發(fā)動機水冷卻系統(tǒng)

1、水冷發(fā)動機冷卻系統(tǒng)為了保證發(fā)動機的工作可靠性，降低其熱負荷，必須加強它的冷卻散熱。發(fā)動機 主要依靠其冷卻系統(tǒng)來保證自身在工作過程中得到適度的冷卻。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的功 用就是把發(fā)動機傳出來的熱，及時散發(fā)到周圍環(huán)境中去，使發(fā)動機具有町靠而有效的 熱狀態(tài)?，F(xiàn)代完善的冷卻系統(tǒng)，可以使發(fā)動機在各種不同環(huán)境溫度和運轉(zhuǎn)工況下具有 最佳的熱狀態(tài)，既不過熱，也不過冷。發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)按照傳熱介質(zhì)來分類可以分 為以水為傳熱介質(zhì)的水冷型冷卻系，以空氣為傳熱介質(zhì)的風(fēng)冷型冷卻系，以油（如機 油等）為傳熱介質(zhì)的油冷型冷卻系z2332o現(xiàn)代汽車發(fā)動機，尤其是轎乍發(fā)動機普遍 采用的是水冷型的冷卻系。在水冷型冷卻系屮，如果按照

2、傳熱方式來分類，有單相傳 熱和兩相傳熱兩種方式，前者為人們通常所說的水冷型冷卻系，示者稱為蒸發(fā)式冷卻 系。汽千發(fā)動機的水冷系統(tǒng)均為強制水冷系統(tǒng)，即利用水泵提高冷卻液的壓力，強制 冷卻液在發(fā)動機中循環(huán)流動。這種系統(tǒng)的組成主要包括:水泵、散熱器、冷卻風(fēng)扇、 節(jié)溫器、補償水箱、發(fā)動機冷卻水套以及附加裝置等。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)冷卻液在冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)路徑:冷卻液經(jīng)水泵增壓后，進入發(fā) 動機缸體水套，冷卻液從水套壁周圍流過并吸熱而升溫。然后向上流入缸蓋水套，從 缸蓋水套壁吸熱后經(jīng)節(jié)溫器（對于該型號發(fā)動機，當(dāng)出水溫度低于82°c時，進行小 循環(huán)，這時節(jié)溫器將冷卻液流向散熱器的通道關(guān)閉，使冷卻液經(jīng)水泵入

3、口直接流入缸 體或氣缸蓋水套，以便使冷卻液能夠迅速升溫。當(dāng)高于82' c時，水經(jīng)過散熱器而進 行的循環(huán)流動，從而使水溫降低。燃示冋到水泵，如此循環(huán)不止（如圖2丄1所示）。 冷卻液隨發(fā)動機的不同而不一樣。冷卻液用水最好是軟水，否則將在發(fā)動機水套 中產(chǎn)生水垢，使傳熱受阻，易造成發(fā)動機過熱。純凈水在0°c時結(jié)冰。如果發(fā)動機冷卻系統(tǒng) 中的水結(jié)冰，將使冷卻水終止循環(huán)引起發(fā)動機過熱。尤其嚴重的是水結(jié)冰時體 積膨脹，對能將缸體、氣缸蓋和散熱器脹裂。為了適應(yīng)冬季行車的需耍，在水中加入 防凍劑制成冷卻液以防止循環(huán)冷卻水的凍結(jié)。最常用的防凍劑是乙二醇。冷卻液屮水 與乙二醇的比例不同，其冰點也不同

4、。50%的水與50%的乙二醇混合而成的冷卻液， 其冰點約為一 35.5oc。本文中發(fā)動機所用的是復(fù)合型三防長效冷卻液，沸點不低于107 °c,冰點不高于一 35°c。因此，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計要求是要保證對冷卻液溫度的要求，現(xiàn)代發(fā)動機的 冷卻系統(tǒng)設(shè)計趨向于在實現(xiàn)高的冷卻能力的同吋，使整個冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更緊湊、消 耗功率小、減小系統(tǒng)阻力。發(fā)動機冷卻循壞示意圖缸蓋水耆i紅休水倉i=ffl 2.1.1強制艄環(huán)朮冷系統(tǒng)凈卻循環(huán)示意圖收d卻iflsj小 冷水于行 當(dāng)出小進環(huán)2.2發(fā)動機冷卻水套的冷卻與傳熱在發(fā)動機的冷卻過程中，缸體和缸蓋的受熱部件的冷卻主要靠水套內(nèi)冷卻液的流動帶走熱量

5、 來實現(xiàn)，所以冷卻水套的冷卻能力是非常關(guān)鍵的，它直接影響到發(fā)動機的工作町靠性、動力 性以及經(jīng)濟性。發(fā)動機冷卻水套內(nèi)的傳熱，是冷卻水套壁而傳熱給冷卻液。水套的水側(cè)壁而 的溫度對于冷卻液與缸體（缸蓋）捲面zi'可的傳熱起著重要的作用，在一定條件下，決定著放 熱過程的性質(zhì)#。氣缸蓋內(nèi)冷卻水套的傳熱，是冷卻水套壁面放熱給冷卻水，冷卻水套壁 面溫度介對于冷卻水與缸蓋壁面以及與缸蓋火力面z間的傳熱起著重要的作用;在一定條件 卜決定著放熱過程的性質(zhì)，包括單相流體（冷卻水）的自然對流換熱和沸騰傳熱b<2 ” < im& t/c箱蓋水套中溫差與熱流密度的關(guān)系圖由試驗發(fā)現(xiàn)，隨著缸蓋內(nèi)水

6、套壁面溫度t二與水套內(nèi)水的飽和溫度t、之差 t（=t二一 ts）的 變化，水套內(nèi)可發(fā)生自然對流傳熱泡態(tài)沸騰（或稱核態(tài)沸騰）傳熱和膜態(tài)沸騰傳熱，傳遞的 熱流密度q與zt的關(guān)系曲線,如圖221所示冰套內(nèi)壓1.013> lo5pa）o由圖2.2 nj見： 當(dāng)冷卻水的流速較低，水套壁溫t二與冷卻水的飽和溫度t '之差t<5°c時，山壁面?zhèn)髦晾?卻水的熱流是依靠白然對流換熱傳輸?shù)?。見圖221中的a3段。此時傳熱速率很低。當(dāng)t 憐=101oc時，。七5x10' w/m,o當(dāng)水套壁溫t r>to （at>5 'c）時，壁面上便開始出現(xiàn)人 量氣泡;這些

7、氣泡離開壁面乂消失在水屮，在水屮產(chǎn)生劇烈擾動，從而使傳熱顯著增強這種 現(xiàn)彖稱為泡態(tài)沸騰（或稱核態(tài)沸騰）傳熱（圖2.2.ibc段）0當(dāng)t二=125 145°c吋，熱流密度q 達到最大。約為145又lo4w/mz（圖上e點）。當(dāng)t z>125 145°c時，隨著溫差厶（稱為沸騰 勢）的進一步升高，氣泡形成速度更快，氣泡數(shù)口劇增，并相互匯合而在水側(cè)壁面上形成一層氣膜，熱雖由壁面?zhèn)髦了斜仨毻ㄟ^這層氣膜。由于較大的氣膜熱阻而使傳熱速率降低, 這種現(xiàn)象稱為過渡沸騰傳熱(圖221屮cd段);在過渡沸騰階段，開始一段，壁面上形成的 氣膜層是不穩(wěn)定的，它不斷裂開而形成較大的氣泡后離開

8、壁血.然后在原地乂形成新的氣膜 層;當(dāng)壁而溫度t二升高到約250°c時，氣膜形成達到穩(wěn)定狀態(tài)(圖2.2.id點)0并從此時開始, 過渡沸騰轉(zhuǎn)化為膜態(tài)沸騰(圖2.2.ide段)，在壁面上形成穩(wěn)定的氣膜層，在這個階段，水側(cè) 壁面溫度是相當(dāng)高的，最高可超過400°c,而火力面溫度將會更高，其至達到不能允許的地 步?？疾靾D2.2.1,如果自c點起,繼續(xù)增高沸騰勢亦即提高水套壁面溫度t,則將出 現(xiàn)過渡沸騰甚至膜態(tài)沸騰，造成火力血溫度很高，以致發(fā)牛:壁血燒損。因此，c點是臨界熱 負荷點。該點的水腔壁面溫度約125 145°c，該處的放熱系數(shù)(乂稱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù))和熱流 密度，通

9、稱為臨界放熱系數(shù)h和臨界熱流密度qo在水套內(nèi)的壓力為一個人氣壓力時， h=5.szxlo4w/(m, °c),q=145xlo4w/m,。因此在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計中要特別注意：保證氣缸蓋火力面溫度在允許溫度375°c以下。(2)缸蓋內(nèi)冷卻水套的樂面溫度-般不應(yīng)超過120 145°c。缸蓋的冷卻傳熱，包括兩種性質(zhì)不同的傳熱過程，即無相變的對流傳熱和泡態(tài)沸騰(或稱核 態(tài)沸騰)傳熱。后者的傳熱強度要比前者大得多。這兩種傳熱過程應(yīng)用于各種類型、不同功 率人小的內(nèi)燃機氣缸蓋的冷卻傳熱中。般汽油機和中、小型低強化水冷式柴油機氣缸蓋，山于熱負荷不是太大，一般采用對流傳 熱進行冷

10、卻。陽大功率、高強化柴油機氣缸蓋，除其中部的鬲溫區(qū)域z外，也均為對流冷卻 傳熱。對于“鼻梁區(qū)”(“鼻梁區(qū)”是指汽汕機氣缸蓋進氣門和排氣門朋之間的區(qū)域)和噴汕 器座等中部區(qū)域，由于該區(qū)域的冷卻套的壁面溫度較高，因此，一燉是泡態(tài)沸騰傳熱，這種 傳熱過程，傳遞的熱流率足夠大，可有效降低氣缸蓋的火力面溫度。研究表明，一般情況下，缸體水套內(nèi)不會出現(xiàn)泡態(tài)沸騰，其傳熱過程基本上是無相變的對流 傳熱過程。根據(jù)對流換熱原理，在水套的壁而上有一層很薄的溫度邊界層，該邊界層與壁面 接觸的一側(cè)可認為溫度是(二，該邊界層與冷卻液接觸的一側(cè)可認為溫度是t:。那么基于上 述條件，通過溫度邊界的熱流密度q(vv/m,)可以表

11、示為：q=x/8 (式中:t二一 t:=zt為沸騰勢，單位k;兄為邊界層導(dǎo)熱系數(shù)，單位w/(mz.k);占'為溫度邊界層厚度，單位im因為在水套中壓力一定的條件下，飽和溫度t：是一定的，所以降低沸騰勢實際 上是降低水側(cè)壁面的溫度t二，在熱流密度q定的條件下，隨著t卩的降低，也就是 降低了金屬熱面的溫度水平，改善其熱狀況，保證工作可靠性。影響沸騰勢的主要因素有:水套壁面的表血狀況、水流速度和水流方向。下血分別說明。(i) 水側(cè)壁而的表而狀況影響。試驗結(jié)呆表明，壁而越光滑，則沸騰勢越低。在相同沸 騰勢條件下，經(jīng)過加工的鑄鐵平板的熱流密度較高，因此在強化程度較高的發(fā)動機 中，對于熱負荷較高的

12、零件，其冷卻水側(cè)壁曲最好能給予適當(dāng)?shù)臋C械加丁，獲得較 低的沸騰勢，降低水套的水側(cè)壁溫t二。此外，由于內(nèi)燃機受熱零部件的冷卻血通 常是鑄造面，其上常常會附著或械入鑄造芯砂，因此在表面容易形成一層銹膜，由 于沸騰勢會因表而生銹、侵蝕或生成水垢及其它沉積物而升高，因此可在冷卻液屮 添加乙二醇或其它防銹劑來降低沸騰勢。(ii) 冷卻液流速的影響。提高冷卻液的流速可以降低沸騰勢。但是大量試驗結(jié)果表明， 對于現(xiàn)代柴油機而言，提高水套內(nèi)的冷卻液流速，対于改善水套的能力并非最有力 的。但是從迅速帶走水套內(nèi)的氣泡、防止金屈微粒沉積以及防止產(chǎn)牛局部冷卻液低 流速區(qū)而形成過熱點等方面考慮，還是要保證水套內(nèi)的冷卻液具

13、冇足夠的流速。一 般來說，水套內(nèi)的冷卻液流速度不要低于o.3ni/(ill)冷卻液流動方向的影響。在熱流量過大時，局部地區(qū)用定向水流來冷卻，能有效地 降低沸騰勢。這一結(jié)果冃前廣泛用于高強化柴油機氣缸蓋“鼻梁區(qū)”的冷卻。在熱 負荷高的缸蓋水套屮，在局部熱流較人區(qū)域，利用噴管或起截流作用的水道形成冷 卻液的定向流動，有效地提高換熱量，降低沸騰勢，從而降低缸蓋冷卻液側(cè)的壁面 溫度t牙，保證缸蓋工作的可靠性。2.3冷卻水套結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則發(fā)動機冷卻水套內(nèi)冷卻液的流動方式取決于缸蓋的具體結(jié)構(gòu)及具熱負荷等。為了確保水 套的冷卻能力，冷卻水套的設(shè)計主要工作之一就是要保證缸蓋的冷卻。因此，在設(shè)計冷卻水 套的結(jié)構(gòu)

14、時，要合理布置水道和組織冷卻水流，避免出現(xiàn)流動死區(qū)。同時，還要采取扭施加 強對局部高溫區(qū)域的冷卻。由于水冷式氣缸蓋的溫度分布是很不均勻的，“鼻梁區(qū)”、噴油器 座等部位的溫度最高，為了降低整個氣缸蓋的溫度水平，使其溫度分布較均勻，應(yīng)對高溫區(qū) 域采取適當(dāng)?shù)姆椒?，?yōu)先集中冷卻。2.3.1冷卻水套內(nèi)冷卻液的流動形式發(fā)動機水套內(nèi)冷卻液的流動形式通常設(shè)計為縱向流動、橫向流動和混合流動三種。近年 來為了滿足轎車暖車要求，出現(xiàn)了分體冷卻的冷卻方式，即缸體水套和缸蓋水套內(nèi)冷卻液流 動是兩個和互獨立的流動形式。同時，為了加強缸蓋水套的冷卻，在缸蓋水套的設(shè)計中采用 了 u型流動和螺旋u型流動的冷卻液流動形式#01。

15、1. 縱向流動對于采用整體式氣缸蓋的小功率發(fā)動機，冷卻液多采用縱向流動方式:冷卻液從缸體前端進入，向后依次流經(jīng)各缸直至最后一缸，z后再從各缸向上流入氣缸蓋，然后從氣缸蓋后端流出。本論文cfd計算所用的發(fā)動機采用的就是這種冷卻方式。2. 橫向流動對于強化程度較高的柴汕機或單體式氣缸蓋，柴汕機一般采用橫流方式:在缸體長度方向有總布水道，分別流入各缸，然后再由各缸向上流入氣缸蓋。氣缸蓋分布若 干個水孔，冷卻液在排氣管側(cè)上方引出，便于帶走氣泡。這種冷卻流動方式，能加強 對氣缸蓋高溫區(qū)域的冷卻，特別對組織“鼻梁區(qū)”的冷卻較為方便。并使各部位冷卻 較為均勻，從而有利于降低熱應(yīng)力，故在人功率柴汕機上應(yīng)用比較

16、廣泛。3. 混合流動分開式和直接噴射式燃燒室柴油機，一燉采用混合流動形式，即約2/3的水量在缸體內(nèi)縱向流動，或由缸體進入氣缸蓋，或每缸分別向上流動。另外1/3的水量肓接 導(dǎo)入燃燒室和鼻梁區(qū)附近。対于大功率中速柴油機或高增壓度的發(fā)動機的氣缸缸蓋， 在水套內(nèi)宜布宜擋水板或屮隔板，使冷卻水涌向氣缸蓋屮部，并靠底面流動，以加強 中部高溫區(qū)的冷卻。4. 分體冷卻的冷卻方式上血提到的三種冷卻方式的缸體和缸蓋水套都是相連通的。但對于分體冷卻方式而言， 它的缸體水套和缸蓋水套之間是不相通的，亦即從水泵來的冷卻液在水泵出口就分成兩路, 分別流入缸體和缸蓋水套，然后再從各口的出口分別流出，整個流動過程中，兩股冷卻

17、液并 不摻混。采用分體冷卻方式為實現(xiàn)對缸體水套內(nèi)冷卻液何時流入外循環(huán)冷卻系統(tǒng)進行控制創(chuàng) 造了結(jié)構(gòu)上的條件。在發(fā)動機暖車過程中，通過控制系統(tǒng)使缸體冷卻液不參與外循環(huán)流動而 是只在缸體水套內(nèi)流動，使缸體水套內(nèi)的冷卻液溫度迅速升高，從而降低腹車過程小的燃油 耗，縮短暖車時間。5. u型流動及螺旋u型流動采用u型流動及螺旋u型流動的h的是為了加強缸蓋鼻梁區(qū)和排氣道側(cè)的冷卻。圖2.3.1 為某發(fā)動機缸蓋排氣道側(cè)水套內(nèi)冷卻液流動的示意圖。圖屮的缸蓋底平面水套的一部分冷卻 液經(jīng)兩排氣門之間的水套流到缸蓋頂平血，形成圖中的u型流動，起到了加強排氣門之間 冷卻的作用;1佃來口缸蓋底平而水套的另一部分冷卻液則經(jīng)過

18、排氣道底部水套流入頂部水 套，與頂部其它冷卻液匯集示經(jīng)兩缸之間的連接流入下一缸，形成圖屮所不的螺旋u型流 動，該流動主要是加強了缸蓋排氣道周圍的冷卻。本論文所用的模型排氣道側(cè)的冷卻便是這種冷卻形式。缸體和缸蓋冷卻水套的設(shè)計，通常是根據(jù)冷卻需要采用多種冷卻液流動形式和結(jié)合的方式, 其冃的就是更好的利用組織冷卻液的流動，加強發(fā)動機的冷卻，使發(fā)動機能夠更好的工作。232缸蓋水套的設(shè)計原則各類水冷式內(nèi)燃機，傳給冷卻水的全部熱量的50% 65%是通過氣缸蓋傳出的。 因此，氣缸蓋的溫度水平是相當(dāng)高的。缸蓋水套在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計原則是:對高溫區(qū)域 采取適當(dāng)?shù)姆椒?，?yōu)先集中冷卻。體現(xiàn)在水冷發(fā)動機上便是對“鼻梁區(qū)”

19、和噴油器座 等高溫部位加強冷卻。其結(jié)構(gòu)設(shè)計原則如下42, 13860:1. 屮小型高速發(fā)動機氣缸蓋，一般采川冷卻水道孔、導(dǎo)流板或鑄管等措施，對氣 門座“鼻梁區(qū)”、噴油器座或燃燒室壁進行冷卻散熱。2. 對于采用雙層底板結(jié)構(gòu)的人功率中速柴油機氣缸蓋，冷卻水應(yīng)先冷卻缸蓋底 面，再環(huán)流冷卻噴油器座周圍。3注意氣缸蓋冷卻水孔的布置、水流動型式和進、出水孔尺寸的合理選擇。-般 來說，水孔位迸、水孔（水道）數(shù)目和具尺寸，應(yīng)以最后通過試驗確定為宜。4.冷卻水孔布置1）水孔布置應(yīng)與冷卻系統(tǒng)型式及其布置方案良好的配合。采用沸騰換熱冷卻方 案時，缸蓋至蒸發(fā)沸騰箱之間，水孔宜人，便于冷卻水的對流和蒸氣的排出。2）般進

20、水口位置，宜靠近高溫區(qū)。排氣道附近應(yīng)布置進水孔;在氣門座、噴 油器座或燃燒室三角地帶的局部高溫區(qū)，采用噴水導(dǎo)管或隔板引水冷卻方法。對于整體式和連體式氣缸蓋的進水道，可適當(dāng)設(shè)置導(dǎo)流擋板，以保證冷卻水的良 好分布和集中冷卻，但要注意避免形成蒸氣阻滯而產(chǎn)住局部過熱，在檔板死角處應(yīng)設(shè) 有排蒸氣小孔。燃燒室（或噴油器座）和排氣道下部的進水孔，其孔徑應(yīng)大些:一般進水孔為每缸4 一 8個，多的超過10個。氣缸蓋頂面出水孔，每缸為1 一 2個。岀水孔與進水孔的總 流通截面積之比,中小型柴油機為0.8 1.2,大功率強化柴油機為1.1-*2.1,最大為3.0。 總的來說，出水孔徑稍人，進水孔徑稍小，使得進水較快

21、，而出水較慢，以此獲得比 較均勻的冷卻效果。2.3.3缸體水套的設(shè)計原則發(fā)動機缸體水套的設(shè)計主要是使各缸水套內(nèi)的水流速度一致，具冇良好的冷卻均 勻性，同時要保證缸體上半部分熱負荷較高區(qū)域的冷卻。缸體水套內(nèi)不應(yīng)冇流動死區(qū)， 以避免形成空氣囊或蒸氣囊，而引起局部過熱。因此，合理布置水套和水孔，組織好 水套內(nèi)冷卻液的流動是非常關(guān)鍵的。水冷式發(fā)動機的氣缸體有平分式、龍門式和隧道式三鐘結(jié)構(gòu)型式。車用內(nèi)燃機采用第一、二種型式居多。為了使多缸水冷內(nèi)燃機的各缸冷卻均勻和水流速度一致，通 常在氣缸體內(nèi)布置水道和水孔，組織好冷卻水的循環(huán)。冷卻水循環(huán)流向，隨水道的位 置變化而不同，當(dāng)水道布置在氣缸體上部時，冷卻水即從缸體上部進入水道，經(jīng)分水 孔流入氣缸套與缸體之間的水套，并沿縱向向卜流動，最后流岀。當(dāng)水道位于氣缸體 腰部時，冷卻水則由下向上流動，最后流出。大多數(shù)中、小功率內(nèi)燃機，采用水道置于缸體上部的方案，冷卻水沿縱向自上向 下流動，先使氣缸套上部最熱的部分得到冷卻，對于大功率的高、中速柴油機，較多 的將水道設(shè)置在氣缸體