簡述發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及散熱量的計(jì)算

1、作者簡介:張杰(1972- , 男, 黑龍江五常人, 助理工程師, 主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)工作。收稿日期:2003-12-28簡述發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及散熱量的計(jì)算張杰(柳州五菱汽車有限責(zé)任公司柳州機(jī)械廠, 廣西柳州545005摘要:通過介紹內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng), 分析不同系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn), 以便于設(shè)計(jì)人員選擇。了解散熱量的計(jì)算, 掌握設(shè)計(jì)、選用水泵、散熱器和風(fēng)扇等冷卻系統(tǒng)的主要部件。關(guān)鍵詞:內(nèi)燃機(jī); 冷卻系統(tǒng); 散熱量中圖分類號(hào):T K 4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1672-545X (2004 02-0021-04前言作為汽車動(dòng)力的核心, 將直接影響汽車的性能。, 卻, 會(huì)使內(nèi)燃機(jī)過熱, , 燃燒不正常(

2、爆燃、早燃等 , 機(jī)油變質(zhì)和燒損, 零件的摩擦和磨損加劇, 引起內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性全面惡化。但是, 如果冷卻過強(qiáng), 汽油機(jī)混合氣形成不良, 機(jī)油被燃油稀釋, 柴油機(jī)工作粗暴, 散熱損失和摩擦損失增加, 零件的磨損加劇, 也會(huì)使內(nèi)燃機(jī)工作變壞。因此, 選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s型式和冷卻介質(zhì)也成為設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵。1冷卻介質(zhì)內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明人奧托(O tto 就是采用水作為冷卻氣缸的介質(zhì)。水具有良好的熱容量(比熱大 , 與壁面之間的換熱系數(shù)較高, 而且一般說來, 也是比較便宜和隨手可得的, 這也就是水冷方式目前得到廣泛應(yīng)用的原因。但水冷方式也存在一些缺點(diǎn), 因?yàn)椴皇侨魏我环N水都適用于作冷卻劑

3、, 而且至少在運(yùn)輸車輛上常常無法帶有足夠的水量來實(shí)現(xiàn)完全的水冷, 為此, 冷卻本身還要通過空氣水熱變換器(冷卻水箱 再進(jìn)行冷卻。這樣, 就自然聯(lián)想到可以直接使用空氣來作為冷卻介質(zhì)。但由于空氣與壁面的熱交換系數(shù)較小, 必須加大內(nèi)燃機(jī)上的冷卻面積才能保證有效的冷卻, (沸騰溫度180 來代, 但由于乙二醇與水相比有比熱小、導(dǎo)熱系數(shù)低和粘度高等一系列缺點(diǎn), 因而其散熱效果也不及水冷卻系, 所以這種冷卻形式在目前一般用途的內(nèi)燃機(jī)中已不再使用。2冷卻型式211水冷在水冷內(nèi)燃機(jī)上, 采用一個(gè)循環(huán)水泵迫使冷卻水流過氣缸套和氣缸蓋需要冷卻的部分, 通過適當(dāng)布置導(dǎo)水管或采用其他導(dǎo)流措施, 可以對(duì)熱負(fù)荷很嚴(yán)重的部

4、分(氣門間的鼻梁區(qū)、氣缸套上緣等 實(shí)現(xiàn)有效的冷卻。21111蒸發(fā)冷卻在開式冷卻系統(tǒng)中, 利用水的汽化潛熱(其值在100時(shí)為2258kJ kg 可以達(dá)到良好的冷卻效果。根據(jù)燃油耗率和通過冷卻水所帶走的熱量比例, 可以估算出這種冷卻方式需消耗的冷卻水量為13L k W h 。這種冷卻方式主要用于一些老式的小型內(nèi)燃機(jī)上。21112開式循環(huán)冷卻在開式循環(huán)水冷卻方式中, 冷卻水連同帶走的熱量重新流回江湖中去。因?yàn)樽匀唤绲乃话闾幱诘蜏貭顟B(tài)(最高35 , 為了防止熱應(yīng)力過大, 內(nèi)燃12裝備制造技術(shù)2004年第2期機(jī)的進(jìn)出口溫度又不允許太高(僅允許20左右 , 致使在這種冷卻方式下內(nèi)燃機(jī)總是在比較冷的狀態(tài)下

5、運(yùn)轉(zhuǎn)。因此實(shí)際上經(jīng)常應(yīng)用的是一種屬于半開式循環(huán)的混合冷卻方式, 在這種冷卻方式中, 為了保持預(yù)先規(guī)定的溫度狀態(tài), 只有一部分水參與開式循環(huán)。21113閉式循環(huán)冷卻汽車發(fā)動(dòng)機(jī)大部分采用此種冷卻型式, 我們將在后面具體討論。21114壓力冷卻當(dāng)散熱器和貯水箱都與大氣相通時(shí), 冷卻介質(zhì)處于大氣壓力的作用下, 壓力式冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)是可以通過提高冷卻水溫度(如120 來縮小散熱器的尺寸。它的缺點(diǎn)是密封比較困難, 而且減少了內(nèi)燃機(jī)進(jìn)出口水的溫差, 這種冷卻型式主要應(yīng)用在飛機(jī)內(nèi)燃機(jī)上。212風(fēng)冷還在很早以前, 內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)考慮了是否省卻一套單獨(dú)的冷卻裝置, 冷的思路。目前, , 機(jī)作為動(dòng)力, 很高的

6、強(qiáng)化強(qiáng)度, 它的優(yōu)點(diǎn)主要是使用方便和對(duì)環(huán)境適應(yīng)性比較好。缺點(diǎn)是當(dāng)空氣中塵埃較多時(shí)(如在灰塵較多的條件下工作的農(nóng)業(yè)機(jī)械等 , 如不對(duì)冷卻空氣事先濾清, 就不能保證良好的冷卻效果, 而且強(qiáng)化程度愈高, 對(duì)進(jìn)風(fēng)道內(nèi)空氣的清潔程度要求也愈高。213活塞冷卻活塞頂部從燃燒室接受的熱量, 大部分是通過活塞環(huán)傳給氣缸壁的(缸壁外圓受到冷卻 , 還有一小部分熱量則通過活塞裙傳到氣缸壁或由飛濺至活塞底面的機(jī)油帶走。雖然隨著內(nèi)燃機(jī)強(qiáng)化程度的提高, 對(duì)活塞耐熱性能的要求愈來愈高, 但是對(duì)于熱負(fù)荷較高的內(nèi)燃機(jī)活塞, 必須加強(qiáng)冷卻措施。3閉式循環(huán)冷卻及零部件在發(fā)動(dòng)機(jī)上的布置在這種循環(huán)冷卻方式中, 冷卻水在水泵的壓力下進(jìn)

7、行封閉循環(huán), 水泵出來的冷卻水經(jīng)機(jī)油冷卻器, 有時(shí)還有液力傳動(dòng)油散熱器和增壓空氣中冷器, 進(jìn)入機(jī)體各個(gè)氣缸周圍, 再由此向上冷卻氣缸蓋以后經(jīng)出水總管流出, 從出水總管流出的水先流到節(jié)溫器, 當(dāng)水溫較低時(shí), 節(jié)溫器控制水流不經(jīng)過散熱器而直接返回水泵的吸水端; 當(dāng)水溫較高時(shí), 則使冷卻水經(jīng)過散熱器后再返回水泵吸水端, 節(jié)溫器起作用的溫度約為8590。當(dāng)散熱器尺寸足夠時(shí), 通過節(jié)溫器的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用, 可使冷卻水溫度在上述溫度范圍內(nèi)基本維持恒定, 而不受發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的影響。冷卻水在一般蜂巢式散熱器(冷卻水箱 中受到空氣的再冷卻, 當(dāng)用空氣冷卻時(shí), 用風(fēng)扇將冷卻空氣吹過散熱器, 此風(fēng)扇可由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。

8、在小型發(fā)動(dòng)機(jī)上, 冷卻水泵大多用三角皮帶驅(qū)動(dòng), 發(fā)電機(jī)亦由此三角皮帶驅(qū)動(dòng)并同時(shí)用來調(diào)節(jié)皮帶的張緊程度, 能采用三角皮帶驅(qū)動(dòng)的條件是水泵布置在發(fā)動(dòng)機(jī)前上方的機(jī)體端面上。水泵這種布置方案的優(yōu)點(diǎn)是, 冷卻水能夠以最短的路程由水泵直接流入機(jī)體而毋需專門的管道, 此外在這種方案中, 風(fēng)扇葉片正好可以裝在水泵的三角皮帶輪的輪轂上而不需要另外的支承。若我們要求盡量縮短, 這, , 但將風(fēng)扇與水泵裝在一起也是有缺點(diǎn)的。因?yàn)檫@樣一來水泵和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速完全一樣。為了使噪聲不至于過大, 風(fēng)扇葉尖的圓周速度不允許超過7580m s , 風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速因此受到一定的限制, 致使水泵的轉(zhuǎn)速不可能得到有利的發(fā)揮。4散熱量的計(jì)算下

9、面我們就以閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)為例, 討論一下散熱量的計(jì)算。在設(shè)計(jì)或選用冷卻系統(tǒng)的部件時(shí), 就是以散入冷卻系統(tǒng)的熱量Q W 為原始數(shù)據(jù), 計(jì)算冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水量、冷卻空氣量, 以便設(shè)計(jì)或選用散熱器和風(fēng)扇。411冷卻系統(tǒng)散走的熱量冷卻系統(tǒng)散走的熱量Q W , 受許多復(fù)雜因素的影響, 很難精確計(jì)算, 初估Q W 時(shí), 可以用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:Q W =3600(kJ s (1式中:A 傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比, 對(duì)汽油機(jī):A =01230130; 對(duì)柴油機(jī)A =01180125g e 內(nèi)燃機(jī)燃料消耗率(kg k W h N e 內(nèi)燃機(jī)功率(k W h n 燃料低熱值(kJ kg 如果內(nèi)燃機(jī)

10、還有機(jī)油散熱器, 而且是水油散熱22Equ i pm en t M anufactu ring T echno logy N o 12, 2004器, 則傳入冷卻系統(tǒng)中的熱量, 也應(yīng)將傳入機(jī)油中的熱量計(jì)算在內(nèi)。則按(1 式計(jì)算的熱量Q W 值應(yīng)增大5%10%。一般把最大功率Ne m ax工況(額定工況 作為冷卻系統(tǒng)的計(jì)算工況, 但應(yīng)該對(duì)最大扭矩M e m ax工況進(jìn)行驗(yàn)算, 因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)可能形成蒸氣泡(由于氣缸體水套中壓力降低 和內(nèi)燃機(jī)過熱的現(xiàn)象。具有一般指標(biāo)的內(nèi)燃機(jī), 在額定工況時(shí), 柴油機(jī)g e 可取0121001270kg k W h , 汽油機(jī)g e 可取0130001340kg

11、k W h , 柴油和汽油的低熱值可分別取41870kJ kg 和43100kJ kg , 將此值代入公式(1 即得:汽油機(jī)Q W =(01851110 N e (kJ s 柴油機(jī)Q W =(01501178 N e (kJ s 對(duì)壓縮比較低燃燒室較不緊湊(例如側(cè)置氣門式 的汽油機(jī), 傳給冷卻系統(tǒng)的熱量多, Q W 應(yīng)取上限, 即Q W =(11001110 N e (kJ s ; 對(duì)于高壓縮比(>8 的汽油機(jī), 可取Q W =(01850N e s 。車用柴油機(jī)可取Q W e (機(jī)可取較大值。的冷卻作用, 加之單位功率的冷卻面積小, 可取Q W=(015016 N e (kJ s 。4

12、12冷卻水的循環(huán)量根據(jù)散入冷卻系統(tǒng)中的熱量, 可以算出冷卻水的循環(huán)量V W :V W =t W W c W(m 3 s (2式中:t W 冷卻水在內(nèi)燃機(jī)中循環(huán)時(shí)的容許溫升,對(duì)現(xiàn)代強(qiáng)制循環(huán)冷卻系, 可取t W =612;W 水的比重, 可近似取W =1000kg m 3; c W 水的比熱, 可近似取c W =41187kJ kg 。413冷卻空氣需要量冷卻空氣的需要量V a 一般根據(jù)散熱器的散熱量確定。散熱器的散熱量一般等于冷卻系統(tǒng)的散熱量Q W 。V a =t a a c p (m 3 s (3式中:t a 空氣進(jìn)入散熱器以前與通過散熱器以后的溫度差, 通常t a =1030;a 空氣的重度

13、, 一般a =1101kg m 3;c p 空氣定壓比熱, 可取c p =11047kJ kg 。5冷卻系統(tǒng)主要部件的選用下面我們根據(jù)前述散熱量的計(jì)算, 來討論一下如何選用合適的冷卻系統(tǒng)主要部件。511散熱器及其選用目前常用的散熱器芯部結(jié)構(gòu)分管片式和管帶式兩種。水管一般都是扁平形, 以減小空氣阻力, 增加傳熱面積, 減小凍裂的危險(xiǎn)。管外的大量散熱片或散熱帶是為了增加對(duì)空氣的傳熱面積。管片式結(jié)構(gòu)由于剛度好、耐壓高, 目前廣泛采用。它的缺點(diǎn)是制造工藝比較復(fù)雜, 管帶式結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度則不如管片式, 但零件數(shù)少, 制造方便, 散熱效果好。傳熱系數(shù)K S 是評(píng)價(jià)散熱器散熱效能的重要參數(shù), 1時(shí), 每1m

14、 。, 減少尺寸和材料, 、水管中冷卻水的流速、通過散熱器的空氣流速、管片材料以及制造質(zhì)量(特別是焊接質(zhì)量 等許多因素的影響。散熱器的另一質(zhì)量指標(biāo)是空氣阻力P K , 它主要取決于散熱芯的結(jié)構(gòu)和尺寸, 散熱器的傳熱系數(shù)K S 和空氣阻力P K , 只能通過專門的試驗(yàn)才能確定。選用散熱器時(shí), 除了考慮外形尺寸外, 主要根據(jù)散熱芯與空氣接觸的總表面積, 即所謂散熱面積F s , 它可按下式估算F s =K s t(m 2 (4式中:Q w 冷卻系統(tǒng)散走的散熱量, 按式(1 計(jì)算K s 散熱器的傳熱系數(shù)t 散熱器中冷卻水與冷卻空氣平均溫度差512水泵及其選用內(nèi)燃機(jī)的冷卻系統(tǒng)一般都用離心式水泵, 并與

15、軸流式風(fēng)扇同軸, 通過三角皮帶傳動(dòng)。水泵的結(jié)構(gòu)中, 影響可靠性的關(guān)鍵是水封。目前采用的水封結(jié)構(gòu)都是一種機(jī)械密封, 利用浮動(dòng)密封片與密封環(huán)之間的滑動(dòng)起密封作用。因此滑動(dòng)面要互相研磨, 且要有必要的壓力, 水泵葉輪、殼體和皮帶輪一般用鑄鐵鑄造。水泵軸承現(xiàn)在大多用結(jié)構(gòu)緊湊的軸連軸承, 這種軸承工作過程中不必再加油潤滑, 使用方便。水泵主要根據(jù)所需的泵水量和泵水壓力來選擇。泵水量V b 可根據(jù)冷卻水循環(huán)量V W , 按下式初步確定32裝備制造技術(shù)2004年第2期V b =V S(m 3 s (5式中:V W 冷卻水循環(huán)量, 按式(2 計(jì)算V S 水泵的容積效率, 主要考慮水泵中冷卻水的泄漏, 一般V

16、S =018019選擇水泵具體尺寸時(shí), 還要考慮結(jié)構(gòu)尺寸和水泵轉(zhuǎn)速對(duì)泵水量和泵水壓力的影響。513風(fēng)扇及其選用水冷卻系統(tǒng)基本上采用軸流式風(fēng)扇, 因?yàn)樗Y(jié)構(gòu)簡單, 在系統(tǒng)布置方便, 在低壓頭下扇風(fēng)量大。采用增強(qiáng)尼龍制造的風(fēng)扇, 可以用比較理想的葉片斷面形狀, 效率高。選擇和設(shè)計(jì)冷卻風(fēng)扇葉輪時(shí), 主要依據(jù)所要求的扇風(fēng)量和風(fēng)壓。51311風(fēng)扇的扇風(fēng)量V f , 按下式計(jì)算V f =vf(m 3 s (6式中:V a 冷卻空氣需要量, 按式(3 計(jì)算vf 風(fēng)扇的容積率, 罩之間的間隙=951312P f 力, 試驗(yàn)表明, 一般f (1152 , P k =3050(kg m 2選擇風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)參數(shù)和轉(zhuǎn)速

17、時(shí), 還要考慮風(fēng)扇的扇風(fēng)量和風(fēng)壓的影響因素。6結(jié)論綜上所述, 冷卻系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證內(nèi)燃機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作, 一個(gè)良好的冷卻系統(tǒng),應(yīng)滿足下列各項(xiàng)要求:(1 散熱能力能滿足內(nèi)燃機(jī)在各種工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的需要, 當(dāng)工況和環(huán)境條件變化時(shí), 仍能保證內(nèi)燃機(jī)可靠地工作和維持最佳的冷卻水溫度;(2 冷卻系統(tǒng)消耗功率小, 起動(dòng)后, 能在短時(shí)期內(nèi)達(dá)到正常工作溫度;(3 體積小, 重量輕, 又便于拆裝、維修; (4 使用可靠, 壽命長, 制造成本低。冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)雖然并不一定是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人員的任務(wù), 但因發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和使用可靠性與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系很大, 故發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)人員也必須熟悉這方面的內(nèi)容。參考文

18、獻(xiàn):1西德H 梅梯格1高速內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)M 1北京:機(jī)械, 1981M 1內(nèi)燃, , 楊連生1內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)M 1北京:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社, 198014內(nèi)燃機(jī)1中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì), 20021215東北工學(xué)院, 李詩久1工程流體力學(xué)M 1北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 198916李斯特1工程熱力學(xué)M 1北京:化學(xué)工業(yè)出版社,19901D esign for Cooli ng System of Eng i ne and Calculation of Heat rad i ationZHAN G J ie(L iuzhou W u ling A u tom ob ile Co . L td , L iuzhou M ach inery P lan t , L iuzhou 545005, Ch ina Abstract :In the p aper , the au tho r in troduces the coo ling system of the in ternal 2com bu sti on engine and analyses the advan tages and disadvan tages of differen t system s , w h ich facilitate des