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摘要： 冷却系性能对于改善发动机动力性、提高经济性具有重要作用。介绍发动机功率损失及不能正常工况的原因，分别从水泵、风扇、散热器等方面论述发动机冷却系优化的可行性，为进一步提高发动机性能提供一定的参考依据。
关键词： 发动机；冷却系；优化
中图分类号：U464文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0620037－01
0 引言
随着现代工业的快速发展，人们对发动机的性能有了更高的要求，这就要求发动机企业尽可能提高发动机功率，最快捷的方法便是提高发动机的转速。但是发动机在高转速时，发动机各部件高速运转，汽缸内的温度高达1800～2000℃，所以必须对整个发动机特别是气缸加以冷却，否则其中的运动件受热变形而破坏了正常配合间隙，也会使机械强度降低而损坏，润滑失效而卡死等。当然如果冷却过度也会造成气缸燃烧不正常、功率下降、油耗增加及润滑不良等后果，为此需对发动机冷却系进行深入研究。
1 发动机功率损失
为了保证发动机内高温高压条件下工作零部件不因温度过高而影响正常工作，必须及时将部件进行冷却。发动机在工作中，受季节变化、使用状况、负荷等因素的影响，容易出现冷却水温偏离正常工作范围的异常现象。在日常使用中，发动机常出现预热缓慢、过热等现象。在冬季，北方大部分地区的环境温度一般在0℃以下，发动机启动后，大约经过15-20分钟左右的运转，冷却水温才能接近80℃，造成燃烧不正常、功率下降、油耗增加及润滑不良等后果。究其原因，由于水泵受驱动方式的限制，只能随发动机的运转一起运转，在起动的开始阶段，水泵工作，循环水迅速带走气缸周围的热量，并通过散热器将热量释放到空气中，造成发动机暖机时间延长。对于散热风扇，由于只有一个接通开关，两级控制，不能任意改变风扇的转速，在温度逐步上升阶段，不能按照水温自动调节转速，造成一定程度上的热量损失。此外，风扇接通之后直接进入固定转速，噪音也是一个比较突出的问题。
2 冷却系非正常工作状况的原因分析
机械式的冷却方式，虽然简单实用，但对于发动机越发复杂的工况，已显力不从心。发动机制造厂在设计某一具体车型的冷却系统时，只能根据该车在某一常用工作状况进行设计。但我们南北差异气候差异大，发动机的使用条件也千差万别。比如在南方或者新疆等地，夏季高温炎热，温度甚至接近40℃，发动机在高负荷低转速的条件下，需要加强冷却，防止发动机过热；在东北寒冷的冬季，气温接近零下30℃，发动机在刚启动的一段时间内，发动机温度上升缓慢，机油的粘度大，润滑效果大大降低，使发动机运转不流畅，功率损失增大。此外冷起动困难也是影响北方用户正常使用的一个重要问题。如何根据发动机复杂的工况，合理控制水泵以及风扇的转速，达到最佳的散热效果，成为摆在发动机研发人员面前的一个问题。
3 改进冷却系统的可行性分析
3.1 改进冷却系统的主要途径。要解决发动机过热问题，就要提高发动机冷却系统的散热量，冷却系统中影响散热量的主要因素为冷却空气流量和冷却水循环量。决定这两个因素的关键为冷却系的风扇、水泵及散热器。改进冷却系的散热能力，从最经济、简便的角度将问题解决，最大限度的保持各总成安装及相关尺寸不变。
3.2 水泵改进可行性研究。在发动机冷却系设计时，水泵是根据发动机冷却所需泵水量和泵水压力设计的。泵水量和泵水压力影响冷却水的循环量，冷却水的循环量与冷却系的散热量之间存在关系如下：
式中： -冷却系的散热量kJ/s；-冷却水的循环量m3/s；-冷却水在发动机循环时的容许温升，对现代强制循环冷却系，取 =6℃～12℃；-水的比重，可近似取 =1000kJ/m3；-水的比热，可近似取
=4.187kJ/kg·℃。
由上式可以看出，要想提高冷却系统的散热量，就要增大水泵的泵水量。在水泵尺寸不变的前提下，可以靠增加转速来提高泵水量和泵水压力，因此在设计时，可以考虑水泵的转速根据不同的发动机状况进行适时调整，进而适应发动机所需的散热要求。由于水泵的消耗功率与转速的立方成正比，所以过高的提高水泵的转速会使水泵消耗的功率急速增加，而且容易在水泵内形成较低的压力，当压力一旦低于饱和蒸发气压使就会出现气蚀现象，破坏水泵的正常工作。因此需要在水泵最大转速之内，通过适时的调节水泵的转速，达到最优散热效果。
3.3 风扇改进的可行性研究。在发动机冷却系统的设计中，风扇的设计是根据风量和风压来设计的。风扇的扇风量和冷却系带走热量之间存在关系：
式中：Vn-风扇的扇气量（冷却空气量）m3；△tn-空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差，通常△tn=10～30℃；γn-空气的密度，一般γn=1.01kg/m3；Cp-空气定压比热，可取Cp=1.047kJ/（kg℃）。
显然，增大风扇的扇风量就可以提高冷却系统的冷却能力。增加风扇叶轮的叶轮的叶数和转叶宽度，风扇的扇风量可以明显增加，但风扇的功率消耗也在增加。这样，要对汽车底盘构造进行重新设计，以容纳更大体积的风扇，这样复杂的改进需要耗费诸多财力物力，且风扇电机需重新选取，此法不可取。若单纯通过提高风扇的转速来增加散热效率，则要消耗更大的功率，且风扇转速过快，噪音也难以忍受，也是不可取的。传统风扇的控制图如图1所示：
图1传统风扇控制图
系统设定两个开关温度，分别为Limit1和Limit2。当水温达到Limit1
时，风扇中速运转；当水温达到Limit2时，风扇高速运转。此法虽简单实用，但风扇转速只有两个级别，且控制单一，散热效率难以达到最优。
3.4 散热器的改进。发动机热量始终要靠散热器散发到大气中，所以散热器的设计十分关键。加大散热器体积，能够提高散热器的散热能力。当然，单纯增大散热器体积，就像单纯增大风扇直径一样，存在诸多设计和经济型问题，因此需要在尽量不改动现有汽车固件的前提下，进行优化设计。在发动机设计过程中，散热系数和空气阻力，是衡量散热器质量的两个重要指标。散热系数是指当冷却水和空气之间的温度差为1℃时，每秒通过与空气接触的1m2散热表面所散发的热量。提高散热系数，可以改善散热性，但影响散热系数的因素有很多，比如散热器芯部结构，水管中冷却水的流速，通过散热器的空气流量，散热器材料以及制造因素等。可以看出，如果不改动现有固件，无法改变散热器的散热效率。空气阻力是另一个因素，但空气阻力除了经常清除散热器上的灰尘可以保持空气阻力在一个合理范围之外，也无法进行改进。
4 结论
在进行发动机的冷却系统设计时，已考虑诸多空间、成本、合理性等诸多因素，因此无法进行比如换掉散热器、增大风扇直径等的改进。本文通过进行发动机冷却系优化可行性的论述为以后采用传感器技术，将散热器出入口水温、发动机转速、行驶速度等数据传入单片机，单片机将数据进行分析，根据预设程序，控制风扇和水泵的转速线性变化，从而优化发动机冷却性以达到最好的散热效果。
参考文献：
[1]李启堂、徐继涛、丁书斌、王敏，基于改进PID的发动机冷却系智能控制系统的研究[J].机电一体化，2007.2：43-46.
关键词： 发动机；冷却系；优化
中图分类号：U464文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0620037－01
0 引言
随着现代工业的快速发展，人们对发动机的性能有了更高的要求，这就要求发动机企业尽可能提高发动机功率，最快捷的方法便是提高发动机的转速。但是发动机在高转速时，发动机各部件高速运转，汽缸内的温度高达1800～2000℃，所以必须对整个发动机特别是气缸加以冷却，否则其中的运动件受热变形而破坏了正常配合间隙，也会使机械强度降低而损坏，润滑失效而卡死等。当然如果冷却过度也会造成气缸燃烧不正常、功率下降、油耗增加及润滑不良等后果，为此需对发动机冷却系进行深入研究。
1 发动机功率损失
为了保证发动机内高温高压条件下工作零部件不因温度过高而影响正常工作，必须及时将部件进行冷却。发动机在工作中，受季节变化、使用状况、负荷等因素的影响，容易出现冷却水温偏离正常工作范围的异常现象。在日常使用中，发动机常出现预热缓慢、过热等现象。在冬季，北方大部分地区的环境温度一般在0℃以下，发动机启动后，大约经过15-20分钟左右的运转，冷却水温才能接近80℃，造成燃烧不正常、功率下降、油耗增加及润滑不良等后果。究其原因，由于水泵受驱动方式的限制，只能随发动机的运转一起运转，在起动的开始阶段，水泵工作，循环水迅速带走气缸周围的热量，并通过散热器将热量释放到空气中，造成发动机暖机时间延长。对于散热风扇，由于只有一个接通开关，两级控制，不能任意改变风扇的转速，在温度逐步上升阶段，不能按照水温自动调节转速，造成一定程度上的热量损失。此外，风扇接通之后直接进入固定转速，噪音也是一个比较突出的问题。
2 冷却系非正常工作状况的原因分析
机械式的冷却方式，虽然简单实用，但对于发动机越发复杂的工况，已显力不从心。发动机制造厂在设计某一具体车型的冷却系统时，只能根据该车在某一常用工作状况进行设计。但我们南北差异气候差异大，发动机的使用条件也千差万别。比如在南方或者新疆等地，夏季高温炎热，温度甚至接近40℃，发动机在高负荷低转速的条件下，需要加强冷却，防止发动机过热；在东北寒冷的冬季，气温接近零下30℃，发动机在刚启动的一段时间内，发动机温度上升缓慢，机油的粘度大，润滑效果大大降低，使发动机运转不流畅，功率损失增大。此外冷起动困难也是影响北方用户正常使用的一个重要问题。如何根据发动机复杂的工况，合理控制水泵以及风扇的转速，达到最佳的散热效果，成为摆在发动机研发人员面前的一个问题。
3 改进冷却系统的可行性分析
3.1 改进冷却系统的主要途径。要解决发动机过热问题，就要提高发动机冷却系统的散热量，冷却系统中影响散热量的主要因素为冷却空气流量和冷却水循环量。决定这两个因素的关键为冷却系的风扇、水泵及散热器。改进冷却系的散热能力，从最经济、简便的角度将问题解决，最大限度的保持各总成安装及相关尺寸不变。
3.2 水泵改进可行性研究。在发动机冷却系设计时，水泵是根据发动机冷却所需泵水量和泵水压力设计的。泵水量和泵水压力影响冷却水的循环量，冷却水的循环量与冷却系的散热量之间存在关系如下：
式中： -冷却系的散热量kJ/s；-冷却水的循环量m3/s；-冷却水在发动机循环时的容许温升，对现代强制循环冷却系，取 =6℃～12℃；-水的比重，可近似取 =1000kJ/m3；-水的比热，可近似取
=4.187kJ/kg·℃。
由上式可以看出，要想提高冷却系统的散热量，就要增大水泵的泵水量。在水泵尺寸不变的前提下，可以靠增加转速来提高泵水量和泵水压力，因此在设计时，可以考虑水泵的转速根据不同的发动机状况进行适时调整，进而适应发动机所需的散热要求。由于水泵的消耗功率与转速的立方成正比，所以过高的提高水泵的转速会使水泵消耗的功率急速增加，而且容易在水泵内形成较低的压力，当压力一旦低于饱和蒸发气压使就会出现气蚀现象，破坏水泵的正常工作。因此需要在水泵最大转速之内，通过适时的调节水泵的转速，达到最优散热效果。
3.3 风扇改进的可行性研究。在发动机冷却系统的设计中，风扇的设计是根据风量和风压来设计的。风扇的扇风量和冷却系带走热量之间存在关系：
式中：Vn-风扇的扇气量（冷却空气量）m3；△tn-空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差，通常△tn=10～30℃；γn-空气的密度，一般γn=1.01kg/m3；Cp-空气定压比热，可取Cp=1.047kJ/（kg℃）。
显然，增大风扇的扇风量就可以提高冷却系统的冷却能力。增加风扇叶轮的叶轮的叶数和转叶宽度，风扇的扇风量可以明显增加，但风扇的功率消耗也在增加。这样，要对汽车底盘构造进行重新设计，以容纳更大体积的风扇，这样复杂的改进需要耗费诸多财力物力，且风扇电机需重新选取，此法不可取。若单纯通过提高风扇的转速来增加散热效率，则要消耗更大的功率，且风扇转速过快，噪音也难以忍受，也是不可取的。传统风扇的控制图如图1所示：
图1传统风扇控制图
系统设定两个开关温度，分别为Limit1和Limit2。当水温达到Limit1
时，风扇中速运转；当水温达到Limit2时，风扇高速运转。此法虽简单实用，但风扇转速只有两个级别，且控制单一，散热效率难以达到最优。
3.4 散热器的改进。发动机热量始终要靠散热器散发到大气中，所以散热器的设计十分关键。加大散热器体积，能够提高散热器的散热能力。当然，单纯增大散热器体积，就像单纯增大风扇直径一样，存在诸多设计和经济型问题，因此需要在尽量不改动现有汽车固件的前提下，进行优化设计。在发动机设计过程中，散热系数和空气阻力，是衡量散热器质量的两个重要指标。散热系数是指当冷却水和空气之间的温度差为1℃时，每秒通过与空气接触的1m2散热表面所散发的热量。提高散热系数，可以改善散热性，但影响散热系数的因素有很多，比如散热器芯部结构，水管中冷却水的流速，通过散热器的空气流量，散热器材料以及制造因素等。可以看出，如果不改动现有固件，无法改变散热器的散热效率。空气阻力是另一个因素，但空气阻力除了经常清除散热器上的灰尘可以保持空气阻力在一个合理范围之外，也无法进行改进。
4 结论
在进行发动机的冷却系统设计时，已考虑诸多空间、成本、合理性等诸多因素，因此无法进行比如换掉散热器、增大风扇直径等的改进。本文通过进行发动机冷却系优化可行性的论述为以后采用传感器技术，将散热器出入口水温、发动机转速、行驶速度等数据传入单片机，单片机将数据进行分析，根据预设程序，控制风扇和水泵的转速线性变化，从而优化发动机冷却性以达到最好的散热效果。
参考文献：
[1]李启堂、徐继涛、丁书斌、王敏，基于改进PID的发动机冷却系智能控制系统的研究[J].机电一体化，2007.2：43-46.