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发表于 30-7-2009 23:13:10
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现代摩托车发动机的动力性、经济性、耐久性可靠性在不断提高，热负荷也愈来愈高。因此，水冷方式所具有的冷却效果也愈来愈受到人们的青睐，已成为先进发动机冷却系统的首选方法。为此，本文对四冲程汽油发动机工作过程热负荷影响的介绍中，阐述水冷方式的特点，并对水冷机的应用前景做以简单分析。9 w, f: }" r8 q. j0 L
一． 发动机的热负荷 发动机的热负荷是对零件工作最高温度、不同方向的温度梯度以及对应的热应力、热应变和零件局部承受的低频与高频热疲劳的综合评价。高热负荷是阻碍发动机达到最佳性能的障碍。" T+ L# Q, ^' P/ S
发动机热负荷是用单位时间单位传热面积上的热流量，即热流密度来表示的。在发动机工作过程中燃烧室内混合气体燃烧做功产生大量的热量，燃气的最高温度可达 2000℃~2500℃。汽油机燃烧室的组成大部分在气缸盖上，并布置有进、排气门，气门座，火花塞这样的关键部件。在正常工况下所控制的温度上限为：活塞顶部温度最高点250℃ ，活塞环上止点时的最高温度220℃，进气门头部温度400℃，排气门头部温度800℃，火花塞电极部位工作温度800℃，缸盖外表面180℃。当然不同的冷却方式上述温度会不同，但无论采用何种冷却方式，均应将温度控制在上限之下。由于各零件的形状差异，在高温热流的作用下形成不同的温度梯度，以及所对应的热应力、热应变。若各零件的温度过高，将使发动机的温度过热，过热的零件和机油将不能保持原有的品质特性，使发动机很快产生致命的故障。如：火花塞电极烧损、活塞顶烧穿、活塞开裂、活塞环断裂、活塞与气缸烧死、气门头开裂等结果。 % R. Y( L: b: `5 g+ b! o
二． 不同冷却方式对热负荷的影响
/ Q3 ^$ a. I# \9 H& W2 z摩托车用汽油发动机最常见的冷却方式为风冷和水冷两种，无论何种冷却方式都针对燃烧室中各受热件相同的传热路线，所不同的是改变了发动机热负荷的高低。发动机中各部件的受热状态不同，所对应的冷却程度要求不同。
6 S* K0 z( h8 [, v4 A4 I在高温燃气作用下，活塞不仅温度高而且温度分布很不均匀，各部位之间有很大的温度梯度，并成为热应力变形的根源。当活塞顶部温度达到350℃时，铝合金将失去抗裂能力而开裂，同时高温会使机油碳化变质，失去冷却润滑零件的作用。活塞的热量70％由活塞环传递给气缸壁的，在不同的冷却方式下，活塞的抗热疲劳的能力明显不同。试验研究证明了，在同一平均有效压力Pe条件下，采用风冷方式活塞第一道环在上止点的最高温度可达250℃～300℃，而水冷方式只有 160℃～170℃，下止点时风冷方式为170℃～180℃，而水冷为130℃，同时表明了风冷机的活塞头部存在着严酷的润滑条件。进排气门的头部主要热量65～70％是通过气门座、气缸盖进行传递，火花塞的高温主要散热是通过螺纹紧固部位完成的，而半球形燃烧室本身也承受了很高的热负荷，可见发动机重点冷却对象是燃烧室。由于结构所限风冷方式冷却风很难直接冷却这些部位。当摩托车低速行驶时，发动机不能获得充分的冷却，在发动机周围空气流通不畅，金属表面上的空气很快变热，使空气和金属表面温度差下降，从而降低了二者之间的交换能力。虽然强制风冷部分能改善热交换能力，但不能解决风冷的根本问题。. H# G2 I8 b" d! c" {3 |% C5 R& u: `
水冷方式将冷却液做冷却介质，冷却液从发动机高温部分把热量带走，然后经散热器把热量传递给大气。水冷方式不直接向大气散热，而是利用中间冷却介质--冷却液来传递热量。表面上看，热的传递多了一个中间环节十分麻烦，实际上并非如此，正是由于冷却液的存在，使水冷方式的冷却效果处于优势。冷却液容易人为调节各部位的冷却强度，调节发动机的温度。冷却液的流向与冷风的吹向无关，能自由地把发动机各处的热量带走，可以重点地加强局部区域的冷却，并对某些部位进行保温。当摩托车低速行驶或停车时只要冷却风扇旋转，冷却系统就有足够的散热能力，并能保证发动机始终处于最佳温度状态下工作。2 I9 q4 f& S/ y( Z6 A/ _0 H0 f0 m
三． 冷却方式对性能的影响' ?4 K% V( F& k' O; Z; B, N# r
发动机在各种工况条件下工作过程的优劣，取决于是否处于本身所需的最佳温度状态，而最佳温度状态又取决于冷却方式对热负荷的控制程度。$ ?4 o" @* l* a4 Y
前面讲到热负荷的高低用热流密度qw来表示，而热流密度与平均有效压力Pe燃油消耗率ge成正比关系，这就意味着Pe、ge的升高必然导致热负荷的提高，因此没有良好的冷却效果难以达到性能提高的目的。
+ M8 @( _/ y2 m9 `2 N: |冷却方式对动力性、经济性的影响表现于Pe的差异。我们知道，在同一排量下，由于热负荷的制约，风冷机与水冷机压缩比ε有2.5个单位差别，所带来的功率差异在15％以上。Pe的增大表示了有效热效率ηe的提高，而ηe与ge成反比关系，这就说明了为什么水冷发动机燃油消耗率ge往往低于风冷机的道理。另外汽油在气化过程中需要吸收大量的热，而且比汽油温度上升所吸收的热量大得多，所以汽油的冷却效果相当大。试验证明了在活塞的冷却上，汽油气化有举足轻重的地位。正是这个原因许多风冷机用较浓混合气的气化潜热来冷却活塞气门，这也是风冷机比水冷机费油的主要原因之一。9 D$ E& z( l, H
冷却方式对可靠性、耐久性的影响主要体现在对机油品质的保证。发动机在一定的热负荷状态下，各零件之间形成的工作间隙，必须满足在正常机油温度下建立合理的承载油膜条件。风冷发动机由于受自然季节环境温度的影响很大，难以保证内部受热条件的温控范围，极易造成过冷过热,使机油品质恶化出现早期磨损。水冷机由于冷却介质的温度始终控制在最佳范围，并且不受环境温度的影响，因此机油品质始终得以保证。笔者在2000年8月下旬组织了自然风冷、强制风冷、水冷三种摩托车在恶劣环境下的热负荷试验。三种车辆为本田王125一辆（双缸），GY6踏板车一辆，125水冷踏板车三辆，车辆按说明书满载。试验条件为：环境温度37℃ ，道路条件：慢坡，坡长10公里，路面：碎石路，最高车速20km/h。试验结果：本田王125行驶1/2里程时热胀停车，机油温度196℃ ，GY6踏板车2/5里程时热胀停车，机油温度215℃ ，125水冷三部车顺利完成全部里程，机油温度分别为：103℃ 、107℃ 、104℃ 。试验表明，水冷方式对发动机热负荷的调控效果风冷机是无法实现的。
- ]% T& B" _; w" E7 G随着环保对摩托车排放的严格要求，发动机的降排放技术越来越受到重视，而燃用稀混合气以达到降低排放、降低油耗始终是这一领域的追求目标。由于风冷机热负荷高的原因往往不能燃用稀混合气，燃用稀混合气的必备条件是以提高压缩比来增加燃烧速度，并且压缩比的提高不带来热负荷的增加，这一点恰是水冷机所具备的优点。经过对不同排量水冷机的相关试验也验证了摩托车四冲程水冷发动机在组织燃用稀混合气方面可以达到在保持动力性的前提下获得满意的排放指标和节油效果。 ! m# Y: L. ^! \. X! f) z
四． 水冷机的前景! b# [, m [" {, b% C+ C, v
中国摩托车的高速发展是在20世纪80年代开始的，并且产品结构导向是以风冷为主，90年代末期才出现少量的水冷产品。目前水冷产品总量不到全国年产量的 1％，而在此期间，国外水冷产品得到迅猛发展。以日本2000年产品为例，在常用的76种摩托车中水冷占了50种，比例为65.8％，若按此比例分布，中国的水冷产品市场将是巨大的。
8 J5 R6 D2 z# }4 o: J1 U- E9 q国内的水冷摩托车是否能有大的发展，除了企业体制因素外，有以下几个有力方面。 $ b3 ^% {4 ?% q* G0 r2 R
市场发展需要高品质的摩托车。所谓高品质是指高性能、高可靠性、低排放、低噪音、低油耗。显而易见，风冷方式难以解决高性能带来的热负荷问题，也不可能随着性能的提高再增加单位散热面积。发动机活塞运动噪音，燃烧噪音，气门落座噪音的增加均不是风冷方式所能解决的，而冷却液隔层确能将其吸收、隔绝。四气门、多缸机技术的广泛应用和发展，使得风冷技术的采用困难重重，甚至有些机型根本无法用风冷进行合理冷却，但是水冷方式能很简单的解决这些问题。 O0 J' @6 v$ G' w, {1 |$ J/ q
无人否认，对环保要求愈来愈严的现在和将来，达不到排放要求的摩托车产品难以进入城市道路，并会被迅速地淘汰。目前由于产品结构不合理，不符合发展趋势的产品遭淘汰，企业处于困境的事例，业内人士一清二楚。 , [' r T* u/ S |
水冷机生产成本的降低与质量的完善，水冷机冷却系统的零件较风冷机多，必然要增加一部分成本，但随着工艺的成熟，批量生产技术的进步，其制造成本可以进一步下降，尤其随着排量、缸数的增加其成本与风冷机相差无几。/ O( V! p& \/ l; A m) [! c; T* h$ N
高可靠性，长的维修周期：水冷系统能保持发动机长期处于最佳温度状态下工作，并且相同于轿车的冷却液可在1～1.5年内不用更换，使得维修周期大大延长。同时，目前企业产品的三包服务网络的建立使得对用户的维修服务已不成为问题。- T5 ?6 ~" d O# l& h+ {+ S
五． 结束语( [* F7 f& T0 k: I: i6 `$ v3 d
摩托车发动机采用风冷还是水冷取决于不同档次的需求，以及产品技术的发展趋势。目前风冷机结构简单，成本低的特点还在用于各种小排量摩托车上。因此从使用角度讲不存在相互替代的问题，只是会形成各自适应的比例关系。从这一点讲相信随着入世的到来产品技术贸易与国际的接轨，我国水冷摩托车将会有很大的发展
本文来自: 中国汽车工程师之家( http://www.cartech8.com ) 详细出处：http://www.cartech8.com/thread-374456-1-1.html |
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