作者简介：张 杰(1972-)，男，黑龙江五常人，助理工程师，主要从事发动机设计工作。收稿日期:2003-12-28
简述发动机冷却系统设计及散热量的计算
张 杰
(柳州五菱汽车有限责任公司柳州机械厂，广西柳州 545005)
中图分类号:T K 4 文献标识码:B 文章编号:1672-545X (2004)02-0021-04
前言
作为汽车动力的核心，汽车发动机性能的好坏,
将直接影响汽车的性能。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。
发动机功率计算公式1 冷却介质
内燃机的发明人奥托(O tto )就是采用水作为冷
却气缸的介质。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。但水冷方式也存在一些缺点，因为不是任何一种水都适用于作冷却剂，而且至少在运输车辆上常常无法带有足够的水量来实现完全的水冷，为此，冷却本身还要通过空气—水热变换器(冷却水箱)再进行冷却。这样，就自然联想到可以直接使用空气来作为冷却介质。但由于空气与壁面的热交换系数较小，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。
利用高温介质如乙二醇(沸腾温度180℃)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
211 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。21111 蒸发冷却
在开式冷却系统中，利用水的汽化潜热(其值在100℃时为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 k W ・h 。这种冷却方式主要用于一些老式的小
型内燃机上。21112 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
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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，只有一部分水参与开式循环。21113 闭式循环冷却
汽车发动机大部分采用此种冷却型式，我们将在后面具体讨论。
21114 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。
212 风冷
还在很早以前，内燃机设计工程师已经考虑了是否省却一套单独的冷却装置，这就开辟了设计风冷的思路。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。
213 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，进入机体各个气缸周围，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85℃～90℃。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入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毂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 散热量的计算
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，就是以散入冷却系统的热量Q W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。
411 冷却系统散走的热量
冷却系统散走的热量Q W，受许多复杂因素的影响，很难精确计算，初估Q W时，可以用下列经验公式计算:
Q W=A g e N e h n
3600
(kJ s)(1)式中:A—传给冷却系统的热量占燃料热能的百分 比，对汽油机:A=0123～0130；对柴油机 A=0118～0125
g e—内燃机燃料消耗率(kg k W・h)
N e—内燃机功率(k W)
h n—燃料低热值(kJ kg)
如果内燃机还有机油散热器，而且是水油散热
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器，则传入冷却系统中的热量，也应将传入机油中的热量计算在内。则按(1)式计算的热量Q W值应增大5%～10%。
一般把最大功率N e m ax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M e m ax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。
具有一般指标的内燃机，在额定工况时，柴油机g e可取01210～01270kg k W・h，汽油机g e可取01
300～01340kg k W・h，柴油和汽油的低热值可分别取41870kJ kg和43100kJ kg，将此值代入公式(1)即得:
汽油机Q W=(0185～1110)N e(kJ s)
柴油机Q W=(0150～1178)N e(kJ s)
对压缩比较低燃烧室较不紧凑(例如侧置气门式)的汽油机，传给冷却系统的热量多,Q W应取上限，即Q W=(1100～1110)N e(kJ s)；对于高压缩比(Ε>8)的汽油机，可取Q W=(0185～0195)N e(kJ s)。车用柴油机可取Q W=(0160～0175)N e(kJ s)。直接喷射柴油机可取较小值，预燃室和涡流室柴油机可取较大值。增压的直接喷射式柴油机由于扫气的冷却作用，加之单位功率的冷却面积小，可取Q W =(015～016)N e(kJ s)。
412 冷却水的循环量
根据散入冷却系统中的热量，可以算出冷却水的循环量V W:
V W=Q W
t W W c W (m3
s)(2)式中:∃t W—冷却水在内燃机中循环时的容许温升, 对现代强制循环冷却系，可取∃t W=6℃ ～12℃;
•W—水的比重，可近似取•W=1000kg m3;
c W—水的比热，可近似取c W=41187 kJ kg・℃。
413 冷却空气需要量
冷却空气的需要量V a一般根据散热器的散热量确定。散热器的散热量一般等于冷却系统的散热量Q W。
V a=Q W
∃t a•a c p (m3 s)(3)式中:∃t a—空气进入散热器以前与通过散热器以后 的温度差，通常∃t a=10℃～30℃;
•a—空气的重度，一般•a=1101kg m3;
c p—空气定压比热，可取c p=11047 kJ kg・℃。
5 冷却系统主要部件的选用
下面我们根据前述散热量的计算，来讨论一下如何选用合适的冷却系统主要部件。
511 散热器及其选用
目前常用的散热器芯部结构分管片式和管带式两种。水管一般都是扁平形，以减小空气阻力，增加传热面积，减小冻裂的危险。管外的大量散热片或散热带是为了增加对空气的传热面积。管片式结构由于刚度好、耐压高，目前广泛采用。它的缺点是制造工艺比较复杂，管带式结构刚度和强度则不如管片式，但零件数少，制造方便，散热效果好。
传热系数K S是评价散热器散热效能的重要参数，它表示当冷却水和空气之间的温差为1℃时，每小时通过1m2与空气接触散热表面所散走的热量。提高传热系数可以改善散热效能，减少尺寸和材料消耗，传热系数受散热器芯部结构、水管中冷却水的流速、通过散热器的空气流速、管片材料以及制造质量(特别是焊接质量)等许多因素的影响。散热器的另一质量指标是空气阻力∃P K，它主要取决于散热芯的结构和尺寸，散热器的传热系数K S和空气阻力∃P K，只能通过专门的试验才能确定。
选用散热器时，除了考虑外形尺寸外，主要根据散热芯与空气接触的总表面积，即所谓散热面积F s，它可按下式估算
F s=Q w
K s∃t
(m2)(4)式中:Q w—冷却系统散走的散热量，按式(1)计算
K s—散热器的传热系数
∃t—散热器中冷却水与冷却空气平均温度差512 水泵及其选用
内燃机的冷却系统一般都用离心式水泵，并与轴流式风扇同轴，通过三角皮带传动。水泵的结构中，影响可靠性的关键是水封。目前采用的水封结构都是一种机械密封，利用浮动密封片与密封环之间的滑动起密封作用。因此滑动面要互相研磨，且要有必要的压力，水泵叶轮、壳体和皮带轮一般用铸铁铸造。水泵轴承现在大多用结构紧凑的轴连轴承，这种轴承工作过程中不必再加油润滑，使用方便。
水泵主要根据所需的泵水量和泵水压力来选择。泵水量V b可根据冷却水循环量V W，按下式初步确定
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V b=V WΓ
V S
(m3 s)(5)式中:V W—冷却水循环量，按式(2)计算
ΓV S—水泵的容积效率，主要考虑水泵中冷却 水的泄漏，一般ΓV S=018～019
选择水泵具体尺寸时，还要考虑结构尺寸和水泵转速对泵水量和泵水压力的影响。
513 风扇及其选用
水冷却系统基本上采用轴流式风扇，因为它结构简单，在系统布置方便，在低压头下扇风量大。采用增强尼龙制造的风扇，可以用比较理想的叶片断面形状，效率高。
选择和设计冷却风扇叶轮时，主要依据所要求的扇风量和风压。
51311 风扇的扇风量V f，按下式计算
V f=V aΓ
vf
(m3 s)(6)式中:V a—冷却空气需要量，按式(3)计算
Γvf—风扇的容积率，主要取决于风扇与导风 罩之间的间隙，一般Γvf=017～019 51312 风扇产生的风压∃P f，主要取决于气道的阻力，试验表明，一般∃P f=(115～2),∃P k=30～50 (kg m2)
选择风扇的结构参数和转速时，还要考虑风扇的扇风量和风压的影响因素。
6 结论
综上所述，冷却系统的主要任务是保证内燃机在最适宜的温度状态下工作，一个良好的冷却系统，应满足下列各项要求:
(1)散热能力能满足内燃机在各种工况下运转时的需要，当工况和环境条件变化时，仍能保证内燃机可靠地工作和维持最佳的冷却水温度;
(2)冷却系统消耗功率小，起动后，能在短时期内达到正常工作温度;
(3)体积小，重量轻，又便于拆装、维修;
(4)使用可靠，寿命长，制造成本低。
冷却系统的设计虽然并不一定是发动机设计人员的任务，但因发动机的性能和使用可靠性与冷却系统设计的好坏关系很大，故发动机设计人员也必须熟悉这方面的内容。
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D esign for Cooli ng System of Eng i ne
and Calculation of Heat rad i ation
ZHAN G J ie
(L iuzhou W u ling A u tom ob ile Co.L td,L iuzhou M ach inery P lan t,L iuzhou545005,Ch ina)
Abstract:In the p aper,the au tho r in troduces the coo ling system of the in ternal2com bu sti on engine and analyses the advan tages and disadvan tages of differen t system s,w h ich facilitate designers to understand the calcu lati on of heat radiati on and design so as to co rrectly select the m ain com ponen ts of w ater pum p, radiato r and fan,etc.
Key words:in ternal2com bu sti on engine;coo ling system;heat radiati on
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