对于LA 和LB，原始尺寸是它们发生联系的环节，被称为公共环节。在这里，尺寸传递过程中只有一个公共环节，以后的各个环节都是单独进行的，所以，称它为独立制造原则。图3-8按相互修配原则制造口盖与蒙皮（放大点）1—设计图纸尺寸；2—口盖样板；3—口盖冲模；4—口盖；5—蒙皮；6—口盖与蒙皮4.三种尺寸传递原则的应用上面讨论了3 种不同的协调原则（或尺......
2023-07-18
冷却系统的运作原理与优化方法
【摘要】：节温器的开启温度通常为82℃，在寒冷地区为87℃，大型船舶用发动机为52℃左右。散热是行驶时利用自然风、停车时利用离合器式或电动式冷却风扇进行散热。在低负荷领域因冷却液入口温度高，可以降低摩擦损失。这是因为需要通过检测冷却液温度并控制流量，会出现随冷却液温度变化的响应延迟。
冷却方式有水冷、空冷等方式。汽车、航空器、船舶用发动机主要采用水冷方式，缸径150mm以下的摩托车发动机或小型农用、工用发动机等以空冷式为主。
1.冷却系统组成
汽车发动机最具代表性的水冷式冷却系统如图8-4所示，主要由水套、节温器、散热器、冷却风扇、水泵和旁通通道组成。
图8-4 汽车发动机的冷却系统
（1）水套 是在气缸体、气缸盖上设计的冷却液通道。冷却液在此通道中流动，冷却气缸体、气缸盖、气门座和气门导管等，以把发动机各部位的温度保持在适当的工作温度。
（2）节温器 节温器是保持冷却液适当温度的冷却液温度调节器。如果节温器的时间常数（完全打开为止的时间）大，在寒冷地区等会出现温度控制不稳定的现象，即会出现升程不足或升程过大等孵化（Hatching）现象，导致发动机的磨损。节温器的开启温度通常为82℃，在寒冷地区为87℃，大型船舶用发动机为52℃左右。
（3）散热器 是一种热交换器，是把在发动机上加热的冷却液进行冷却的装置。在散热器盖上配备有压力调节阀，最近设定压力可以达到0.19MPa左右的高压，随着冷却液的沸点也达到110～120℃的高温，因此可以使散热器小型化。散热是行驶时利用自然风、停车时利用离合器式或电动式冷却风扇进行散热。
如图8-5所示为多种类型的散热器芯。空气流过散热器芯散热，以对冷却液进行冷却。
图8-5 多种类型的散热器芯
（4）水泵 是把冷却液压送到发动机内进行循环的装置，主要使用离心式泵。安装在气缸体上，由曲轴通过风扇驱动带连接驱动。
2.冷却方式
（1）水冷式 水冷式为通过水泵强制反复循环冷却液进行冷却的方式，也称为强制循环式。此类型具有冷却液入口温度较高、冷却均匀、冷却效果好、噪声小等优点。还能用作室内暖风加热器的热源，因此不仅用在汽车上，还用在使用低品质柴油的大型船舶上。
水冷式根据保持一定的冷却液温度的方式分为出口控制方式和入口控制方式，如图8-6所示。
图8-6 冷却液温度的控制方式差异
①出口控制方式：是保持一定的冷却液出口温度的控制方式，在发动机冷却液出口设置有节温器。在低负荷领域因冷却液入口温度高，可以降低摩擦损失。但是，低温起动和暖机运行中出现的冷却液温度变化与入口控制方式相比有大的缺点。这是因为需要通过检测冷却液温度并控制流量，会出现随冷却液温度变化的响应延迟。
②入口控制方式：在发动机冷却液入口设置节温器的方式。此方式没有随冷却液温度变化的响应延迟现象，因此可以防止冷却液温度的变化。但与出口控制方式相比设置的出口冷却液温度低，因此在低负荷状态的摩擦损失比出口控制方式大。但是在全加速状态控制为低温，因而具有良好的防爆燃性能。
（2）空冷式 空冷式冷却装置的结构如图8-7所示，是在气缸或气缸盖配置的散热片上直接流过空气进行冷却的方式。此类型因不需要水泵等冷却装置，具有重量轻、暖机运行时间短等优点。但存在运行噪声大、润滑油消耗量大以及在气缸圆周温差大易造成热变形等缺点。因此，空冷式在汽车用发动机上不采用，仅使用在摩托车等小型发动机上。
图8-7 空冷式冷却装置的结构
空冷式有自然通风式和通过风扇强制通风进行冷却的强制通风方式。一般情况下散热片的厚度越小，单位面积、单位时间的散热量就会越大。
3.冷却液量、冷却空气量
（1）水冷式 冷却液量可以通过发动机的全供给热量中的冷却损失比率来求得。即，燃料的发热量
中冷却损失比率为α时，可以用下式计算每小时冷却散热量
式中，燃料质量流动率
利用公式
计算。
冷却液量
根据式（8.17）可以表示为
在表8-5中，汽车发动机的能量平衡中冷却损失比率为，汽油机是0.25～0.32，柴油机是0.25～0.35。如表8-6所示，大体上冷却散热量为，汽车用汽油机是500～640kcal/（PS·h），汽车用柴油机是500～700kcal/（PS·h），船舶用四冲程柴油机是500～600kcal/（PS·h）。
表8-6 汽车用发动机的冷却液温度和散热量
理想的水冷式应尽可能保持高的冷却液温度，入口和出口温度差ΔT尽量要保持在小（10℃以下）的范围内，并且冷却液流量要大，使各部分的温度均等。
（2）空冷式 空冷式在气缸盖或气缸体上配置有散热片。散热片的形状如图8-8所示，有抛物线形、锥形等。如果散热片之间的距离小，会导致空气阻力的增加，内部流速会降低，散热量会反而减小。散热片的形状以小片形状获得高散热量为较理想的，如图8-8a所示。在理论上由两个抛物线形成的形状在长度方向的热量分布较为理想，但因结构和铸造方面的问题，多采用图8-8b所示的锥形散热片。散热片的高度（长度）与散热片根部厚度ε和气缸内径B之间有关联。实用的散热片根部厚度是，铸铁气缸为3～5mm，铝合金气缸为2.0～2.5mm。
图8-8 散热片形状
可以用下式计算散热片所需的空气流量
。
式中，
为发动机的空冷散热量；ρa（kg/m3）为空气的密度；ca[kJ/（kg·K）]为空气的质量定压热容；（T2-T1）为空气入口与出口温度差（K）。
4.冷却面积
冷却面积要考虑受热面积和散热面积。该参数随接收的热量和冷却方式的不同而有所变化。
（1）受热面积 无论是水冷式还是空冷式，受热面积均为发动机燃烧室的表面积。燃烧室分为由气缸盖、活塞头部和进气门、排气门围成的一定表面积部分和由气缸壁与上下运动的活塞围成的可变表面积部分。Mackerle把气缸壁表面积的有效部分规定为活塞行程的1/2，因此受热表面积As（cm2）可表示为
式中，B、S——分别为气缸内径和活塞行程。
（2）散热面积 无论是水冷式发动机还是空冷式发动机，任何发动机都可以用式（8.20）计算受热面积。但是散热面积有很大的差异。空冷式把接收的热量通过气缸外壁直接向周围空气散热，但水冷式把接收的热量首先传递到冷却液，然后由冷却液通过散热器向空气中散热。因此，散热面积是，水冷式为散热器的散热面积，空冷式为与空气接触的发动机外壁表面积（散热片表面积）。
水冷式发动机的冷却液流速通常为0.5～1.0m/s，此时水的热传递系数hc为5000～6000kcal/m2h℃。空冷式发动机的冷却空气速度为18～22m/s，空气侧热传递系数ha为100～200kcal/m2h℃。因为空气热传递系数为水热传递系数的1/37左右，因此有必要加大空冷式的冷却面积，从而配置有散热片。
空冷式的散热面积（散热片表面积）可以通过冷却热量加以计算，并要考虑散热片的尺寸减小或为等温散热的片形状等方面。散热量随散热片的形状、温度差、空气流速和使用条件等不同而不同（图8-9）。实际散热面积是通常利用经验式和通过运行结果进行修正得出的。散热片总面积At（m2）的计算公式通常为：
式中，S、B分别为活塞行程和气缸内径（m）；
为轴功率（kW）；Vh为工作容积（L）；a为试验常数，航空用发动机为（8.3～10）×10-6，汽车用发动机为（12～18.5）×10-6，小型强制通风式发动机为（50～61）×10-6，小型自然通风式发动机为（63～70）×10-6。据此，每一个气缸散热片的面积A[m2/L]的计算式如下：
图8-9 散热片周围空气的流动
另外，单位输出功率的散热片面积Ap（m2/kW）用下式进行计算：
5.冷却介质
（1）冷却剂 冷却剂有水、空气、润滑油、海水等，主要使用水和空气。汽车用发动机的冷却介质主要为冷却液，船舶用发动机一起使用冷却液和润滑油。冷却液、空气、润滑油直接与发动机的内部或外部接触冷却，因此称为直接冷却剂，船舶用发动机可以把海水转换为直接冷却剂，因此称为间接冷却剂。空气也可以作为间接冷却剂。
①冷却液：冷却液的冷却效果好，因此作为发动机、润滑油、增压器、中间冷却器、防噪器等的冷却剂使用。
②空气：空冷式发动机把大气中的空气作为冷却剂使用。目前汽车用发动机几乎不采用空冷式，大众汽车的甲壳虫初期车型采用空冷式发动机。水和空气的物理特性见表8-7。空气与水相比，热传导率k约为1/23，温度传导率a约为1/160，质量热容约为1/5，因此作为冷却介质远不如水。
③润滑油：润滑油冷却方式是分散在活塞内部对活塞进行冷却，并进入发动机的各部位循环吸收摩擦热。通过发动机内部循环吸收热量的高温润滑油流过润滑油冷却器，用冷却液进行冷却后再循环到发动机内。作为冷却剂的润滑油存在高温碳化的危险，并且其质量热容为水的1/2，冷却效果稍差。
表8-7 水和空气的物性值
注：温度传导率a=k/（cVu）[m2/h]。
④海水：海水在船舶用发动机作为间接冷却剂使用。海水中因含有钙（Ca）、镁（Mg）等盐类，如果处于高温状态会形成鳞状物质，易造成冷却效果降低。尤其是，如果温度超过55℃，会析出盐分，阻碍传热作用，因此应把温度保持在45℃左右。海水不能作为直接冷却剂而作为间接冷却剂的原因即在此。
（2）防冻液 防冻液是在冬季防止冷却液被冻结而使用的。冬季气温在0℃以下时，冷却液就会冻结。这不仅会使冷却液失去冷却作用，还会因水冰冻过程中约9%的体积膨胀，导致发动机气缸体或其他部件龟裂或破裂。
防冻液的主成分有甲醇或乙二醇。这些防冻剂与纯水混合使用，其混合比例随冰点的不同而不同。
甲醇的沸点为82℃，冰点为-30℃，能经受较低的温度，但其沸点比水低，一旦冷却液温度上升到一定程度会蒸发，因此不能作为永久性的冷却剂使用。乙二醇无味，蒸发少，冰点为-50℃，因此能作为永久性冷却剂使用。
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