(整理)10风冷系统设计.

10 冷却系统设计
发动机运转时，与高温燃气相接触的零件受到强烈的加热，如果不加以适当的冷却，会使内燃机过热，充气系数下降，燃烧不正常（爆燃、早燃），机油变质和烧损，零件的摩擦和磨损加剧，引起发动机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。

经发动机冷却系带走的热量大约占燃料总热量的25%～30%左右。

发动机的冷却系根据所用冷却介质不同，分为风冷发动机和水冷发动机。

摩托车发动机采用风冷式的的居多，这使得发动机结构简单、质量轻，使用和维修方便，避免了水冷式常见的故障，工作较为可靠，同时有起动快、暖机快、气缸磨损量小的优点。

综上所述，本设计采用自然风冷式。

10.1 风冷发动机的散热与散热片
在风冷发动机中，由气缸内燃气向外界冷却空气的传热过程是一个很复杂的过程，为计算方便，可将这一过程分为三个阶段：
1）从燃气向气缸内壁的传热； 2）从气缸内壁向外壁的导热；
3）从气缸外壁向冷却空气的传热。

10.1.1从燃气向气缸内壁的传热
发动机气缸内的传热是一个复杂的过程。

在进气过程中进入气缸内的可燃混合气，温度低于缸壁的温度，这时气缸壁面将热量传给可燃混合气。

随着缸内混合气被压缩，其温度不断上升，开始由混合气向壁面放热，由于混合气在气缸中的运动，这一过程是一个复杂的对流换热过程。

在燃烧过程中产生的高温燃气，这时除了对流放热外，还有气体辐射和火焰辐射，形成了更为复杂的燃气向气缸内壁的放热过程。

膨胀过程和排气过程中，由于燃气温度较高，都是由燃气向气缸壁放热。

发动机气缸内的传热是对流换热和辐射换热的周期变化的过程。

在每一个工作循环内，工质向气缸壁的传热量可用下式表示：
()()t g t g r d t t F Q 100
1-+=⎰αα
式中 r α——辐射放热系数；
g α——接触放热系数；
g t ——工质瞬时温度；
1t ——缸壁表面温度；
F 0——与工质接触的缸壁面积。

放热系数g α与工质的速度、压力、温度以及壁面形状和温度等因素有关。

可用下列经验公式进行近似计算：
()a
g a
g m g g t t t t C t p -⎥⎥⎦⎤
⎢⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=4432100100421
.024.11166.1α 式中 p ——燃气瞬时压力；t a ——冷却空气温度；C m ——活塞平均速度。

10.1.2从气缸内壁向外壁的导热
燃气向气缸内壁传热量，其方向与温度下降的方向是一致的。

假设沿气缸高度和圆周方向都具有相同的温度，则热流具有径向的方向。

但是，温度无论从高度和圆周均不相等。

由于这种关系，其热流量实际上比赛径向的，而是由三个分量组成，即径向热流、轴向热流和切向热流。

在一般情况下，后二分量不大，两者相加为颈项分量的1/5～1/10。

因此，在大多数情况下，可以略去不计。

当气缸的外径与内径之比小于2时，则缸壁曲率的影响可以忽略不计，就可以根据平壁导热公式计算由气缸内壁向外壁所传导的热量。

()0212F t t Q -=
δ
λ
式中 δ——壁厚。

10.1.3从气缸外壁向冷却空气的传热
当没有散热片时，从气缸外壁向外传给冷却空气的热量为：
()a a t t F Q -=203α
式中 a α——气缸外壁向冷却空气的放热系数；
a t ——气缸外部冷却空气的温度。

10.1.4从气缸内燃气向气缸外冷却空气的总传热
从气缸内燃气向气缸外冷却空气的总传热量为：
()a
g t t a a F Q a g 110++=
-λδ
K 1、α
1、λδ
分别为气缸壁的传热热阻、放热热阻和导热热阻。

要加强传热，就应设法去减小某一个或所有串联的热阻。

如果不能同时改变所有串联的热阻，就应尽量改变在总热阻中较大的那个热阻。

在风冷发动机中，为了增强传热效果，在气缸和气缸盖的外表面都装有散热片，用以扩大散热面积。

这时，在稳定工况下，整个等温面所传递的总热量Q 仍然沿途不变，但是气缸内壁的面积和装有散热片的气缸外壁
的面积不等，因此，单位面积的热量0
F Q
q =
不再沿途保持不变。

如对散热片的附加热阻忽略不计，并设整个散热面F 维持在温度t 2,则在这样情况下，
()()()a g g t t F t t F t t F Q -=-=
-=2221010αδ
λ
α 气缸内壁每单位面积的热流量为：
F
F t t F Q q a g a
g 00
111⋅++-=
=αλδα
在此情况下，总传热系数为：
F
F K a g 0111
1
⋅++=
αλδα
对气缸外表面（有散热片）来说，则总传热系数为：
a g F F F F K αλδα11
1
002+⋅+⋅=
10.1.5散热片的传热
冷却空气与散热表面之间的换热过程是液体与固体壁面直接接触的对流换热。

散热片向冷却空气的换热量，除了和散热片本身的结构参数有关外，很大程度上取决于它周围的流场分布情况。

冷却空气流过两面三刀相邻散热片，可看作空气流过平板的流动过程。

在两相邻散热片间的气流由气流中心和两个层流附面层组成，气流中心的流动情况随冷却空气流速而变化，一般为紊流，其平均速度较高，而附面
层流速成较低。

层流层中热交换以热传导为主，而空气导热性很差，所以附面层愈薄，气流中心层愈厚时，由散热片向气流的散热就愈强，反之则愈弱。

因而往往以临界附面层的厚度来限制散热片的间隙。

在空气流速为40m/s时，两附面层的总厚度约为2mm，因而若设计散热片间距小于2.5mm，散热效率就会明显下降。

由散热片向空气的换热量，一般可用下式表示：
Q=α
f F(t
m
-t
a
)
式中，F————散热片表面积；
α
f
———散热片的放热系数；
t
m
———散热片的平均温度；
t
a
———冷却空气的温度。

10.1.6散热片的设计
风冷发动机气缸外壁和散热片向冷却空气的散热，主要是靠散热片的散热，要使发动机工作可靠，必须进行冷却，使其保持一定的温度状态，并根据散热片向冷却空气散发的热量进行散热片的合理计算。

散热片的设计要求是：当冷却空气通过时，所设计的散热片，空气阻力要最小；制造散热片的材料应具备良好的导热性能，以取得较高的散热效率；尽量节省散热材料；散热片要有一定的机械强度，且便于制造。

散热片的主要结构参数见图8-1，图中L为散热片的高度，P为散热片
的节距，S为散热片的间距，
m
δ为散热片的厚度。

现代风冷发动机的散热片的主要结构参数及散热片尺寸见表12-1。

散热片的断面形状有抛物线形、三角形、矩形和梯形。

从传热角度考虑，最理想的的是抛物线形；但鉴于散热片剖面形状对散热效率影响不大（一般不超过8%），因此选用时往往主要考虑结构、工艺上的可能性。

通常采用梯形和矩形散热片，其中采用梯形的最多。

因此，采用梯形散热片。

散热片高度的设计，不仅受到发动机总体尺寸的限制，而且也受到材料导热性能的影响。

一般在不增加总体尺寸的前提下，其高度尺寸应尽可能大些，但是当制造散热片的金属材料的导热性能较差时，往往过高的散热片并不能起到良好的冷却效果，因此对散热片的高度有一定的限制。

散热片的节距对散热效果影响较大，采用较小的节距，可以使散热面积增加。

但是，过小的散热片节距，不一定能达到良好的冷却效果，因为当节距过小时，空气阻力增加，相邻散热片之间气体层流靠近，湍流层减薄，使散热片效果变差。

在设计中，其节距可设计成相等的或者不相等的。

10.2散热片的传热计算
在风冷发动机中，散热问题是一个很重要有复杂的问题。

要对气缸散热片的放热量作精确的计算，特别是气道空气阻力的计算，是非常困难的。

10.2.1冷却介质必须带走的热量及所需冷却空气的估算
为了使发动机工作可靠，必须对发动机进行必要的冷却，使它保持一定的温度状态。

由冷却空气带走的热量由下列经验公式估算：
3600u
e h AbP Q =
=6069.493600
4120012176.781425.0=⨯⨯⨯（kJ/s ） 式中 A ——传给冷却系统的热量占燃料热能的百分数，摩托车发动机多
采用汽油机，A=0.20～0.27,取0.25 b ——燃料消耗率（kg/kw ·h ） P e ——功率（kW ） H u ——燃料低热值，41200kg kJ /
已知所需散出热量后，就可估算所需要的冷却空气量。

()12a a p a t t c Q G -=
=
()
00.5272435047.149
.6069=-⨯（kg/s ） 式中 c p ——空气定压比热容，取1.047K kg kJ ⋅/; t a1——流向气缸的冷却空气的温度；
t a2——离开气缸的冷却空气的温度。

设a ρ为空气的密度，则得到冷却空气的容积流量：
()p a a a a C t t Q V ρ12
-=
=
()72.426235
.1047.1243549
.6069=⨯⨯-（m 3/s ）
10.2.2气缸散热性能的估算
在散热片结构尺寸设计以后，应该验算气缸的散热量，检验其能否与所需散热量相适应。

散热面平均换热系数α为：
f v p l ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=4.08.07909.515121.54α=66
.93006.1850307907.515121.544.08.0=⨯⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛-()
K h m
kJ ⋅⋅2
/
式中 v f ——冷却风速，取20m/s ； l ——散热片高度，取30mm ； p ——散热片节距，取50mm 。

当量换热系数'α为：
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛
+=S thmh D h m a P '
2
'
'
1αα12.57464492913.0203106.0106.166.930566.930=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡+⨯⎪⎭⎫
⎝⎛+=
()
K h m
kJ ⋅⋅2
/
m p m δλα
2=
11.15
.260039
.8402=⨯⨯
2
'm
h h δ+
=06.312
5
.230=+
=
()m
式中
p λ——散热片材料的热导率，铝合金为525~630K h m kJ ⋅⋅2/
'h ——散热片当量高度；
'thmh
——双曲函数，见表8-2。

换热系数计算后，则气缸散热量为
21Q Q Q t +=
1Q 为气缸盖散热量
()fm m t t i F Q -=1'11α
()kJ 71076.64615012.574642306014.3⨯=-⨯⨯⨯⨯⨯=
2Q 为气缸体散热量
()fm m t t i F Q -=2'22α
kJ 7
1049.56412.574642445414.3⨯=⨯⨯⨯⨯⨯=
2
2t
t t t t a b a fm ∆+=+=
462026=+=℃ 式中 21,F F ——气缸盖和气缸体外壁基本表面积，即未布置散热片时的表面积
m m t t 21,——气缸盖和气缸体散热片根部的平均温度，通常取铝合金C t m 1501=，C t m 1102=。

fm t ——冷却风道中冷却空气的平均温度；
b a t t ,——散热片通道空气出口温度；
t ∆ ——流过散热片通道时，冷却空气的温升，气缸盖为C 70~40，气缸体为C 60~20，一般估算时，t ∆取为C 40；
i ——气缸数。