发动机冷却系统设计.ppt

一、简述发动机冷却系统设计及散热量的计算： 内燃机运转时，与高温燃气相接触的零件受到强烈的加热，如不加以适 当的冷却，会使内燃机过热，充气系数下降，燃烧不正常 (爆燃、早燃等 )， 机油变质和烧损，零件的摩擦和磨损加剧，引起内燃机的动力性、经济性、 可靠性和耐久性全面恶化。但是，如果冷却过强，汽油机混合气形成不良， 机油被燃油稀释，柴油机工作粗暴，散热损失和摩擦损失增加，零件的磨损 加剧，也会使内燃机工作变坏。因此，选择适当的冷却型式和冷却介质也成 为设计发动机的关键。 1 冷却介质 水：具有良好的热容量 (比热大 )，与壁面之间的换热系数较高，而且一般说来，也是 比较便宜和随手可得的，这也就是水冷方式目前得到广泛应用的原因。冷却本身还要 通过空气一水热变换器 (冷却水箱 )再进行冷却。 空气：空气来作为冷却介质。但由于空气与壁面的热交换数较小，必须加大内燃机上 的冷却面积才能保证有效的冷却，这当然要在结构设计上付出一定的代价。 高温介质：如乙二醉 (沸腾温度 1800C )来代替水作为冷却介质，但由于乙二醇与水相 比有比热小、导热系数低和粘度高等一系列缺点，因而其散热效果也不及水冷却系， 所以这种冷却形式在目前一般用途的内燃机中已不再使用。 2 冷却型式： 2.1 水冷：在水冷内燃机上，采用一个循环水泵迫使冷却水流过气缸套和气缸盖需要 冷却的部分，通过适当布置导水管或采用其他导流措施，可以对热负荷很严重的部分 (气门间的鼻梁区、气缸套上缘等 )实现有效的冷却。 2.1.1 蒸发冷却：在 开式冷却系统中，利用水的汽化潜热 (其值在 100 时 2258kj/kg) 可以达到良好的冷却效果。根据燃油耗率和通过冷却水所带走的热量比例，可以估算 出这种冷却方式需消耗的冷却水量为 1-3L/kWh。这种冷却方式主要用于一些老式的小 型内燃机上。 2.1.2 开式循环冷却：在开式循环水冷却方式中，冷却水连同带走的热量重新流回 江湖中去。因为自然界的水一般处于低温状态 (最高 35 )，为了防止热应力过大，内 燃机的进出口温度又不允许太高 (仅允许 20 左右 )，致使在这种冷却方式下内燃机总 是在比较冷的状态下运转。因此实际上经常应用的是一种属于半开式循环的混合冷却 方式，在这种冷却方式中，为了保持预先规定的温度状态，仅一部分水参与开式循环。 2.1.3 闭式循环冷却：汽车发动机大部分采用此种冷却型式，将在后面具体讨论。 2.1.4 压力冷却：当散热器和贮水箱都与大气相通时，冷却介质处于大气压力的作 用下，压力式冷却方式的优点是可以通过提高冷却水温度 (如 120 )来缩小散热器的尺 寸。它的缺点是密封比较困难，而且减少了内燃机进出口水的温差，这种冷却型式主 要应用在飞机内燃机上。 2.2 风冷：目前，风冷小型汽油机应用已十分普遍，一个突出的例子是所有摩托车几 乎都采用风冷汽油机作为动力，而且有些摩托车的风冷汽油机已达到很高的强化强度， 它的优点主要是使用方便和对环境适应性比较好。缺点是当空气中尘埃较多时 (如在 灰尘较多的条件下工作的农业机械等 )，如不对冷却空气事先滤清，就不能保证良好 的冷却效果，而且强化程度愈高，对进风道内空气的清洁程度要求也愈高。 2.3 活塞冷却：活塞顶部从燃烧室接受的热量，大部分是通过活塞环传给气缸壁的 (缸 壁外圆受到冷却 )，还有一小部分热量则通过活塞裙传到气缸壁或由飞溅至活塞底面 的机油带走。虽然随着内燃机强化程度的提高，对活塞耐热性能的要求愈来愈高，但 是对于热负荷较高的内燃机活塞，必须加强冷却措施。 3 闭式循环冷却及零部件在发动机上的布置：在这种循环冷却方式中，冷却水在水泵 的压力下进行封闭循环，水泵出来的冷却水经机油冷却器，有时还有液力传动油散热 器和增压空气中冷器，进人机体各个气缸周围，再由此向上冷却气缸盖以后经出水总 管流出，从出水总管流出的水先流到节温器，当水温较低时，节温器控制水流不经过 散热器而直接返回水泵的吸水端 ;当水温较高时，则使冷却水经过散热器后再返回水 泵吸水端，节温器起作用的温度约为 85C -90 C。当散热器尺寸足够时，通过节温 器的自动调节作用，可使冷却水温度在上述温度范围内基本维持恒定，而不受发动机 负荷的影响。冷却水在一般蜂巢式散热器 (冷却水箱 )中受到空气的再冷却，当用空气 冷却时，用风扇将冷却空气吹过散热器，此风扇可由发动机直接驱动。 在小型发 动机上，冷却水泵大多用三角皮带驱动，发电机亦由此三角皮带驱动并同 时用来调节皮带的张紧程度，能采用三角皮带驱动的条件是水泵布置在发动机前上方 的机体端面上。水泵这种布置方案的优点是，冷却水能够以最短的路程由水泵直接流 人机体而毋需专门的管道，此外在这种方案中，风扇叶片正好可以装在水泵的三角皮 带轮的轮毅上而不需要另外的支承。但是水泵装在机体的前端面上以后会影响发动机 的长度。若我们要求尽量缩短发动机长度时，则只能将水泵布置在发动机侧面，这 样一来，前述省管道和布置风扇比较方便的两项优点也就不存在了，但将风扇与水泵 装在一起也是有缺点的。因为这样一来水泵和风扇的转速完全一样。为了使噪声不至 于过大，风扇叶尖的圆周速度不允许超过 75-80m/s，风扇的转速因此受到一定的限 制，致使水泵的转速不可能得到有利的发挥。 4 散热最的计算： 下 面我们就以闭式循环冷却系统为例，讨论一下散热量的计算。 在设计或选用冷却系统的部件时，就是以散人冷却系统的热量 Qw为原始数据，计算 冷却系统的循环水量、冷却空气量，以便设计或选用散热器和风扇。 4.1 冷却系统散走的热， 冷却系统散走的热量 Qw ，受许多复杂因素的影响，很难精确计算，初估 Qw时，可 以用下列经验公式计算 : Qw =A*g*N*h/3600 (kJ/s) (1) 式中 :ge 内燃机燃料消耗率 (kg/kWh) N 内燃机功率 (kW) h 燃料低热值 (kJ/kg) A 传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比 ，对汽油机 :A = 0.23-0.30;对柴 油机 :A = 0.18-0.25; 如果内燃机还有机油散热器，而且是水油散热器，则传人冷却系统中的热量，也应 将传人机油中的热量计算在内。则按 (1)式计算的热量 Qw值应增大 5%一 10% 。 一般把最大功率 Nemax工况 (额定工况 )作为冷却系统的计算工况，但应该对最大扭 矩材 Memax工况进行验算，因为当转速降低时可能形成蒸气泡 (由于气缸体水套中压 力降低 )和内燃机过热的现象。