「創作開運禮」科普篇:汽車發動機冷卻系統運行原理與結構特點

2020-12-05 汽車科學島

燃油動力汽車水溫的快速上升與高溫後的恆溫,依靠的正是冷卻系統的「兩路切換」,首先來了解一下冷卻系統的功能與結構特點。

1:燃油車裝備的發動機是內燃式熱機(下文簡稱發動機),這是一種可以將熱能轉化為機械能的機器。轉化的原理是通過噴射燃油並混合空氣送至發動機的燃燒室,通過壓縮衝程使空氣升溫蒸發液態燃油,之後通過火花塞以高壓電電出電弧引燃混合油氣。油氣的瞬間燃爆本質為化學反應,反應過程中分子的無規則劇烈運動會產生動能與極高的溫度;汽油的火焰溫度理論值為1200℃,壓燃試柴油機的火焰溫度高達1800℃。

2:如上所述,內燃式熱機的運行是依靠高熱能轉化為有效功,但是熱能並不會完全轉化為動力。因為發動機在運行中必然會因進排氣冷卻以及運動磨損消耗掉很多動力,其中各種冷卻損耗會非常誇張且會不間斷的進行冷卻。因為熱力學第二定律說明了熱能會從高溫環境或物體,無序的傳遞至低溫環境或物體;而發動機機體的溫度總不會達到火焰溫度的超高溫,所以這些金屬材料會不斷吸收熱能直至融化。

重點1:發動機機體絕不允許融化

內燃式熱機的結構非常複雜,活塞以極高頻率的往復運轉會與缸套產生物理接觸,為保證接觸運動狀態下的磨損可控,兩者的製造精度都會非常之高。而如果因高溫導致兩者融化變形,那麼在運動過程中很有可能造成活塞卡滯導致發動機總成報廢;所以將發動機溫度控制在某一個高溫標準則是穩定運行的基礎,這一標準需要滿足磨損程度的最小化,以及熱能轉化動能(熱效率)的最大化,普通代步車的溫度標準基本在85~120℃之間,實現溫度恆定的基礎則是冷卻系統,結構特點如下所示。

冷卻系統運行原理非常簡單,散熱水箱在車頭位置,位於中網(進氣格柵)的後部;車輛行駛中的自然風冷可以有效地為水箱散熱,同時風扇也會為水箱散熱。於是貯存大量冷卻液的水箱則等於全時被風冷降溫,箱體的溫度是足夠低的;那麼冷卻液在循環過程中達到發動機缸蓋的位置吸收了大量的熱,之後達到水箱後則會被低溫水箱吸收熱能實現降溫。溫度合理後再次循環至缸蓋則能吸收同樣的熱能,這種往復循環則能夠把發動機機體的溫度控制在恆定的標準範圍內,這就是內燃式發動機恆溫的原理。

說明:前置散熱風扇總會有兩個,啟動之後往往只有一個風扇運轉,這並不是故障。因為兩組風扇中只有一個在大循環時正常運轉,另一個備用風扇會在長途高負荷駕駛時發動機水溫超過預設值後參與散熱;日常短途代步一般不會激活備用風扇,當然有一些車輛在打開A/C開關用冷空調時也會激活備用風扇,因為壓縮機會增加發動機的運行負荷。所以只有一個風扇運轉是正常現象,不用擔心。

重點2:大小循環的區分

上述內容為汽車發動機達到熱機狀態後的正常運行狀態,此時冷卻液會從缸蓋吸收大量的熱能,冷卻程度非常誇張並不是適合冷啟動階段使用。原因可參考第一節關於【過度冷卻】的描述,冷啟動時發動機機體以及冷卻液的溫度本就很低,如果用大循環冷卻則會吸收大量的熱能,造成只有少量的熱能可以轉化為動力,結果自然是汽車動力差的一塌糊塗。所以在冷啟動階段為了保證車輛的動力體驗合格,此時會將冷卻液調整為小循環狀態,結構特點參考下圖。

小循環
大循環

小循環只是讓冷卻液經過缸蓋,這一階段發動機機體的溫度會快速上升,高溫後能夠保證熱效率也就是動力的提升。同時少量冷卻液也會快速的升溫,高溫冷卻液會融化掉節溫器內的石蠟,石蠟逐漸膨脹擠壓並關閉小循環路徑,此時冷卻液整體的溫度會緩慢上升;直到石蠟被高溫作用到完全關閉小循環路徑,之後進入大循環時冷卻液與機體都已經達到了理想的高溫狀態,發動機則能夠以最佳熱效率體現性能與低油耗了。

總結:冷卻系統必須有兩組循環方式,否則發動機冷機和熱機狀態切換的速度會很慢,用車體驗與用車成本會大大提升。如環境溫度過低冷卻液很難切入大循環,如沒有小循環模式可想而知這些車會不會很好開了。

編輯:天和Auto-汽車科學島

責編:天和MCN

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