汽车发动机冷却系统的发展与现状

而且避免了能源的大量浪费，其中减少风扇功率消 英国布里斯托尔大学航天系于 １９９８ 年研制出
耗 ９０％，节省燃油 １０％。
了一种微型汽车散热器，它只有一个火柴盒大小，
１９９９ 年，法雷奥（Ｖａｌｅｏ）公司提出了在发动 体积为普通汽车散热器的 １‰，散热能力却与后者
机上配置名为 Ｔｈｅｍｉｓ（智能热调节系统）的新型电 不相上下。据美国《新科学家》杂志报道，这种微
３ 冷却系统向高效低能耗方向发展
传给 ＥＣＵ（微处理器）的信号，以反馈控制的方式， 调整电动水泵的转速，使得引擎水套中流动的冷却 液流量能随着不同的驾驶状况而作调整，保持发动 机的正常温度，以减少 ＨＣ 污染的排放。
２ 冷却系统的冷却介质
发动机冷却系统效率的提高主要从两个方面来 实现：其一，新材料的应用及部件结构的新设计； 其二，部件的智能驱动方式。传统冷却系统中，风 扇和水泵的效率普遍不高，造成大量能源的浪费。 为提高冷却风扇的效率，用塑料翼形风扇取代圆弧 型直叶片冷却风扇。从气体动力学的角度分析，翼
的设计理论，通过改变叶轮形状、提高表面光洁度，
种新型车用发动机［１０］，它采用新的燃烧系统与新的
能使发动机冷却水泵的效率提高到 ７５％。日本尼桑 冷却系统相结合的方式，以传热系数低的普通金属
公司基于这一理论制造了一种水泵，比目前广泛应 材料和巧妙的结构设计，大幅度减少了散热损失，
用的水泵尺寸增大了 １５％。为了在获得水泵高效率 取消了外部冷却装置。该机新的燃烧系统减少散热
却系统的研究及发展情况，并做了简要分析。
［关键词］ 冷却系统；冷却介质；冷却机理
［中图分类号］ Ｕ４６４．１３８ ［文献标识码］ Ａ ［文章编号］ １００３─１８８Ｘ（２００２）０２─０１２９─０３
１ 发动机冷却系统向智能化方向发展
１９８９ 年，美国发明专利（专利号 ＵＳ４８７５５２１）［３］首 次在载重汽车上采用电动单冷却风扇，风扇布置在
４ 冷却系统新的冷却机理
风冷的新的冷却机理。 目前，还出现了发动机常规冷却机理中的强化
上世纪 ７０ 年代，美国、日本和英国等国家提 冷却措施，如活塞的“内油冷”、排气门的“钠冷”
出了“绝热发动机”，其基本思路是对组成发动机燃
以及喷油嘴的“内油冷”等内冷技术［１５］。另外，采
烧室的零部件表面，喷涂耐高温的陶瓷覆层或使用
子调节系统，来改善发动机的冷却性能。它实现了 型散热器由 ４１５ 个细微的不锈钢管组成，每个不锈
水泵和缸体的分离，泵的流量和通风装置都通过发 钢管直径为 ０．３８ｍｍ，中间装有液态氦。测试表明，
动机的 ＥＣＵ 来进行调整和控制，便于水泵的安装， 由这些细微不锈钢管组成的面积为 １６０ｍｍ２ 的阵列，
发动机冷却系统是汽车的重要构件。汽车水冷 散热器中部，叶片直径较大，驱动功率也较大。１９９２
发动机冷却系统主要由发动机冷却水套、冷却水泵、 节温器及冷却风扇等部件组成，如图 １ 所示。传统
年，美国发明专利“机动车发动机的通风系统”（专 利号 ＵＳ５２６９２６４）［４］将电动冷却风扇布置在散热器前
冷却系统采用的是冷却风扇或离合器式冷却风扇， 两种风扇均由发动机曲轴通过皮带驱动，其冷却调 节的灵敏度不高，功率损失也很大。为解决这个问 题，就出现了自控电动冷却风扇。
最早的汽车电动冷却风扇出现在 １９８１ 年 ３ 月 的美国专利文件中（专利号 ＵＳ４２５７５５４）［１］。该专利首 先提出了用电动冷却风扇取代皮带驱动的冷却风 扇，根据发动机温度和负荷情况的不同，实现风扇 的运转，避免了发动机驱动冷却风扇的功率损失， 缩短了发动机的预热时间，减少传热损失。然而， 该项专利技术由于没有采用护风罩，降低了风机的 容积效率，同时引起风机总效率的降低，最终只能 应用在热负荷比较小的轿车散热器上。
程近、射速慢的空心涡流雾锥［１１～１３］。这股油雾随空
之间，在此温度下工作的发动机并未处于最佳工作 气涡流旋转，不与燃烧室壁接触，在燃烧室中心混
状态，燃气混合均匀度不理想，引起燃烧不完全， 合燃烧，形成了热的燃烧中心—“热区”和周边温
易在气缸内积碳，工作中废气黑烟浓度增加，废气 度较低的冷却空气层—“冷区”。这种燃烧系统由于
的发生，降低了燃油消耗率［ 。 ６］ 冷却风扇由传统控
了防止水垢的产生和水的腐蚀作用，在冷却水中加
制方式转化为智能控制方式，散热风扇的冷却能力 随着发动机散热的需要而自动精确地调节，提高了
入了防腐蚀剂（重铬酸钾 Ｋ２Ｃｒ２Ｏ７）；为了解决水在 ０ ℃时结冰的问题，一般采用防冻液来作冷却液，常
发动机的预热速度，使其始终保持最佳工作温度， 见的有丙稀二醇、甘醇、硅酸盐、有机酸等。
流线型风罩，使风扇气流入口形成良好的流线型气 滑机油粘度降低，润滑效果变差，需要安装专门的
流，可提高风扇的液力效率 η液 ，综合各项措施最终 使电动风扇的效率达到 ７８％。
散热装置；另外，气缸的充气效率会降低 ５％～１０％。 因此，还需要进一步研究新的冷却技术。
Ｓｔｅｐａｎｏｆｆ 曾提出高效离心水泵和轴流水泵 上世纪 ８０ 年代，德国的 Ｅｌｓｂｅｔｔ 公司研制了一
中 ＣＯ、ＨＣ 含量增大；另外，磨损也较大。由于散热 有“冷区”包围着“热区”，从而使燃烧室壁接受和
器密封不严，在标准大气压下，水的沸点只有 １００ 传出的燃烧热量大为减少。Ｅｌｓｂｅｔｔ 发动机在此基
℃，温度无法提高。封闭式的冷却液强制循环系统
础上进行了进一步减少传热损失的设计［１４］，选用铸
解决了这个问题，它采用压力盖提高冷却液的压力， 铁做活塞顶；将活塞环按内腔设置隔热槽，以截断
过热。另外，溶解在水中的某些盐类（如 ＭｇＣｌ２） 在受热时产生水解作用，生成 Ｍｇ（ＯＨ）２ 和 ＨＣｌ。其中
罩的同心度，进一步减小了径向间隙，导致风扇容 积效率 η容 大幅度提高；另外，采用翼形端面塑料和
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而且远离缸体这一热源后，水泵可以用塑料制成， 散热能力可以达到 １３ｋＷ，与目前的汽车散热器相
既降低了成本，又减轻了水泵的重量，达到了水泵 当。散热器体积缩小，不但减轻了质量，增加了其
的转速随水温的变化而变化，进一步降低传热损失 他零部件的布置空间，还减少了贵重金属的使用量；
和机械损失，降低了污染和油耗的目的。
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汽车发动机冷却系统的发展与现状
卢广峰 １，郭新民 １，孙运柱 ２，尹克荣 １，牟晓玉 ３
（１．山东农业大学 机械电子工程学院，山东 泰安 ２７１０１８；２．东营市公路局，山东 东营 ２５７０９１；
形风扇能够改善风扇流场，提高风扇的效率和静压， 使风扇高效区变宽；另外，塑料表面的光洁度较高。 传统的冷却风扇由发动机驱动，装风扇的发动机与 装有风罩的散热器必须分别用弹性支座固定在车架 上。为避免在汽车运行中因振动而引起风扇与风罩 相碰，风扇叶轮与风罩的径向间隙的设计数值大于 ２０ｍｍ，这必然大幅度降低风扇的容积效率。风扇的 总效率取决于容积效率、机械效率和液力效率的乘 积，即 η总 =η机 ⋅η容 ⋅η液 。传统风扇叶片采用薄钢板 冲压而成，其液力效率η液 较低，又加上皮带传动存 在打滑损失，其机械效率 η杨 也不高，从而导致传统 冷却风扇的总效率只有 ３０％左右。采用电控风扇 后，由电机直接驱动风扇，与原来的皮带传动相比， 机械效率 η机 提高了。电控冷却风扇完全脱离发动 机，与风罩、散热器安装为一体，保证了风扇与风
１９８５ 年，德国大众汽车公司在中国申请发明专 利（专利号 ＣＮ８５１０９５／Ａ）［２］。该项专利在汽车散热器 前方设置空气吸入口和辅助通口，加快了散热器的 冷却速度，减少了电动风扇的电能消耗。但辅助通 风口从下向上吸入冷却空气，很容易将道路上的尘 土、杂物吸入，造成散热器脏污和堵塞，使散热器 的散热效率降低。
方，根据发动机温度的高低，冷热气阀可以交替开
闭。
１ ２ ３ ４ ５
６
９ ８ ７
１．空气蒸气阀 ２．散热器 ３．节温器 ４．水泵 ５．气缸盖出水管 ６．气缸盖喷水管 ７．气缸盖放水阀 ８．机油冷却器 ９．放水阀
目前，发动机广泛采用液态水作冷却液。水作 为内燃机冷却系统的冷却介质具有很多优点：在性 能方面，它性能稳定、热容量大、导热性好、沸点 较高；在经济性能方面，它资源丰富、容易获取。 但另一方面，水作为冷却介质也存在着两个较大的 缺点：一是冰点高，在 ０℃时结冰，造成冬季使用 困难；二是水具有一定的腐蚀性，对发动机冷却系 统有损害作用。另外，水做冷却液的冷却系统，体 积较庞大，不利于汽车内部结构的优化和整体质量 的减少，增加了发动机功率的额外消耗。天然水中 一般都含有部分矿物盐类（ＭｇＣｌ２、Ｃａ（ＨＣＯ３）２ 等）， 当水在发动机冷却系统内受热时，碳酸盐会在冷却 系的壁上形成很难除去的水垢。导热性能很差。当 水垢聚积过多时，会使发动机冷却性能恶化而导致
以提高冷却液的沸点。压力盖密封良好，使系统保 热流通道，减少传向环槽的热量。上述 ３ 项措施使
持较高压力；并且压力阀和真空阀灵敏可靠，有适 燃烧经活塞传到气缸壁的热量下降了一个数量级；
当的压差可以开启，使系统压力维持在适当范围内， 加上以机油循环冷却气缸盖内腔和缸体上部的油
确保系统冷却性能稳定。
道，用机油喷射冷却活塞内腔，实现了无水冷强制
３．山东农业大学 林学院，山东 泰安 ２７１０１８）
［摘 要］ 早期的发动机冷却系统虽能满足汽车的基本使用要求，但在满载或者恶劣的环境中容易出现问
题。在当今日益重视环境保护、提倡节能和舒适性的情况下，发动机的结构、性能和汽车整体性能都有很
大的发展，冷却 系统正朝着轻型化、紧凑化和智能化的方向发展。为 此， 重点介绍了国内外汽车发动机冷
液氦的使用消除了水冷却介质的不利影响，提高了
１９９４ 来自百度文库，台湾裕隆汽车公司申请专利（专利 发动机的抗寒性。该系统存在的问题是液氦的制备
号 ９４１１９８１９），提出了在冷却系统中装置可调转速 和储藏比较复杂，对储藏设备的要求较高。
电动水泵的设计。以反馈控制水泵冷却液流量，其 主要是根据水温、节气门位置、车速等的传感器所
的同时减小水泵的结构尺寸，该公司又通过增加叶 的原理是在球型燃烧室中有强烈的空气涡流，在离
片数目、改进叶片曲线设计，使水泵最大效率达到 心力的作用下，沿燃烧室壁形成一层相对较冷的空
７５％，水泵尺寸得到缩减。
气区，“旋流式喷油器”喷出一股雾化锥角很大、射
传统冷却系统冷却液的正常工作温度在 ８０°～９０℃
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综合调节冷却能力［５］，减少了在低温时发动机的传
ＨＣｌ 是一种腐蚀性很强的酸。因此，当水中含矿物
热损失、功率损失和过度磨损，抑制了发动机过热 盐类过多时，对发动机的冷却系统是很不利的。为
图 １ 发动机水冷却系统
韩国现代汽车公司生产的奏鸣曲（ＳＯＮＡＴＡ）牌轿 车，用两个相对独立而又相互联系的电子控制的冷 却风扇—散热器冷却风扇和冷凝器冷却风扇，对冷 却液温度和空调冷凝器温度进行多级联合控制。该 系统可以根据冷却水温度和空调系统的工作状态，
［收稿日期］ ２００１－１２－１７ ［指导教师］ 山东农业大学郭新民教授 ［作者简介］ 卢广锋（１９７７－），男，山东济南人，山东农业大学机械电子工程学院 ９９ 级研究生，研究方向为内燃机冷却系统的智能控制。