫度,從而提高充氣效率,有利于燃燒過程優(yōu)化和降低燃油消耗,提高部件的使用壽命。Finlay等人的研究表明,若氣缸溫度降低50,點火提前角可提前而不發(fā)生爆震,充氣效率提高2%,發(fā)動機工作特性改善,有助于優(yōu)化壓縮比和參數選擇,取得較好的燃油經濟性和排放性能。此外,在較低的冷卻液設定溫度工況下,可在燃油消耗率和NOx排放間獲得更好的折中關系,最大可使NOx排放降低30%,燃油消耗率及CO和HC排放也略有改善?？傊?無論是提高溫度設定點還是降低溫度設定點都可能改善發(fā)動機的冷卻性能,但是必須結合實際需要而合理應用。4、冷卻機理的優(yōu)化創(chuàng)新發(fā)動機冷卻系統(tǒng)零部件的低能耗和高效率同樣是設計目標之一,零部件冷卻效率的提高主要從幾個方面來實現:a.新材料的應用;b.部件結構的新設計;c.部件的智能驅動方式;d.發(fā)動機常規(guī)冷卻機理中的強化冷卻措施,如活塞的“內油冷”、排氣門的“鈉冷”以及噴油嘴的“內油冷”等內冷技術。隨著材料科學和加工工藝水平的不斷進步,發(fā)動機的冷卻機理有向強化內冷卻、減弱甚至取消外冷卻的方向發(fā)展的趨勢,這對于提高發(fā)動機的熱效率等將產生巨大的推動作用。5、介質流動的合理組織發(fā)動機的冷卻介質主要包括水腔內冷卻液和空氣側冷卻空氣。5.1水腔內冷卻水流動的研究狀況及趨勢改進發(fā)動機冷卻水套結構是研發(fā)高強化發(fā)動機關鍵環(huán)節(jié)?！熬_冷卻”的概念（即利用最少的冷卻以達到最佳的溫度分配）,其應用的潛在優(yōu)勢在于降低摩擦系數和冷卻水泵功率消耗,提高平均有效壓力和抗爆性。CouetouseH.等人提出分流式冷卻系統(tǒng)的設計（即氣缸蓋和氣缸體有不同的冷卻回路,使得氣缸蓋和氣缸體具有不同溫度）其優(yōu)勢在于使發(fā)動機各部分在最優(yōu)的溫度設定點工作,達到較高的冷卻效率。研究實踐表明，無論是精確冷卻系統(tǒng)還是分流式冷卻系統(tǒng),都要求對發(fā)動機冷卻水套進行必要的改進以優(yōu)化冷卻液流動。從設計和使用角度看,分流式冷卻和精確冷卻相結合具有很好的發(fā)展前景,有利于形成理想的發(fā)動機溫度分布,滿足發(fā)動機對未來冷卻系統(tǒng)的要求。5.2空氣側冷卻空氣流動的研究狀況及趨勢車輛迎風空氣側冷卻空氣流動的組織在很大程度上制約著冷卻水冷卻效果同時也影響發(fā)動機的工作性能。空氣側部件空間安裝分布對空氣流動和溫度分布影響顯著，其中,風扇是研究的焦點。Delphi汽車公司提出了新的中冷器-風扇-散熱器布置順序的冷卻模塊(CFRM)概念,即將風扇置于中冷器和散熱器之間，在保證風扇提供相同的質量流量的前提下，CFRM所需的風扇轉速要遠遠低于傳統(tǒng)的CRFM，可以節(jié)約19%的風扇耗功。NgySrunAP等人甚至提出取消冷卻風扇在車廂加熱器處加裝風機的方案，能降低成本達30%,質量減輕達30%,對不帶空調的車輛，尤其是小型車輛應用前景更好。5.3冷卻液流動研究狀況及趨勢國內對冷卻液流動的研究手段主要為試驗研究和計算機數值模擬研究。在實驗研究方面，主要以朱義倫等人為代表的采用激光多普勒測速儀(LDV)對發(fā)動機氣缸蓋冷卻水流動進行測量,得到冷卻水在平行于氣缸蓋與氣缸體接合面的二維流場。以及，以王書義、屈盛官等人為代表的利用流動顯形法得到冷卻水流動的二維流場,通過研究二維流場以改進水腔設計。在計算機數值模擬研究方面，被廣泛應用的有CFD分析技術和有限元(FEA)耦合分析技術。目前其常用的技術載體，如大型CFD商業(yè)軟件有FLU2ENT,STAR)CD,FIRE等。計算機軟硬件水平飛速提高,使得采用計算機數值模擬研究復雜結構水腔內流動特性成越來越重要的研究手段。6、結論在新材料、新技術、新理念的引領下，充分利用發(fā)動機現代設計技術尋求對冷卻系統(tǒng)的冷卻機理、控制和研究開發(fā)手段的改進是冷卻系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。從設計的有效性和實用性方面來看,冷卻介質的流動優(yōu)化是改善冷卻系統(tǒng)的關鍵。使用電控冷卻部件實現精確冷卻和分流式冷卻的合理整合,能最大程度滿足逐漸提高的冷卻系統(tǒng)性能要求,具有十分理想的應用前景?？傊?只有對冷卻系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)進行深入地研究,多方面尋求提高冷卻