散热器设计

水冷发动机冷却系统 为了保证发动机的工作可靠性，降低其热负荷，必须加强它的冷却散热。发动机 主要依靠其冷却系统来保证自身在工作过程中得到适度的冷却。发动机冷却系统的功 用就是把发动机传出来的热，及时散发到周围环境中去，使发动机具有可靠而有效的 热状态。现代完善的冷却系统，可以使发动机在各种不同环境温度和运转工况下具有 最佳的热状态，既不过热，也不过冷。发动机的冷却系统按照传热介质来分类可以分 为以水为传热介质的水冷型冷却系，以空气为传热介质的风冷型冷却系，以油(如机 油等)为传热介质的油冷型冷却系[z][23][32]。现代汽车发动机，尤其是轿车发动机普遍 采用的是水冷型的冷却系。在水冷型冷却系中，如果按照传热方式来分类，有单相传 热和两相传热两种方式，前者为人们通常所说的水冷型冷却系，后者称为蒸发式冷却 系。 汽车发动机的水冷系统均为强制水冷系统，即利用水泵提高冷却液的压力，强制 冷却液在发动机中循环流动。这种系统的组成主要包括:水泵、散热器、冷却风扇、 节温器、补偿水箱、发动机冷却水套以及附加装置等。 发动机冷却系统冷却液在冷却系统中的循环路径:冷却液经水泵增压后，进入发 动机缸体水套，冷却液从水套壁周围流过并吸热而升温。然后向上流入缸盖水套，从 缸盖水套壁吸热后经节温器(对于该型号发动机，当出水温度低于82℃时，进行小 循环，这时节温器将冷却液流向散热器的通道关闭，使冷却液经水泵入口直接流入缸 体或气缸盖水套，以便使冷却液能够迅速升温。当高于82’C时，水经过散热器而进 行的循环流动，从而使水温降低。)然后回到水泵，如此循环不止(如图2.1.1所示)。 冷却液随发动机的不同而不一样。冷却液用水最好是软水，否则将在发动机水套 中产生水垢，使传热受阻，易造成发动机过热。纯净水在O℃时结冰。如果发动机冷却系统中的水结冰，将使冷却水终止循环引起发动机过热。尤其严重的是水结冰时体 积膨胀，可能将缸体、气缸盖和散热器胀裂。为了适应冬季行车的需要，在水中加入 防冻剂制成冷却液以防止循环冷却水的冻结。最常用的防冻剂是乙二醇。冷却液中水 与乙二醇的比例不同，其冰点也不同。50%的水与50%的乙二醇混合而成的冷却液， 其冰点约为一35.5OC。本文中发动机所用的是复合型三防长效冷却液，沸点不低于107 ℃，冰点不高于一35℃。 因此，发动机冷却系统的设计要求是要保证对冷却液温度的要求，现代发动机的 冷却系统设计趋向于在实现高的冷却能力的同时，使整个冷却系统的结构更紧凑、消 耗功率小、减小系统阻力。 发动机冷却循环示意图 2.2发动机冷却水套的冷却与传热 在发动机的冷却过程中，缸体和缸盖的受热部件的冷却主要靠水套内冷却液的流动带走热量来实现，所以冷却水套的冷却能力是非常关键的，它直接影响到发动机的工作可靠性、动力性以及经济性。发动机冷却水套内的传热，是冷却水套壁面传热给冷却液。水套的水侧壁面的温度对于冷却液与缸体(缸盖)壁面之间的传热起着重要的作用，在一定条件下，决定着放热过程的性质[#]。气缸盖内冷却水套的传热，是冷却水套壁面放热给冷却水，冷却水套壁面温度介对于冷却水与缸盖壁面以及与缸盖火力面之间的传热起着重要的作用;在一定条件 下，决定着放热过程的性质，包括单相流体(冷却水)的自然对流换热和沸腾传热 箱盖水套中温差与热流密度的关系图 由试验发现，随着缸盖内水套壁面温度t二与水套内水的饱和温度t、之差△t(=t二一ts)的变化，水套内可发生自然对流传热·泡态沸腾(或称核态沸腾)传热和膜态沸腾传热，传递的热流密度q与△t的关系曲线，如图2.2.1所示(水套内压1.013、lo5Pa)。由图2.2一可见: 当冷却水的流速较低，水套壁温t二与冷却水的饱和温度t‘之差△t<5℃时，由壁面传至冷却水的热流是依靠自然对流换热传输的。见图2.2.1中的A」3段。此时传热速率很低。当t怜=101OC时，。七5x10’W/m，。当水套壁温t二>t。(△t>5‘C)时，壁面上便开始出现大量气泡;这些气泡离开壁面又消失在水中，在水中产生剧烈扰动，从而使传热显著增强这种现象称为泡态沸腾(或称核态沸腾)传热(图2.2.IBC段)o当t二=125一145℃时，热流密度q达到最大。约为145又lo4w/mZ(图上e点)。当t二>125一145℃时，随着温差△t(称为沸腾势)的进一步升高，气泡形成速度更快，气泡数目剧增，并相互汇合而在水侧壁面上形成一层气膜，热量由壁面传至水中必须通过这层气膜。由于较大的气膜热阻而使传热速率降低，这种现象称为过渡沸腾传热(图2.2.1中CD段);在过渡沸腾阶段，开始一段，壁面上形成的气膜层是不稳定的，它不断裂开而形成较大的气泡后离开壁面.然后在原地又形成新的气膜层;当壁面温度t二升高到约250℃时，气膜形成达到稳定状态(图2.2.ID点)o并从此时开始， 过渡沸腾转化为膜态沸腾(图2.2.IDE段)，在壁面上形成稳定的气膜层，在这个阶段，水侧壁面温度是相当高的，最高可超过400℃，而火力面温度将会更高，甚至达到不能允许的地步。考察图2.2.1，如果自C点起，继续增高沸腾势△t，亦即提高水套壁面温度t，，则将出现过渡沸腾甚至膜态沸腾，造成火力面温度很高，以致发生壁面烧损。因此，c点是临界热负荷点。该点的水腔壁面温度约125一145℃，该处的放热系数(又称表面传热系数)和热流密度，通称为临界放热系数H和临界热流密度Q。在水套内的压力为一个大气压力时，H=5.szxlo4w/(m，·℃)， Q=145xlo4w/m，。 因此在发动机冷却系统设计中要特别注意: (l)保证气缸盖火力面温度在允许温度375℃以下。 (2)缸盖内冷却水套的壁面温度一般不应超过 120一145℃。 缸盖的冷却传热，包括两种性质不同的传热过程，即无相变的对流传热和泡态沸腾(或称核态沸腾)传热。后者的传热强度要比前者大得多。这两种传热过程应用于各种类型、不同功率大小的内燃机气缸盖的冷却传热中。 一般汽油机和中、小型低强化水冷式柴油机气缸盖，由于热负荷不是太大，一般采用对流传热进行冷却。而大功率、高强化柴油机气缸盖，除其中部的高温区域之外，也均为对流冷却传热。对于“鼻梁区”(“鼻梁区”是指汽油机气缸盖进气门和排气门座之间的区域)和喷油器座等中部区域，由于该区域的冷却套的壁面温度较高，因此，一般是泡态沸腾传热，这种传热过程，传递的热流率足够大，可有效降低气缸盖的火力面温度。 研究表明，一般情况下，缸体水套内不会出现泡态沸腾，其传热过程基本上是无相变的对流传热过程。根据对流换热原理，在水套的壁面上有一层很薄的温度边界层，该边界层与壁面 接触的一侧可认为温度是t二，该边界层与冷却液接触的一侧可认为温度是t:。那么基于上述条件，通过温度边界的热流密度q(w/m，)可以表示为: q=λ/δ（ 式中:t二一t:=△t为沸腾势，单位K;兄为边界层导热系数，单位W/(mZ.K); 占‘为温度边界层厚度，单位m。 因为在水套中压力一定的条件下，饱和温度t:是一定的，所以降低沸腾势实际 上是降低水侧壁面的温度t二，在热流密度q一定的条件下，随着t甲的降低，也就是 降低了金属热面的温度水平，改善其热状况，保证工作可靠性。 影响沸腾势的主要因素有:水套壁面的表面状况、水流速度和水流方向。下面分 别说明。 (I)​ 水侧壁面的表面状况影响。试验结果表明，壁面越光滑，则沸腾势越低。在相同沸腾势条件下，经过加工的铸铁平板的热流密度较高，因此在强化程度较高的发动机中，对于热负荷较高的零件，其冷却水侧壁面最好能给予适当的机械加工，获得较低的沸腾势，降低水套的水侧壁温t二。此外，由于内燃机受热零部件的冷却面通常是铸造面，其上常常会附着或嵌入铸造芯砂，因此在表面容易形成一层锈膜，由于沸腾势会因表面生锈、侵蚀或生成水垢及其它沉积物而升高，因此可在冷却液中添加乙二醇或其它防锈剂来降低沸腾势。 (II)​ 冷却液流速的影响。提高冷却液的流速可以降低沸腾势。但是大量试验结果表明，对于现代柴油机而言，提高水套内的冷却液流速，对于改善水套的能力并非最有力的。但是从迅速带走水套内的气泡、防止金属微粒沉积以及防止产生局部冷却液低流速区而形成过热点等方面考虑，还是要保证水套内的冷却液具有足够的流速。一般来说，水套内的冷却液流速度不要低于o.3m/ (III)​ 冷却液流动方向的影响。在热流量过大时，局部地区用定向水流来冷却，能有效地降低沸腾势。这一结果目前广泛用于高强化柴油机气缸盖“鼻梁区”的冷却。在热负荷高的缸盖水套中，在局部热流较大区域，利用喷管或起截流作用的水道形成冷却液的定向流动，有效地提高换热量，降低沸腾势，从而降低缸盖冷却液侧的壁面温度t牙，保证缸盖工作的可靠性。 2.3冷却水套结构的设计原则 发动机冷却水套内冷却液的流动方式取决于缸盖的具体结构及其热负荷等。为了确保水套的冷却能力，冷却水套的设计主要工作之一就是要保证缸盖的冷却。因此，在设计冷却水套的结构时，要合理布置水道和组织冷却水流，避免出现流动死区。同时，还要采取措施加强对局部高温区域的冷却。由于水冷式气缸盖的温度分布是很不均匀的，“鼻梁区”、喷油器座等部位的温度最高，为了降低整个气缸盖的温度水平，使其温度分布较均匀，应对高温区域采取适当的方法，优先集中冷却。 2.3.1冷却水套内冷却液的流动形式 发动机水套内冷却液的流动形式通常设计为纵向流动、横向流动和混合流动三种。近年来为了满足轿车暖车要求，出现了分体冷却的冷却方式，即缸体水套和缸盖水套内冷却液流动是两个相互独立的流动形式。同时，为了加强缸盖水套的冷却，在缸盖水套的设计中采用了U型流动和螺旋U型流动的冷却液流动形式[#][01。 1.纵向流动 对于采用整体式气缸盖的小功率发动机，冷却液多采用纵向流动方式:冷却液从 缸体前端进入，向后依次流经各缸直至最后一缸，之后再从各缸向上流入气缸盖，然 后从气缸盖后端流出。本论文CFD计算所用的发动机采用的就是这种冷却方式。 2.横向流动 对于强化程度较高的柴油机或单体式气缸盖，柴油机一般采用横流方式:在缸体 长度方向有总布水道，分别流入各缸，然后再由各缸向上流入气缸盖。气缸盖分布若 干个水孔，冷却液在排气管侧上方引出，便于带走气泡。这种冷却流动方式，能加强 对气缸盖高温区域的冷却，特别对组织“鼻梁区”的冷却较为方便。并使各部位冷却 较为均匀，从而有利于降低热应力，故在大功率柴油机上应用比较广泛。 3.混合流动 分开式和直接喷射式燃烧室柴油机，一般采用混合流动形式，即约2/3的水量在 缸体内纵向流动，或由缸体进入气缸盖，或每缸分别向上流动。另外1/3的水量直接 导入燃烧室和鼻梁区附近。对于大功率中速柴油机或高增压度的发动机的气缸缸盖， 在水套内宜布置挡水板或中隔板，使冷却水涌向气缸盖中部，并靠底面流动，以加强 中部高温区的冷却。 4，分体冷却的冷却方式 上面提到的三种冷却方式的缸体和缸盖水套都是相连通的。但对于分体冷却方式而言，它的缸体水套和缸盖水套之间是不相通的，亦即从水泵来的冷却液在水泵出口就分成两路，分别流入缸体和缸盖水套，然后再从各自的出口分别流出，整个流动过程中，两股冷却液并不掺混。采用分体冷却方式为实现对缸体水套内冷却液何时流入外循环冷却系统进行控制创造了结构上的条件。在发动机暖车过程中，通过控制系统使缸体冷却液不参与外循环流动而是只在缸体水套内流动，使缸体水套内的冷却液温度迅速升高，从而降低暖车过程中的燃油耗，缩短暖车时间。 5.U型流动及螺旋U型流动 采用U型流动及螺旋U型流动的目的是为了加强缸盖鼻梁区和排气道侧的冷却。图2.3.1为某发动机缸盖排气道侧水套内冷却液流动的示意图。图中的缸盖底平面水套的一部分冷却液经两排气门之间的水套流到缸盖顶平面，形成图中的U型流动，起到了加强排气门之间冷却的作用;而来自缸盖底平面水套的另一部分冷却液则经过排气道底部水套流入顶部水套，与顶部其它冷却液汇集后经两缸之间的连接流入下一缸，形成图中所示的螺旋U型流动，该流动主要是加强了缸盖排气道周围的冷却。 本论文所用的模型排气道侧的冷却便是这种冷却形式。 缸体和缸盖冷却水套的设计，通常是根据冷却需要采用多种冷却液流动形式相结合的方式，其目的就是更好的利用组织冷却液的流动，加强发动机的冷却，使发动机 能够更好的工作。 2.3.2缸盖水套的设计原则 各类水冷式内燃机，传给冷却水的全部热量的50%一65%是通过气缸盖传出的。 因此，气缸盖的温度水平是相当高的。缸盖水套在结构上的设计原则是:对高温区域 采取适当的方法，优先集中冷却。体现在水冷发动机上便是对“鼻梁区”和喷油器座 等高温部位加强冷却。其结构设计原则如下[4][2，I[38][60]: 1.中小型高速发动机气缸盖，一般采用冷却水道孔、导流板或铸管等措施，对气 门座“鼻梁区”、喷油器座或燃烧室壁进行冷却散热。 2.对于采用双层底板结构的大功率中速柴油机气缸盖，冷却水应先冷却缸盖底 面，再环流冷却喷油器座周围。 3.注意气缸盖冷却水孔的布置、水流动型式和进、出水孔尺寸的合理选择。一般 来说，水孔位置、水孔(水道)数目和其尺寸，应以最后通过试验确定为宜。 4.冷却水孔布置 1)水孔布置应与冷却系统型式及其布置 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 良好的配合。采用沸腾换热冷却方 案时，缸盖至蒸发沸腾箱之间，水孔宜大，便于冷却水的对流和蒸气的排出。 2)一般进水口位置，宜靠近高温区。排气道附近应布置进水孔;在气门座、喷 油器座或燃烧室三角地带的局部高温区，采用喷水导管或隔板引水冷却方法。 对于整体式和连体式气缸盖的进水道，可适当设置导流挡板，以保证冷却水的良 好分布和集中冷却，但要注意避免形成蒸气阻滞而产生局部过热，在档板死角处应设 有排蒸气小孔。 燃烧室(或喷油器座)和排气道下部的进水孔，其孔径应大些:一般进水孔为每缸 4一8个，多的超过10个。气缸盖顶面出水孔，每缸为1一2个。出水孔与进水孔的总 流通截面积之比，中小型柴油机为0.8一 1.2，大功率强化柴油机为 1.1一2.1，最大为3.0。 总的来说，出水孔径稍大，进水孔径稍小，使得进水较快，而出水较慢，以此获得比 较均匀的冷却效果。 2.3.3缸体水套的设计原则 发动机缸体水套的设计主要是使各缸水套内的水流速度一致，具有良好的冷却均 匀性，同时要保证缸体上半部分热负荷较高区域的冷却。缸体水套内不应有流动死区， 以避免形成空气囊或蒸气囊，而引起局部过热。因此，合理布置水套和水孔，组织好 水套内冷却液的流动是非常关键的。 水冷式发动机的气缸体有平分式、龙门式和隧道式三钟结构型式。车用内燃机采 用第一、二种型式居多。为了使多缸水冷内燃机的各缸冷却均匀和水流速度一致，通 常在气缸体内布置水道和水孔，组织好冷却水的循环。冷却水循环流向，随水道的位 置变化而不同，当水道布置在气缸体上部时，冷却水即从缸体上部进入水道，经分水 孔流入气缸套与缸体之间的水套，并沿纵向向下流动，最后流出。当水道位于气缸体 腰部时，冷却水则由下向上流动，最后流出。 大多数中、小功率内燃机，采用水道置于缸体上部的方案，冷却水沿纵向自上向 下流动，先使气缸套上部最热的部分得到冷却，对于大功率的高、中速柴油机，较多 的将水道设置在气缸体腰部，冷却水由下向上强迫流动，使气缸套得到较均匀的冷却。 1.水道和分水孔的设计要求 水道设计成平滑而逐渐变化的通道，避免产生死水区和涡流区。因此，对于v 型两排气缸，采用各排独立进水，以使水流速度稳定，各缸冷却均匀，亦有利于改善 缸套的穴蚀。对于多缸柴油机，水道前端的流通截面较大，向后端逐渐缩小，而分水 孔流通截面则逐缸放大，以保证各缸的水流速度基本一致，冷却比较均匀。分水孔设 计成切向进水以改善进水区域内缸套穴蚀，如图2.3.2所示。 2.水套的设计要求 水套或称水腔，其中的水流情况有强制流动和自然对流。其设计要求是:水道通 畅，不得有存储气泡的死区，以免造成局部过热;水套宽度合适。若太宽.则水速慢， 冷却效果小;若太狭窄.则铸造困难，并易引起穴蚀。水套内水的平均流速最大不超 过Zhas，一般在0.75一 1has范围内。水套的高度要求是，当活塞在上止点位置时，其 第一道环的位置应在水套区域内;当活塞在下止点时.活塞裙部露出不宜过大。在水 套的冷却水进出口处，不应有剧烈的压降，以免引起该区域的缸套穴蚀。 2.4本章小结 本章主要从发动机的冷却传热出发，阐述了水冷式发动机的冷却问题，分析了缸 体、缸盖水套的结构对水套内流场以及发动机冷却换热的影响，在此基础上，提出缸 体和缸盖水套的结构设计原则。 根据发动机缸体和缸盖的受热情况而确定的缸体水套和缸盖水套结构设计原则 是一个总的概念，在发动机冷却水套的设计过程中需要根据不同类型发动机的热负荷 情况来具体实施。以往在水套的结构设计过程中大多依靠设计人员的经验以及大量的 试验验证来确定水套的关键结构，如冷却水孔的位置、分布，水套的大小等。