風(fēng)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、10 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，與高溫燃?xì)庀嘟佑|的零件受到強(qiáng)烈的加熱，如果不加以適當(dāng)?shù)睦鋮s，會(huì)使內(nèi)燃機(jī)過熱，充氣系數(shù)下降，燃燒不正常（爆燃、早燃），機(jī)油變質(zhì)和燒損，零件的摩擦和磨損加劇，引起發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性全面惡化。經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系帶走的熱量大約占燃料總熱量的25%30%左右。發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系根據(jù)所用冷卻介質(zhì)不同，分為風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)和水冷發(fā)動(dòng)機(jī)。摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)采用風(fēng)冷式的的居多，這使得發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕，使用和維修方便，避免了水冷式常見的故障，工作較為可靠，同時(shí)有起動(dòng)快、暖機(jī)快、氣缸磨損量小的優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，本設(shè)計(jì)采用自然風(fēng)冷式。10.1 風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱與散熱片在風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)中

2、，由氣缸內(nèi)燃?xì)庀蛲饨缋鋮s空氣的傳熱過程是一個(gè)很復(fù)雜的過程，為計(jì)算方便，可將這一過程分為三個(gè)階段：1） 從燃?xì)庀驓飧變?nèi)壁的傳熱；2） 從氣缸內(nèi)壁向外壁的導(dǎo)熱；3） 從氣缸外壁向冷卻空氣的傳熱。10.1.1從燃?xì)庀驓飧變?nèi)壁的傳熱發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的傳熱是一個(gè)復(fù)雜的過程。在進(jìn)氣過程中進(jìn)入氣缸內(nèi)的可燃混合氣，溫度低于缸壁的溫度，這時(shí)氣缸壁面將熱量傳給可燃混合氣。隨著缸內(nèi)混合氣被壓縮，其溫度不斷上升，開始由混合氣向壁面放熱，由于混合氣在氣缸中的運(yùn)動(dòng)，這一過程是一個(gè)復(fù)雜的對(duì)流換熱過程。在燃燒過程中產(chǎn)生的高溫燃?xì)猓@時(shí)除了對(duì)流放熱外，還有氣體輻射和火焰輻射，形成了更為復(fù)雜的燃?xì)庀驓飧變?nèi)壁的放熱過程。膨脹過程和排氣

3、過程中，由于燃?xì)鉁囟容^高，都是由燃?xì)庀驓飧妆诜艧?。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)的傳熱是對(duì)流換熱和輻射換熱的周期變化的過程。在每一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)，工質(zhì)向氣缸壁的傳熱量可用下式表示：式中 輻射放熱系數(shù)；接觸放熱系數(shù)；工質(zhì)瞬時(shí)溫度；缸壁表面溫度；F0與工質(zhì)接觸的缸壁面積。 放熱系數(shù)與工質(zhì)的速度、壓力、溫度以及壁面形狀和溫度等因素有關(guān)。可用下列經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行近似計(jì)算：式中 p燃?xì)馑矔r(shí)壓力；ta冷卻空氣溫度；Cm活塞平均速度。10.1.2從氣缸內(nèi)壁向外壁的導(dǎo)熱燃?xì)庀驓飧變?nèi)壁傳熱量，其方向與溫度下降的方向是一致的。假設(shè)沿氣缸高度和圓周方向都具有相同的溫度，則熱流具有徑向的方向。但是，溫度無(wú)論從高度和圓周均不相等。由于這種關(guān)系

4、，其熱流量實(shí)際上比賽徑向的，而是由三個(gè)分量組成，即徑向熱流、軸向熱流和切向熱流。在一般情況下，后二分量不大，兩者相加為頸項(xiàng)分量的1/51/10。因此，在大多數(shù)情況下，可以略去不計(jì)。當(dāng)氣缸的外徑與內(nèi)徑之比小于2時(shí)，則缸壁曲率的影響可以忽略不計(jì)，就可以根據(jù)平壁導(dǎo)熱公式計(jì)算由氣缸內(nèi)壁向外壁所傳導(dǎo)的熱量。式中 壁厚。10.1.3從氣缸外壁向冷卻空氣的傳熱當(dāng)沒有散熱片時(shí)，從氣缸外壁向外傳給冷卻空氣的熱量為：式中 氣缸外壁向冷卻空氣的放熱系數(shù)；氣缸外部冷卻空氣的溫度。10.1.4從氣缸內(nèi)燃?xì)庀驓飧淄饫鋮s空氣的總傳熱從氣缸內(nèi)燃?xì)庀驓飧淄饫鋮s空氣的總傳熱量為： 、分別為氣缸壁的傳熱熱阻、放熱熱阻和導(dǎo)熱熱阻。要

5、加強(qiáng)傳熱，就應(yīng)設(shè)法去減小某一個(gè)或所有串聯(lián)的熱阻。如果不能同時(shí)改變所有串聯(lián)的熱阻，就應(yīng)盡量改變?cè)诳偀嶙柚休^大的那個(gè)熱阻。在風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)中，為了增強(qiáng)傳熱效果，在氣缸和氣缸蓋的外表面都裝有散熱片，用以擴(kuò)大散熱面積。這時(shí)，在穩(wěn)定工況下，整個(gè)等溫面所傳遞的總熱量Q仍然沿途不變，但是氣缸內(nèi)壁的面積和裝有散熱片的氣缸外壁的面積不等，因此，單位面積的熱量不再沿途保持不變。如對(duì)散熱片的附加熱阻忽略不計(jì)，并設(shè)整個(gè)散熱面F維持在溫度t2,則在這樣情況下， 氣缸內(nèi)壁每單位面積的熱流量為：在此情況下，總傳熱系數(shù)為：對(duì)氣缸外表面（有散熱片）來說，則總傳熱系數(shù)為：散熱片的傳熱 冷卻空氣與散熱表面之間的換熱過程是液體與固體壁面

6、直接接觸的對(duì)流換熱。散熱片向冷卻空氣的換熱量，除了和散熱片本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)外，很大程度上取決于它周圍的流場(chǎng)分布情況。 冷卻空氣流過兩面三刀相鄰散熱片，可看作空氣流過平板的流動(dòng)過程。在兩相鄰散熱片間的氣流由氣流中心和兩個(gè)層流附面層組成，氣流中心的流動(dòng)情況隨冷卻空氣流速而變化，一般為紊流，其平均速度較高，而附面層流速成較低。層流層中熱交換以熱傳導(dǎo)為主，而空氣導(dǎo)熱性很差，所以 附面層愈薄，氣流中心層愈厚時(shí)，由散熱片向氣流的散熱就愈強(qiáng)，反之則愈弱。因而往往以臨界附面層的厚度來限制散熱片的間隙。在空氣流速為40m/s時(shí)，兩附面層的總厚度約為2mm，因而若設(shè)計(jì)散熱片間距小于2.5mm，散熱效率就會(huì)明顯下

7、降。 由散熱片向空氣的換熱量，一般可用下式表示：Q=fF(tm-ta)式中，F(xiàn)散熱片表面積； f散熱片的放熱系數(shù)； tm 散熱片的平均溫度； ta冷卻空氣的溫度。10.1.6散熱片的設(shè)計(jì)風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸外壁和散熱片向冷卻空氣的散熱，主要是靠散熱片的散熱，要使發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠，必須進(jìn)行冷卻，使其保持一定的溫度狀態(tài)，并根據(jù)散熱片向冷卻空氣散發(fā)的熱量進(jìn)行散熱片的合理計(jì)算。散熱片的設(shè)計(jì)要求是：當(dāng)冷卻空氣通過時(shí)，所設(shè)計(jì)的散熱片，空氣阻力要最小；制造散熱片的材料應(yīng)具備良好的導(dǎo)熱性能，以取得較高的散熱效率；盡量節(jié)省散熱材料；散熱片要有一定的機(jī)械強(qiáng)度，且便于制造。散熱片的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖8-1，圖中L為散熱片的高

8、度，P為散熱片的節(jié)距，S為散熱片的間距，為散熱片的厚度?，F(xiàn)代風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱片的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及散熱片尺寸見表12-1。表12-1 散熱片主要結(jié)構(gòu)參數(shù)散熱片結(jié)構(gòu)參數(shù)鑄鐵鋁合金氣缸體氣缸蓋氣缸體氣缸蓋散熱片高度l1430155015351575散熱片節(jié)距p6126123.583.58兩散熱片間距S48482626散熱片厚度24241.52.51.52.5散熱片的斷面形狀有拋物線形、三角形、矩形和梯形。從傳熱角度考慮，最理想的的是拋物線形；但鑒于散熱片剖面形狀對(duì)散熱效率影響不大（一般不超過8%），因此選用時(shí)往往主要考慮結(jié)構(gòu)、工藝上的可能性。通常采用梯形和矩形散熱片，其中采用梯形的最多。因此，采用梯形

9、散熱片。散熱片高度的設(shè)計(jì)，不僅受到發(fā)動(dòng)機(jī)總體尺寸的限制，而且也受到材料導(dǎo)熱性能的影響。一般在不增加總體尺寸的前提下，其高度尺寸應(yīng)盡可能大些，但是當(dāng)制造散熱片的金屬材料的導(dǎo)熱性能較差時(shí)，往往過高的散熱片并不能起到良好的冷卻效果，因此對(duì)散熱片的高度有一定的限制。散熱片的節(jié)距對(duì)散熱效果影響較大，采用較小的節(jié)距，可以使散熱面積增加。但是，過小的散熱片節(jié)距，不一定能達(dá)到良好的冷卻效果，因?yàn)楫?dāng)節(jié)距過小時(shí)，空氣阻力增加，相鄰散熱片之間氣體層流靠近，湍流層減薄，使散熱片效果變差。在設(shè)計(jì)中，其節(jié)距可設(shè)計(jì)成相等的或者不相等的。10.2散熱片的傳熱計(jì)算在風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)中，散熱問題是一個(gè)很重要有復(fù)雜的問題。要對(duì)氣缸散熱片

10、的放熱量作精確的計(jì)算，特別是氣道空氣阻力的計(jì)算，是非常困難的。10.2.1冷卻介質(zhì)必須帶走的熱量及所需冷卻空氣的估算為了使發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行必要的冷卻，使它保持一定的溫度狀態(tài)。由冷卻空氣帶走的熱量由下列經(jīng)驗(yàn)公式估算：=（kJ/s） 式中 A傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分?jǐn)?shù)，摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)多采用汽油機(jī)，A=0.200.27,取0.25b燃料消耗率（kg/kw·h）Pe功率（kW）Hu燃料低熱值，41200已知所需散出熱量后，就可估算所需要的冷卻空氣量。 =（kg/s）式中cp 空氣定壓比熱容，取1.047;ta1流向氣缸的冷卻空氣的溫度；ta2離開氣缸的冷卻空氣的溫度。

11、設(shè)為空氣的密度，則得到冷卻空氣的容積流量：=（m3/s）10.2.2氣缸散熱性能的估算在散熱片結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)以后，應(yīng)該驗(yàn)算氣缸的散熱量，檢驗(yàn)其能否與所需散熱量相適應(yīng)。散熱面平均換熱系數(shù)為：=式中 vf冷卻風(fēng)速，取20m/s； 散熱片高度，取30mm； 散熱片節(jié)距，取50mm。當(dāng)量換熱系數(shù)為：式中散熱片材料的熱導(dǎo)率，鋁合金為525630散熱片當(dāng)量高度；雙曲函數(shù)，見表8-2。換熱系數(shù)計(jì)算后，則氣缸散熱量為為氣缸蓋散熱量為氣缸體散熱量 式中 氣缸蓋和氣缸體外壁基本表面積，即未布置散熱片時(shí)的表面積氣缸蓋和氣缸體散熱片根部的平均溫度，通常取鋁合金，。冷卻風(fēng)道中冷卻空氣的平均溫度；散熱片通道空氣出口溫度；流

12、過散熱片通道時(shí)，冷卻空氣的溫升，氣缸蓋為，氣缸體為，一般估算時(shí)，取為；氣缸數(shù)。表10-2 雙曲函數(shù)0.00.00001.50.90523.00.99514.50.99980.10.09971.60.92173.10.99604.60.99980.20.19741.70.93543.20.99674.70.99990.30.29131.80.94683.30.99734.80.99990.40.37991.90.95623.40.99784.90.99990.50.46212.00.96403.50.99825.00.99990.60.53712.10.97043.60.99855.10.99990.70.60442.20.97573.70.99885.20.99990.80.66402.30.98013.80.99905.31.00000.90.71632.40.98373.90