某汽油機冷卻系統溫變和流變特性分析

鐘祥麟 鄭雪龍

（中國汽車技術研究中心）

發動機冷卻系統的作用是降低發動機受熱零部件的熱應力，以保證發動機能可靠地運轉。冷卻不足會影響發動機的可靠性，降低發動機的工作效率，甚至導致發動機不能正常工作；而過度冷卻會使發動機出現過快磨損，降低發動機的動力性和經濟性，所以冷卻液溫度的合理控制對發動機性能存在影響。低溫冷啟動時，加熱冷卻液有利于混合氣的形成以及改善燃燒，繼而可以降低發動機污染物排放以及提高冷啟動性能[1]。中小負荷時，冷卻液溫度的提升有利于提高發動機的有效熱效率[2]。冷卻液溫度的變化對熱量的傳遞和耗散也有著重大的影響。目前國外已經有研究人員開發了發動機冷卻液溫度模型，用于發動機冷卻系統的控制、診斷開發及驗證。隨著汽車及發動機的小型化趨勢日益明顯，冷卻系統也必須深入優化，高效化和緊湊化勢在必行，而高溫冷卻系統是一個很好的解決途徑。但是目前國內外對于高溫冷卻的研究工作還不夠充分，在汽車領域的實際應用更是少之又少。文章以某PFI汽油機為研究對象，基于冷卻液溫度研究了汽油機外特性下的冷卻液特性，主要研究外特性下發動機進水口溫度和發動機轉速2個變量對冷卻液的溫變特性和流變特性的影響。本試驗從作用機理著手，對試驗數據進行了深層次的處理分析，試驗的數據積累可以為新型冷卻系統的開發設計提供一系列的理論支持。

1 試驗臺架系統及試驗方法

1.1 試驗設備和裝置

本試驗用某PFI汽油機主要技術參數，如表1所示，主要儀器設備，如表2所示。發動機的試驗臺架示意圖及數據采集點位置，如圖1和圖2所示。

表1 某PFI汽油機主要參數表

表2 臺架試驗主要設備參數表

圖1 發動機試驗臺架示意圖

圖2 發動機數據采集點位置框圖

1.2 試驗方法

試驗在保持發動機進水口溫度分別為90，95，100℃的情況下，負荷保持在100%，即發動機外特性下，發動機轉速從1 500～5 000 r/min范圍內按500 r/min轉速間隔順序地改變轉速，在各轉速工況點運轉到穩定工況，即熱平衡（發動機出水口溫度的升降速率不大于0.3℃/min）時采集并記錄下列數據：1）發動機轉速、功率、轉矩、燃油消耗量；2）發動機進出水溫度、水流量；3）機油冷卻器進出水溫度、水流量；4）小循環冷卻水溫度、水流量；5）散熱器進出水溫度、水流量。

2 試驗結果與分析

不同冷卻液進水口溫度下大循環、小循環及機油冷卻器流量隨發動機轉速的變化關系，如圖3所示。

圖3 汽油機大/小循環及機油冷卻器流量隨轉速變化曲線

從圖3可以看出，在不同冷卻液進水口溫度下，汽油機大/小循環及機油冷卻器流量均隨著轉速的升高而升高；在低轉速時流量隨轉速的增加而增加，且增加速度較快；高轉速時曲線趨于平穩。這種現象的產生與試驗所用的機械式循環水泵的工作特性有關，此處不再過多論述。

從圖3還可分別看出，大/小循環及機油冷卻器流量在低轉速時基本相同。隨著轉速的逐漸增加，不同進水口溫度下的流量逐漸顯現出明顯差異，90℃的流量最大，95℃次之，100℃最小。隨著轉速進一步增加，這種差異又逐漸減小。不同溫度下的流量曲線在總體上呈現“棗核形”。

圖4示出發動機進水口、機油冷卻器出口及小循環水溫隨發動機轉速的變化。從圖4可以看出，不同轉速下冷卻液溫度幾乎不變（最大誤差不超過3.79%），因此，可以排除不同轉速下的冷卻液溫度對流量的影響。

圖4 發動機冷卻液溫度隨轉速變化曲線

而圖3中呈現“棗核形”流量曲線與沸騰傳熱中的氣泡有極大關系，下面進行具體分析。

在發動機冷卻系統工作過程中，冷卻水道中存在的氣泡對冷卻水的流動有一定的阻礙作用。在低轉速低流量時，氣泡對冷卻液流動的阻礙作用較弱，即使冷卻管道中存在氣泡，但是對于低流速的冷卻液其阻礙效果不明顯，所以流量基本相同。這個很容易理解，以汽車來類比，汽車行駛過程受到的阻力與車速的二次方成正比，車速越高，受到的空氣阻力越大，在車速低時空氣的阻礙作用反而并沒有那么明顯。當發動機轉速逐漸增加時，冷卻液流速增大，“氣阻”現象的作用越來越明顯。而95℃和100℃的冷卻液溫度高，產生的氣泡多，對冷卻液流動的阻礙現象就越來越明顯，宏觀上呈現冷卻液流量相對下降的趨勢，所以在中轉速時出現溫度越高流量越小的現象。隨著發動機轉速的進一步增加，冷卻液的流速增大，流速增大會導致氣相流減少[3]，即氣泡破裂。氣泡減少造成氣泡對冷卻液流動的阻礙作用也會減弱，流速越大，氣相流減少得越多，則對“氣阻”現象抑制作用越明顯，所以宏觀上3條流量曲線又趨于重合。對于上述現象，大循環流量隨轉速變化曲線符合度較好，小循環和機油冷卻器的轉速-流量曲線在高轉速時未趨向一致。其原因是：1）試驗誤差的影響；2）發動機轉速還不夠高。

圖5示出發動機冷卻水帶走的熱量與轉速變化曲線，圖6示出發動機進出水口溫差隨轉速變化曲線。

圖5 發動機冷卻水帶走的熱量隨轉速變化曲線

圖6 發動機進出水口溫差隨轉速變化曲線

分析圖5和圖6可知：1）同轉速下95℃和100℃時的冷卻液帶走的熱量和汽油機進出水口溫差明顯比90℃時的冷卻液要高。原因可以歸結于沸騰換熱的影響。管內強制對流的雙相流沸騰換熱的換熱系數要比單相流的換熱系數高[4]，所以即使在冷卻液流量比90℃少的情況下，95℃和100℃的冷卻液仍然吸熱更多，溫升更大。2）同轉速下比較95℃與100℃，100℃時發動機進出水口溫差比95℃的要高，但是它們帶走的熱量卻幾乎相等，原因是100℃冷卻液的換熱系數比95℃時的大，但是95℃時的冷卻液流量更多，此多彼少，吸熱趨于相同。

由上述分析可以得出，高溫冷卻由于沸騰傳熱因素的影響，可以用較少的冷卻液流量帶走更多的熱量，達到與正常冷卻時大流量同樣的冷卻效果，這對于高溫冷卻的實際應用具有一定的參考價值。

圖7示出散熱器進出水口溫差隨轉速變化曲線。從圖7可以看出，90℃時，溫差隨著轉速的升高而升高，這是因為90℃時冷卻液處于單相流換熱階段，流速越大換熱系數越大，換熱能力越強[5]。但在95℃與100℃情況下，散熱器進出水口溫差隨轉速波動較大，這可能與沸騰換熱中存在的氣泡有關。沸騰狀態下的冷卻液流經散熱器時，散熱增加，流體過冷度增大，壓力降低，流體中的氣泡破裂，而且不同的冷卻液流速對氣泡破裂的影響程度不同，這會加劇紊流而且導致換熱邊界層的波動[6]，紊流加劇和邊界層的變化導致換熱系數的變化，繼而對整體換熱產生較大的影響。由于試驗數據記錄是在發動機出水溫度平穩后隨機記錄，而散熱器冷卻液由于相變換熱的不穩定性造成溫度波動較大，所以造成不同轉速下記錄的溫度差異較大。因而，發動機在采取高溫冷卻時，不得不注意氣泡的破裂對換熱的影響，氣泡的破裂還可能造成穴蝕，對發動機的壽命有極大的影響。

圖7 散熱器進出水口溫差隨轉速變化曲線

圖8示出發動機有效功率隨轉速變化曲線。從圖8可以看出，當冷卻液處在較高溫度時，溫度的變化對于有效功率的提升沒有太大意義，遠沒有低溫時溫度的提升對有效功率的影響明顯，所以在高溫時想一味地以提升冷卻液溫度來提高有效功率是不現實的。

圖8 發動機有效功率隨轉速變化曲線

3 結論

文章在研究了外特性下發動機進水口溫度和發動機轉速2個變量對冷卻液溫變和流變特性的影響，深入探究了內在的影響機理，結果表明：1）在不同的發動機冷卻液進口溫度下，冷卻液流量的變化趨勢是不同的，溫度越高，流量降低，這主要與高溫沸騰狀態下冷卻液中產生的氣泡有關，氣泡對冷卻液的流動具有阻礙作用，造成宏觀上的冷卻液流量趨于下降。2）沸騰雙相流換熱要比單相流換熱具有更大的換熱系數，可以以較少的流量傳遞更多的熱量，達到與正常冷卻時大流量同樣的冷卻效果，這對于減少發動機冷卻系泵損具有一定的參考價值。3）高溫冷卻雖然有很多優點，但是冷卻溫度過高也是不合理的。過高的冷卻液溫度對于發動機有效功率的提升并沒有太大的影響，而且沸騰換熱中，氣泡的破裂對于換熱有很大的影響，造成相變換熱的不穩定，宏觀上表現為換熱前后溫差波動大。此外，氣泡的破裂還會造成穴蝕，對發動機的壽命有很大的影響，這在高溫冷卻系統的設計中是需要加以注意的。