不同汽车发动机冷却系统的节能减排效益及安全性分析

不同汽车发动机冷却系统的节能减排效益及安全性 不同汽车发动机冷却系统的节能减排效益 及安全性分析 第17卷 2010正 第1期 1月 Vo1.17NO.1 Jan.2010 不同汽车发动机冷却系统的节能减排效益及安全性分析 万渤华 (中国地质大学校办,武汉430074) 摘要:由于传统发动机冷却系统的被动性,常使发动机能耗及污染物排放量较大,为此介绍了多种先进冷却系 统的结构和特点,如精确冷却系统,分流式冷却系统,优质冷媒的使用等,并分析了它们的节能减排效益,以为汽车 行业加快实现节能减排提供参考. 关键词:发动机冷却系统;节能减排;冷媒;安全性 中图分类号:X24;U464.138文献标识码:A文章编号:1671—1556(2010)O1—0051—03 EffectofDifferentEngineCoolingSystemsonEnergy SavingandPollutantReduction hua WANBo— (PartyAffairs&PresidentOffice,ChinaUniversityofGeoscionces,Wuhan430074,Ch ina) Abstract:Duetothepassivenatureofitscoolingsystem,theconventionalenginehaslargeam ountofen— ergyconsumptionandpollutantemission.Thispaperintroducesthestructuresandcharacteri sticsofvari— OUSadvancedcoolingsystems,suchasprecisecoolingsystem,splitcoolingsystem,highqu alityrefriger— antandSOon.Thepaperalsoanalyzestheeffectoftheseenginecoolingsystemsonenergysavi ngandpol— lutantreduction,whichcanprovidethereferencefortheautomobileindustryinrealizingener gysavingand pollutantreduction. Keywords:enginecoolingsystem;energysavingandpollutantreduction;refrigerant 0引言 汽车发动机冷却系统的结构对发动机正常运 转,高效节油,低排污,安全行驶有着重要的作用,因 此在当今全球石油资源危机之时,探讨汽车发动机 冷却系统的节能减排特点及安全性具有重要的意 义.为此,笔者分析了几种不同的汽车发动机冷却 系统的节能减排效益,以期为汽车行业加快实现节 能减排提供一定的参考. 1汽车发动机冷却系统与汽车节能减 排及安全性的关系 随着汽车工业的发展,汽车发动机采用了更加 紧凑的设计,并具有更大的压缩比和功率,发动机产 生的废热密度也随之明显增大,这时汽车轴的关键 区域,如进,排气门周围的散热问需要优先考虑解 决,对于汽车的节能减排,汽车发动机冷却系统就成 为一重点系统.汽车发动机冷却系统的散热能力一 般只需满足发动机满负荷时的散热需求,因为此时 发动机产生的热量最大;然而在部分负荷时,冷却系 统会发生功率衰减损失,即水泵所提供的冷却液流 量超过所需的流量.因此,要做到节能减排则要求 汽车发动机冷启动,冷运转时间尽可能短,因为发动 机在怠速运转时排放的污染物较多,油耗也较大,冷 却系统即便出现很小的故障也可能造成能量的浪 费.由此可见,汽车发动机冷却系统的结构对发动 机的冷启动和冷运转时间有很大的影响,冷却系统 的结构和性能将直接影响发动机的燃油经济性,加 速性,安全可靠性以及使用寿命口],因此要研发出 收稿日期:2009—07—06修回臼期:200908—12 作者简介:万渤华(1954一),男,高级工,主要从事汽车驾驶与汽车修理等方面的工 作.E—mail:ww—bb—whOO@163.corn g 工 境咖 环眦 O 与 全 安 安全与环境第17卷 多种高效节能,低排放的发动机必须对发动机冷却 系统进行改进. 2先进汽车发动机冷却系统的特点 传统汽车发动机冷却系统只能保护发动机能正 常工作,而不具有改善燃料经济性,节约能源和降低 排放的作用.先进汽车发动机冷却系统综合统筹考 虑了多种因素,如对发动机内部的摩擦损失,冷却系 统所用的冷却媒,水泵的功率和流液流速,燃烧周边 条件(如燃烧室温度,充量密度,充量温度),并采取了 系统化,模块化,智能自控化的设计方法,使冷却系统 既能保证发动机正常工作,又能做到节能减排[5]. 2.1冷却系统的温度设定与节能减排 汽车发动机正常工作温度的极限值取决于进, 排气门周围区域最高温度,最理想的情况是按金属 温度来设定而不是按冷却液温度来控制冷却系统, 这样才能更好地保证发动机有效,正常地工作.由 于传统汽车发动机冷却系统的冷却温度是以满负荷 时最大散热率为基础设定的,发动机冷却系统在部 分负荷时处于不太理想状态,如在市区行驶和山路 低速行驶情况下,发动机会产生高温,高热,高油耗 和高排放现象,因此需要通过改变冷却液温度设定 点来改善发动机冷却系统在部分负荷时的性能.为 此可根据排气门周围区域温度极限值,通过升高或 降低冷却液或金属温度设定点,达到降低油耗,节能 减排的目的.但升高或降低温度设定点各有不同的 特点. 2.1.1提高温度设定点 提高某些区域工作温度设定点是一种能够节油 的好方法,它可提高发动机机油温度,降低发动机摩 擦磨损,燃油消耗和排放,从而直接影响发动机损 耗,冷却系统的效果以及发动机排放物的形成.据 研究明[6],发动机工作温度对摩擦损失有很大 影响,如将冷却液温度提高到150?,使气缸温度升 高到195?,油耗则下降4,6oA;将冷却液温度保 持在90,115?范围内,使发动机机油的最高温度 为140?,则油耗在部分负荷时下降10. 提高工作温度也会明显影响冷却系统的效能. 因为提高冷却液或金属温度会改善发动机和散热器 热传递的效果,降低冷却液的流速,减小水泵的额定 功率,从而降低发动机的功率消耗.此外,还可采用 智能自控的方式,进一步减慢冷却液的流速,使其达 到需要温度,以达到节能减排的目的. 2.1.2降低温度设定点 降低冷却系统的某些区域工作温度可提高发动 机进气量效率,降低进气温度,这对燃烧过程中燃油 ,降低某区域温度 燃烧效果及排放是很有利的.另外 设定点还可以节省发动机运行成本,提高各部件使用 寿命,达到节能减排的目的.据研究表明l6],若发动 机气缸盖温度降低到5O?,点火提前角可提前3?而 不发生爆震,充气效率提高了2,发动机工作特性 将得到改善,有助于优化压缩比和车用电脑参数优化 选择,可取得更好的燃油燃烧效果和减少排放量. 2.2精确冷却系统的节能减排 精确冷却系统主要考虑冷却水套的结构设计与 冷却液的流速.在精确设计冷却系统中,冷,热关键 区如进,排气门周围,冷却液有较大的流速,热传递效 率高,冷却液的温度变化梯度小,这样就需要缩小这 些地方冷却液通道的横截面,提高流速,减少流量来 提高或降低冷却液的温度,以达到工作温度的要求. 精确设计冷却系统的关键在于确定冷却水套的大小 尺寸,选择匹配的冷却水泵和可靠的冷却液,以保证 系统的散热能力能够满足车辆在低速大负荷运转时 关键区域工作温度的需求.在精确冷却系统中,发动 机冷却液流速的变化范围相当大,其值可从怠速时的 1m/s到最大功率时的5m/s,故应将冷却水套放在 冷却系统中整体考虑,以发挥最大潜力.有研究表 明【6]:用精确冷却系统,在发动机的整个工作转速范 围内,冷却液流量可下降409/6;对气缸盖上冷却水套 的精确设计,可使普通冷却液的流速从1.4m/s提高 到4m/s,大大提高了气缸盖传热性,使气缸盖的金属 温度降低到6O?,从而减少了能耗. 2.3分流式冷却系统的节能减排 分流式冷却系统与精确冷却系统不同,在这种 冷却系统中,气缸盖和气缸体由各自的液流回路来 冷却,使气缸盖和气缸体具有不同的温度,从而达到 节能减排的目的.分流式冷却系统的特点是:发动 机的各个部分在最优的温度设定点工作,使冷却系统的整体效率达到最大.即发动机的每个冷却回路 在不同冷却温度设定点或流速下工作,以创造理想 的发动机温度,这种理想的发动机热工作状态使气 缸盖温度较低而气缸体的温度相对较高.气缸盖温 度较低既可提高进气效率,增加进气量,促进完全燃 烧,又能减少二氧化碳,碳氢化合物和氮氧化合物的 形成,提高输出功率;较高的气缸体温度还可减小摩 擦损失,直接改善燃油燃烧效率,间接地降低气缸内 峰值压力和温度.分流式冷却系统可使缸盖和缸体 温度相差100?,气缸温度可高达150?,而缸盖温 度可降低至5O?.较高的缸体温度能使油耗降低 第1期万渤华:不同汽车发动机冷却系统的节能减排效益及安全性分析53 4,69/6,在部分负荷时碳氢化合物可能降低 2O,35.在节气门全开时,缸盖和缸体温度设 定值可调至5O?和90?,利于从整体上降低燃油消 耗,提高输出功率和减小排放]. 2.4可控式发动机冷却系统的节能减排 现有发动机冷却系统的设计标准是解决低负荷 和满负荷时的散热问题,因而部分负荷时过大的散 热能力将导致发动机功率浪费.这对轻型小功率车 辆来说尤为明显,这些车辆大多数时间都在市区内 部分负荷下行驶,只利用了发动机的部分功率,引起 冷却系统较高损耗,因此需要解决发动机在特殊情 况下的过热问题.现有发动机冷却系统由于体积较 大,导致冷却效率降低,增大了冷却系统的功率需 求,延长了发动机暖机时间;而可控式发动机冷却系 统可弥补目前冷却系统的不足,它的冷却系统采用 传感器,执行器和电控模块,能够根据发动机工作状 况调整冷却量,以降低发动机功率损耗[8].在可控 式冷却系统中,执行器为冷却水泵和节温器,一般由 电动水泵和液流控制阀组成,可根据要求调整冷却 量[5];温度传感器可迅速把发动机的热状态传给控 制器,如今多种高端车上已有实际应用,如新款宝马 车可控式装置电动水泵,可将冷却系统温度设定点 从9O?提高到1l0?,节省2,5的燃油,而排 放的二氧化碳减少20,碳氢化合物减少10.稳 定状态时,金属温度比传统冷却系统的高1O?,可 控式冷却系统具有较快的响应能力,可将冷却温度 保持在设定点的?2?范围,从110?下降到100.C 只需2s,发动机暖机时间减少到200s,冷却系统工 作范围更贴近工作极限区域,能够缩小发动机冷却 温度和金属温度的波动范围,减少循环热负荷造成 的金属疲劳,以延长部件寿命. 从设计和使用性能角度看,分流式冷却系统与 精确冷却系统相结合具有很好的发展前景,既能提 供理想的发动机保护,又能提高燃油经济性和良好 的排放性.这种结构有利于形成发动机理想的温度 分布,直接向气缸盖进,排气门周围提供冷却,减少 了气缸盖温度变化,使缸盖温度分布更加均匀,也能 将机油和缸体温度保持在设计需要的工作范围,具 有较低的摩擦损失,污染排放量和节能高效益. 2.5冷媒对发动机冷却系统节能减排的作用r"] 汽车的诞生是人类科技文明的结晶,发展到今 天已有120多年的历史,各大系统也是推陈出新,H 臻完善,发动机冷却系统的结构设计也有了实质性 的突破和更新.然而汽车的防冻液(也称冷媒或冷 却液)仍以水为主要成分,其缺点是明显的,如水为 , 常温,易氧化沉淀起水垢,工作状态压力大,蒸发快有毒,不环保等.现有的发动机冷却系统正常工作 温度都已经设定到非常接近冷却液的沸点了,如防 冻液因氧化起水垢而沉淀在水箱散热条内时,就会 导致散热能力下降,产生高温,轻则拖车,重则会出 现发动机冲床,拉缸等.目前凡发动机需提早分解 修理的,百分之六七十是由冷却液的问题所致,因此 选择无腐蚀,无沉淀,沸点高的优质冷却液是维护汽 车发动机冷却系统的基础.目前市场上应用比较广 泛的是纳米冷却液和无水冷却液,如美国爱温无水 冷却液是20世纪8O年代由美国军方牵头,杜邦公 司负责研制,产品具有高沸点,低冷凝点,无氧化积 垢腐蚀,超强热传导性,免更换和添加等显着特点, 加注后能够起到快速预热引擎并保持内部恒温,提 升引擎动力,有效降低油耗和尾气排放等效果.因 此,选用适宜的冷却液不仅能保证汽车发动机的良 好运转,提高汽车的安全性,也具有节能减排的效 益. 3结语 通过分析多种发动机冷却系统与节能,减排及 安全行驶的关系,以及正确使用冷却液所能带来的 节能减排效益,可见改善汽车发动机冷却系统的效 能,不仅可达到提高汽车燃油经济性和减少排放的 显着效果,也是汽车安全行驶的重要保障. 参考文献: [1]黄大超.汽车发动机冷却系统的设计[J3.林区教学,2007,(7): l24一l2S. 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