【正文】 水和潤滑油溫度每提高10℃，發(fā)動機有效效率可以提高315~410%。對于發(fā)動機性能的影響，從節(jié)約燃油消耗來看，顯然冷卻水溫度提高有利于降低燃油消耗率。，該發(fā)動機采用機油冷卻活塞。在65℃、75℃、85℃時試驗了冷卻水溫度改變時對其所帶走的總散熱量的影響。由圖可以明顯看出，隨著機油和冷卻水溫的提高，帶走的總熱量Qw逐漸減少。當水溫和機油溫度同時由70℃提高到85℃和95℃時，h。 冷卻介質(zhì)溫度對熱傳量的影響，可以看出，隨著冷卻水溫的提高，消耗單位體積的燃油汽車所行駛的距離也隨之增加，即提高了燃油的經(jīng)濟性。 冷卻水溫度與燃油消耗率的關(guān)系由以上分析可以看出，較高的冷卻水溫使燃油的經(jīng)濟性提高，但冷卻水溫度過高，由于燃燒室和燃氣溫度升高，使發(fā)動機充氣效率下降，各缸進氣量減少，因而使燃燒過程延長或惡化，反而會使發(fā)動機功率下降，油耗增加，所以冷卻水要維持適宜的溫度以保證發(fā)動機的正常工作。此外，冷卻水溫度直接影響機油的溫度，而潤滑油粘度對摩擦損失影響較大，將直接影響機械損失功率的大小，從而對發(fā)動機的動力性帶來較大影響。粘度大則機油內(nèi)摩擦力大，流動性差，使摩擦損失增加，但其承載能力強，易保持液體潤滑狀態(tài)；反之，機油粘度小，則流動性能好，消耗的摩擦功小，但承載能力差，油膜易破裂而失去潤滑。 與機油溫度之間的關(guān)系。從圖中可知，油溫在某一特定值tm時機械損失功率具有最小值Pm最小，高于tm時，由于機油粘度減小，油膜易破，導(dǎo)致潤滑不良，摩擦損失增加，嚴重時會損傷發(fā)動機零件。這種情況易在冷卻不足、發(fā)動機過熱時產(chǎn)生；如果油溫過低，則機油粘度增大，Pm也增大，使發(fā)動機的動力性下降。 冷卻散失的熱量是熱效率降低的原因之一，同時熱效率同發(fā)動機輸出功率之間具有一定的關(guān)系。應(yīng)用加拿大學(xué)者Curzon的有限時間熱力學(xué)理論分析發(fā)動機的動力性；以工質(zhì)的當量溫度為Tcp的可逆等溫膨脹過程和工質(zhì)與高溫熱源間的傳熱過程來代替循環(huán)中的定容放熱過程。由此可以得到在吸熱和放熱過程中，從高溫熱源吸收和傳給低溫熱源的熱量分別為： （23） （24）式中：、分別為吸熱和放熱過程中的傳熱系數(shù)，在內(nèi)燃機循環(huán)分析中，常數(shù)=，分析中用h表示；、各為吸熱和放熱過程所經(jīng)歷的時間，若令一個循環(huán)的時間為t，則可認為=at，=bt，其中a，b均為小于1的常數(shù)；， 分別為高低溫熱源溫度并且有 由(23) 、(24) 及熱力學(xué)公式，根據(jù)輸出功率表達式: (25)和熱效率表達式: (26)可以導(dǎo)出發(fā)動機理論循環(huán)輸出功率P和熱效率為: (27) (28)由(27)、(28)消去后，得到輸出功率P與熱效率之間的函數(shù)關(guān)系式: (29)由式(29)可導(dǎo)出，當a、b、h、為常數(shù)時，P有極大值 (210)此時由分析可以看出，熱效率增大能使發(fā)動機輸出功率增加，使發(fā)動機的動力性提高；冷卻散熱會使熱效率降低，所以適當提高冷卻液溫度可以增加發(fā)動機有效功率的輸出。綜上所述，冷卻水應(yīng)保持適宜的溫度，避免偏低的數(shù)值，既可減少散熱損失，改善燃燒過程，又有利于提高發(fā)動機的動力性和經(jīng)濟性。 冷卻水溫度對發(fā)動機可靠性和使用壽命的影響適宜而穩(wěn)定的冷卻水溫度能保證發(fā)動機正常使用的可靠性，并能延長其使用壽命。相反，發(fā)動機受熱不均勻，局部溫度異常升高，則會造成各種問題。發(fā)動機內(nèi)燃燒產(chǎn)生的熱對圍繞發(fā)動機燃燒室的各種零部件加熱，在冷卻狀態(tài)差時，燃燒室部分的氣缸蓋、分開式燃燒室、活塞、排氣門等處過分地受熱()，會使材料強度下降很大，造成磨損加大，影響該部分零件及周圍結(jié)構(gòu)的可靠性及使用壽命，嚴重時甚至發(fā)生故障，造成發(fā)動機報廢。圖 零部件材料強度與溫度的關(guān)系冷卻不充分還對發(fā)動機各個滑動部分的潤滑油產(chǎn)生熱影響。潤滑油的粘度隨溫度變化的公式如下： （211）式中、 ——分別為潤滑油在壓力p與標準大氣壓(1O1325Pa) 下溫度t與某標準溫度時的動力粘度，Pas；k、b——分別為某種潤滑油所對應(yīng)的常數(shù)。一般取b=~，k≈2；p——潤滑油所承受的表壓力(或稱相對壓力)，Pa；、t——潤滑油的某一標準溫度及在壓力p時的溫度，℃；從該式中可以看出，潤滑油的動力粘度與溫度t的二次方成反比，即隨著溫度的升高潤滑油的動力粘度急劇下降。潤滑油動力粘度降低會使?jié)櫥饔媒档?，并且由于機油變質(zhì)，發(fā)生異常磨損，粘結(jié)等故障。隨著溫度升高，腐蝕磨損也呈增大趨勢。冷卻系統(tǒng)水溫正常時，發(fā)動機工作狀態(tài)良好，氣缸壁與活塞環(huán)之間總存在一層潤滑油膜。而當發(fā)動機處于異常工況時，氣缸與活塞環(huán)之間的潤滑油膜遭到破壞，兩者有微小部分金屬面直接接觸，摩擦造成局部高溫，使之熔融粘著、撕脫，并逐步擴展造成粘著磨損。如果這時油膜得以及時恢復(fù)，能起到充分的清洗和冷卻作用，使溫度下降，微小熔著部分脫落而不會擴展；如果油膜恢復(fù)遲緩，熔著擴展將導(dǎo)致大范圍異常磨損，缸壁、活塞及活塞環(huán)急速遭到嚴重損傷，在缸壁表面上會呈現(xiàn)熔融流動狀況，顯出不均勻、不規(guī)則邊緣的溝痕和皺褶，嚴重影響發(fā)動機的使用壽命。 高溫軸承磨損例 (1cP= s)不但過高的溫度有損發(fā)動機的使用壽命，溫度過低也影響發(fā)動機的使用壽命。當氣缸壁溫度低于零點時，氣缸壁發(fā)生化學(xué)腐蝕。發(fā)動機的燃燒產(chǎn)物中含有、和水蒸氣等，酸性物和水蒸氣極易凝結(jié)在氣缸表面上。在缸壁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成化學(xué)腐蝕。在冷卻水溫低和低溫起動時，缸壁溫度低，這時水蒸氣會在缸壁上凝聚成水、及部分，極易與水分形成酸性物，酸性物侵蝕油膜后，會與缸壁發(fā)生劇烈的電化學(xué)反應(yīng)，造成電化學(xué)腐蝕。腐蝕沿著缸孔材料組織中的石墨發(fā)生，在氣缸上部形成疏松的細小洞穴，進而在摩擦作用下造成缸壁金屬脫落。此外，溫度低，燃油霧化不良，燃油呈滴狀，沖刷氣缸壁，洗掉油膜，破壞了潤滑，加劇了磨損。實踐表明，冷卻水溫度愈低，磨損速度愈大。水冷發(fā)動機的冷卻水溫度與活塞環(huán)磨損、。 低溫活塞環(huán)磨損實例 低溫氣缸磨損實例發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，氣缸蓋和氣缸壁面內(nèi)外兩側(cè)存在較大的溫差，由于內(nèi)壁的溫度高，所以內(nèi)壁的膨脹必然大于外壁，但內(nèi)壁的膨脹受到外壁的限制，故內(nèi)壁產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而外壁產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，即所謂的熱應(yīng)力，在此應(yīng)力的作用下，氣缸容易發(fā)生扭曲變形，會出現(xiàn)拉缸現(xiàn)象，造成發(fā)動機的嚴重損壞。熱應(yīng)力的大小與溫差成正比。當冷卻水溫度較高時，就減小，熱應(yīng)力也隨之而減小。由此，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)應(yīng)保持適宜的溫度，在保證正常運轉(zhuǎn)的前提下應(yīng)盡量提高發(fā)動機冷卻水溫。第三章 車用傳感器 引言隨著電子信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域電子化、信息化的發(fā)展時代。將電子技術(shù)運用到汽車冷卻系統(tǒng)當中符合技術(shù)的要求和時代的要求。作為電子技術(shù)的一個分支，傳感器技術(shù)也被廣泛的運用到各個領(lǐng)域，如日常信息、通訊、汽車、醫(yī)療等外圍精密設(shè)備。其中又以汽車工業(yè)作為車用傳感器產(chǎn)品最為突出，一般使用在車上的傳感器是以行車計算機系統(tǒng)作為輸入裝置，它將汽車運行中各種工作狀況信息，包括車速、車況及各種介質(zhì)的溫度、發(fā)動機運轉(zhuǎn)工作狀況及路面信息等，轉(zhuǎn)化成電訊號輸給計算機，以便發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)、排放廢氣污染為最小，及車身穩(wěn)定控制使行車最安全，是汽車電子控制系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，也是汽車電子技術(shù)領(lǐng)域研究的主要核心?，F(xiàn)在幾乎所有車體上的機械結(jié)構(gòu)及組件都已受到電子設(shè)備掌控，但因為車體內(nèi)可應(yīng)用空間過于狹隘，構(gòu)件系統(tǒng)空間更是受到限制。因此，在一般的理想狀況下，電子控制單元應(yīng)該會與受到控制組件緊密結(jié)合，而逐漸形成一個整體。因此，電路及組件的微型化、模塊化是必然趨勢，從工程的角度來看，將傳感器組件微型化有其優(yōu)點?，F(xiàn)代汽車上微機電技術(shù)發(fā)展的車用傳感器發(fā)展趨勢應(yīng)朝多功能化、模塊化、智能化、微型化技術(shù)方向發(fā)展。以本文研究的冷卻系統(tǒng)為例，為使發(fā)動機處于最佳工作狀態(tài)，從運用空氣流量傳感器量測冷卻汽缸體的空氣流量、壓力傳感器量測進氣壓力開始，再根據(jù)冷卻水溫、汽缸體周圍空氣溫度等工作環(huán)境參數(shù)(運用溫度傳感器)計算出冷卻液的動態(tài)流量，同時再通過節(jié)氣門位置傳感器檢測節(jié)氣門的開度，確定發(fā)動機的工作狀態(tài)，進而控制、調(diào)整冷卻系統(tǒng)大小循環(huán)，最后還需要通過曲軸的角速度傳感器監(jiān)測曲軸轉(zhuǎn)角和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，判斷發(fā)動機車速訊號，最終計算出并發(fā)出最佳冷卻效果工作狀態(tài)的指令。此外，發(fā)動機燃油噴射系統(tǒng)和點火綜合控制系統(tǒng)還可以結(jié)合氣體濃度傳感器來監(jiān)控系統(tǒng)廢氣排放，并與起動系統(tǒng)等組合，構(gòu)成可使汽車發(fā)動機功率和扭矩最佳化，而同時姍油消耗和廢氣排放最低化的智能型系統(tǒng)?？偟膩碚f，車用電子系統(tǒng)系是由各個電子控制單元所組成，不但具有自我操控能力，同時又有協(xié)調(diào)整合功能使車上各個子系統(tǒng)達到最佳工作效率。 車用熱線式空氣流量傳感器空氣流量傳感器用于現(xiàn)代汽車汽油噴射系統(tǒng)中，安裝在空氣濾清器和節(jié)氣門體之間，用來測定吸入發(fā)動機中的空氣量的多少，作為決定基本噴油量的參數(shù)。電子控制汽油噴射式發(fā)動機為了在各種運轉(zhuǎn)工況下都能獲得最佳濃度(空燃比)的混合氣，必須正確地測定每一瞬間吸入發(fā)動機的空氣量，作為電控單元(ECU) ，應(yīng)用于汽車發(fā)動機的空氣流量傳感器大致可分為熱線式和熱膜式兩大類，由于熱線(膜)式質(zhì)量型空氣流量傳感器能直接測出空氣質(zhì)量流量，具有測量準確度高、響應(yīng)時間短等優(yōu)點，因此，該兩種類型空氣流量傳感器已在現(xiàn)代汽車發(fā)動機上廣泛應(yīng)用。由于熱線式和熱膜式的工作原理相同，本文僅對熱線式空氣流量計的工作原理、溫度補償和輸出特性進行探討。 熱線式空氣流量傳感器基本原理熱線式空氣流量傳感器是建立在熱平衡原理基礎(chǔ)上的。在空氣通道中放置熱線(鉑絲)RH ，當空氣通過流量計時，熱線被冷卻，工作溫度下降，其電阻值隨之減小，電橋失去平衡。此時集成運算放大器會自動增加供給熱線的電流，使熱線恢復(fù)原來的工作溫度和電阻值，直至電橋恢復(fù)平衡。進氣 集成運算放大器 輸出信號(E)R1，R2，R3 電阻器 RC 補償電阻器 RH 熱線電阻器 熱線式空氣流量傳感器電路原理圖 熱線式空氣流量傳感器的溫度補償原理盡管熱線式空氣流量傳感器的輸出信號(E)直接反映了空氣質(zhì)量流量，但由于空氣的熱傳導(dǎo)、密度、粘性以及空氣與熱線之間的溫差都和空氣的溫度緊密相關(guān)，因此，空氣溫度的改變必然會導(dǎo)致熱線式空氣流量傳感器的輸出信號的改變。由于在相同的空氣質(zhì)量流速下，環(huán)境溫度的變化會影響熱線的熱耗散率，進而影響傳感器的輸出電壓，因而有必要對由于環(huán)境溫度變化而引起流量傳感器輸出信號變化的情況進行修正，即溫度補償。溫度補償?shù)幕舅枷刖褪侨藶榈鼗蜃詣拥馗淖兠舾性臏囟?，以便對相同的流體流量給出與溫度變化無關(guān)的相同輸出，或者說敏感元件的溫度總是被調(diào)整到使空氣流量傳感器的輸出與溫度無關(guān)的溫度上。對于熱線式空氣流量傳感器來說，常用的溫度補償方法是將惠斯登電橋中與熱線斜對的電阻改成串聯(lián)并聯(lián)電路。其中，為具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻器，將其安放在與熱線相同的流場中。通過在不同環(huán)境溫度下熱線探頭熱耗散特性試驗，確定使輸出電壓保持基本恒定的串聯(lián)電阻器和并聯(lián)電阻器。將經(jīng)過溫度補償?shù)臒峋€空氣流量傳感器與未經(jīng)過溫度補償?shù)臒峋€空氣流量傳感器作對比試驗。溫度補償試驗結(jié)果表明:熱線式空氣流量傳感器經(jīng)溫度補償后，大大減少了環(huán)境溫度對其輸出產(chǎn)生的影響。 溫度補償電路原理圖熱線式空氣流量傳感器由兩部分組成:一部分是傳感探頭恒溫控制電路(constant temperature control circuit)；另一部分是信號調(diào)節(jié)電路(signal conditioning circuit)。 溫度補償試驗結(jié)果溫度(℃)有溫度補償輸出(V)無溫度補償輸出(V)20304050 熱線式空氣流量傳感器電路框圖恒溫控制電路主要是保持傳感探頭(熱線)溫度與環(huán)境溫度的溫差恒定:信號調(diào)節(jié)電路主要是對流量傳感器的檢測信號進行放大和線性化處理。由于熱線式空氣流量傳感器的輸出與空氣質(zhì)量流量之間是非線性關(guān)系，從測量的角度來看，任何非線性關(guān)系都是不利的，因為這給使用和標定帶來困難，因而有必要對熱線式空氣流量傳感器的輸出信號進行線性化處理。針對熱線式空氣流量傳感器，采用了多項式近似線性法。 多項式近似線性化框圖通過對熱線式空氣流量傳感器的輸出信號進行多項式線性化處理，利Matlab對試驗數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到熱線式空氣流量傳感器輸出線性擬合方程為: （31）式中為熱線式空氣流量傳感器輸出電壓，單位V。 測試結(jié)果將研制的熱線式空氣流量傳感器放在汽車上試驗，將測試的結(jié)果與標準的BOSCH熱膜式空氣流量傳感器的輸出數(shù)據(jù)進行對比。 熱線式空氣流量傳感器測試結(jié)果 結(jié)論(1)熱線式空氣流量傳感器可直接測量電噴發(fā)動機進氣空氣質(zhì)量流量，但需要對空氣溫度的變化進行修正；(2) 傳感器響應(yīng)時間對汽車運行性能有較大影響，其階躍響應(yīng)時間應(yīng)不大于100ms；(3)所研制的傳感器動態(tài)響應(yīng)快、測量準確度高、