水冷发动机冷却系统介绍

水冷发动机冷却系统介绍

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