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。
汽车冷却系统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。