發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì).ppt

一、簡述發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及散熱量的計(jì)算： 內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，與高溫燃?xì)庀嘟佑|的零件受到強(qiáng)烈的加熱，如不加以適 當(dāng)?shù)睦鋮s，會使內(nèi)燃機(jī)過熱，充氣系數(shù)下降，燃燒不正常 (爆燃、早燃等 )， 機(jī)油變質(zhì)和燒損，零件的摩擦和磨損加劇，引起內(nèi)燃機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性、 可靠性和耐久性全面惡化。但是，如果冷卻過強(qiáng)，汽油機(jī)混合氣形成不良， 機(jī)油被燃油稀釋，柴油機(jī)工作粗暴，散熱損失和摩擦損失增加，零件的磨損 加劇，也會使內(nèi)燃機(jī)工作變壞。因此，選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s型式和冷卻介質(zhì)也成 為設(shè)計(jì)發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵。 1 冷卻介質(zhì) 水：具有良好的熱容量 (比熱大 )，與壁面之間的換熱系數(shù)較高，而且一般說來，也是 比較便宜和隨手可得的，這也就是水冷方式目前得到廣泛應(yīng)用的原因。冷卻本身還要 通過空氣一水熱變換器 (冷卻水箱 )再進(jìn)行冷卻。 空氣：空氣來作為冷卻介質(zhì)。但由于空氣與壁面的熱交換數(shù)較小，必須加大內(nèi)燃機(jī)上 的冷卻面積才能保證有效的冷卻，這當(dāng)然要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上付出一定的代價(jià)。 高溫介質(zhì)：如乙二醉 (沸騰溫度 1800C )來代替水作為冷卻介質(zhì)，但由于乙二醇與水相 比有比熱小、導(dǎo)熱系數(shù)低和粘度高等一系列缺點(diǎn)，因而其散熱效果也不及水冷卻系， 所以這種冷卻形式在目前一般用途的內(nèi)燃機(jī)中已不再使用。 2 冷卻型式： 2.1 水冷：在水冷內(nèi)燃機(jī)上，采用一個(gè)循環(huán)水泵迫使冷卻水流過氣缸套和氣缸蓋需要 冷卻的部分，通過適當(dāng)布置導(dǎo)水管或采用其他導(dǎo)流措施，可以對熱負(fù)荷很嚴(yán)重的部分 (氣門間的鼻梁區(qū)、氣缸套上緣等 )實(shí)現(xiàn)有效的冷卻。 2.1.1 蒸發(fā)冷卻：在 開式冷卻系統(tǒng)中，利用水的汽化潛熱 (其值在 100 時(shí) 2258kj/kg) 可以達(dá)到良好的冷卻效果。根據(jù)燃油耗率和通過冷卻水所帶走的熱量比例，可以估算 出這種冷卻方式需消耗的冷卻水量為 1-3L/kWh。這種冷卻方式主要用于一些老式的小 型內(nèi)燃機(jī)上。 2.1.2 開式循環(huán)冷卻：在開式循環(huán)水冷卻方式中，冷卻水連同帶走的熱量重新流回 江湖中去。因?yàn)樽匀唤绲乃话闾幱诘蜏貭顟B(tài) (最高 35 )，為了防止熱應(yīng)力過大，內(nèi) 燃機(jī)的進(jìn)出口溫度又不允許太高 (僅允許 20 左右 )，致使在這種冷卻方式下內(nèi)燃機(jī)總 是在比較冷的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。因此實(shí)際上經(jīng)常應(yīng)用的是一種屬于半開式循環(huán)的混合冷卻 方式，在這種冷卻方式中，為了保持預(yù)先規(guī)定的溫度狀態(tài)，僅一部分水參與開式循環(huán)。 2.1.3 閉式循環(huán)冷卻：汽車發(fā)動機(jī)大部分采用此種冷卻型式，將在后面具體討論。 2.1.4 壓力冷卻：當(dāng)散熱器和貯水箱都與大氣相通時(shí)，冷卻介質(zhì)處于大氣壓力的作 用下，壓力式冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)是可以通過提高冷卻水溫度 (如 120 )來縮小散熱器的尺 寸。它的缺點(diǎn)是密封比較困難，而且減少了內(nèi)燃機(jī)進(jìn)出口水的溫差，這種冷卻型式主 要應(yīng)用在飛機(jī)內(nèi)燃機(jī)上。 2.2 風(fēng)冷：目前，風(fēng)冷小型汽油機(jī)應(yīng)用已十分普遍，一個(gè)突出的例子是所有摩托車幾 乎都采用風(fēng)冷汽油機(jī)作為動力，而且有些摩托車的風(fēng)冷汽油機(jī)已達(dá)到很高的強(qiáng)化強(qiáng)度， 它的優(yōu)點(diǎn)主要是使用方便和對環(huán)境適應(yīng)性比較好。缺點(diǎn)是當(dāng)空氣中塵埃較多時(shí) (如在 灰塵較多的條件下工作的農(nóng)業(yè)機(jī)械等 )，如不對冷卻空氣事先濾清，就不能保證良好 的冷卻效果，而且強(qiáng)化程度愈高，對進(jìn)風(fēng)道內(nèi)空氣的清潔程度要求也愈高。 2.3 活塞冷卻：活塞頂部從燃燒室接受的熱量，大部分是通過活塞環(huán)傳給氣缸壁的 (缸 壁外圓受到冷卻 )，還有一小部分熱量則通過活塞裙傳到氣缸壁或由飛濺至活塞底面 的機(jī)油帶走。雖然隨著內(nèi)燃機(jī)強(qiáng)化程度的提高，對活塞耐熱性能的要求愈來愈高，但 是對于熱負(fù)荷較高的內(nèi)燃機(jī)活塞，必須加強(qiáng)冷卻措施。 3 閉式循環(huán)冷卻及零部件在發(fā)動機(jī)上的布置：在這種循環(huán)冷卻方式中，冷卻水在水泵 的壓力下進(jìn)行封閉循環(huán)，水泵出來的冷卻水經(jīng)機(jī)油冷卻器，有時(shí)還有液力傳動油散熱 器和增壓空氣中冷器，進(jìn)人機(jī)體各個(gè)氣缸周圍，再由此向上冷卻氣缸蓋以后經(jīng)出水總 管流出，從出水總管流出的水先流到節(jié)溫器，當(dāng)水溫較低時(shí)，節(jié)溫器控制水流不經(jīng)過 散熱器而直接返回水泵的吸水端 ;當(dāng)水溫較高時(shí)，則使冷卻水經(jīng)過散熱器后再返回水 泵吸水端，節(jié)溫器起作用的溫度約為 85C -90 C。當(dāng)散熱器尺寸足夠時(shí)，通過節(jié)溫 器的自動調(diào)節(jié)作用，可使冷卻水溫度在上述溫度范圍內(nèi)基本維持恒定，而不受發(fā)動機(jī) 負(fù)荷的影響。冷卻水在一般蜂巢式散熱器 (冷卻水箱 )中受到空氣的再冷卻，當(dāng)用空氣 冷卻時(shí)，用風(fēng)扇將冷卻空氣吹過散熱器，此風(fēng)扇可由發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動。 在小型發(fā) 動機(jī)上，冷卻水泵大多用三角皮帶驅(qū)動，發(fā)電機(jī)亦由此三角皮帶驅(qū)動并同 時(shí)用來調(diào)節(jié)皮帶的張緊程度，能采用三角皮帶驅(qū)動的條件是水泵布置在發(fā)動機(jī)前上方 的機(jī)體端面上。水泵這種布置方案的優(yōu)點(diǎn)是，冷卻水能夠以最短的路程由水泵直接流 人機(jī)體而毋需專門的管道，此外在這種方案中，風(fēng)扇葉片正好可以裝在水泵的三角皮 帶輪的輪毅上而不需要另外的支承。但是水泵裝在機(jī)體的前端面上以后會影響發(fā)動機(jī) 的長度。若我們要求盡量縮短發(fā)動機(jī)長度時(shí)，則只能將水泵布置在發(fā)動機(jī)側(cè)面，這 樣一來，前述省管道和布置風(fēng)扇比較方便的兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)也就不存在了，但將風(fēng)扇與水泵 裝在一起也是有缺點(diǎn)的。因?yàn)檫@樣一來水泵和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速完全一樣。為了使噪聲不至 于過大，風(fēng)扇葉尖的圓周速度不允許超過 75-80m/s，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速因此受到一定的限 制，致使水泵的轉(zhuǎn)速不可能得到有利的發(fā)揮。 4 散熱最的計(jì)算： 下 面我們就以閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)為例，討論一下散熱量的計(jì)算。 在設(shè)計(jì)或選用冷卻系統(tǒng)的部件時(shí)，就是以散人冷卻系統(tǒng)的熱量 Qw為原始數(shù)據(jù)，計(jì)算 冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水量、冷卻空氣量，以便設(shè)計(jì)或選用散熱器和風(fēng)扇。 4.1 冷卻系統(tǒng)散走的熱， 冷卻系統(tǒng)散走的熱量 Qw ，受許多復(fù)雜因素的影響，很難精確計(jì)算，初估 Qw時(shí)，可 以用下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 : Qw =A*g*N*h/3600 (kJ/s) (1) 式中 :ge 內(nèi)燃機(jī)燃料消耗率 (kg/kWh) N 內(nèi)燃機(jī)功率 (kW) h 燃料低熱值 (kJ/kg) A 傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比 ，對汽油機(jī) :A = 0.23-0.30;對柴 油機(jī) :A = 0.18-0.25; 如果內(nèi)燃機(jī)還有機(jī)油散熱器，而且是水油散熱器，則傳人冷卻系統(tǒng)中的熱量，也應(yīng) 將傳人機(jī)油中的熱量計(jì)算在內(nèi)。則按 (1)式計(jì)算的熱量 Qw值應(yīng)增大 5%一 10% 。 一般把最大功率 Nemax工況 (額定工況 )作為冷卻系統(tǒng)的計(jì)算工況，但應(yīng)該對最大扭 矩材 Memax工況進(jìn)行驗(yàn)算，因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)可能形成蒸氣泡 (由于氣缸體水套中壓 力降低 )和內(nèi)燃機(jī)過熱的現(xiàn)象。