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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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。,
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