冷却系统设计分析纲要

水冷式内燃机由机体——缸盖空腔组成的冷却水套，其水流的组织相当重要，以期达到良好的换热性能，保证发动机工作的可靠性。冷却水套如果设计不良，可能引起一系列问题，诸如：汽油机的早燃，爆振，柴油机的喷油嘴结胶，过热烧死，缸盖热应力开裂，进排气门座变形，漏气烧损气门；湿缸套穴蚀；水套阻力大，影响水流循环等。

工程实践对水流组织的要求有：

（1）气缸数在5以上时，一般宜有纵向布水道（如下图）使水泵输入的水流纵向贯通到机体后端，布水道通常布置在机体的上部或中部，用分水孔向各缸均匀分水。

六缸机纵向布水道

（2）冷却水套沿气缸轴向的长度，应保证气环在上下止点位置时处于水套区内，以保证活塞环的冷却。

（3）整个气缸盖、气门导管孔和气门座周围要求组织高速，首尾衔接的冷却水流。

（4）应避免水流死区和旋涡区，因为它会形成蒸汽囊和空气囊，造成局部过热，引起热应力开裂。应注意保证各缸冷却均匀，可利用气缸垫上水孔的大小差别来控制前后气缸冷却水流的均匀性。

（5）为了防止湿缸套穴蚀，冷却水进出口处不得有急剧的压力降，水流速度不得超过5m/s，最好使水流沿气缸切线方向或螺旋上升方向流向气缸。应使水流沿程的流速和压力不发生剧烈变化，以免产生气泡。

（6）要对汽油机的“鼻梁区”与挤气面，柴油机的“三角区”注意组织好冷却，利用CFD工具，可以在设计之初就对水套就以上各点进行验证，及早发现问题，提高开发效率。

计算得出的表面换热系数。

冷却液迹线图（可依此判断旋涡区，死区）

另外，还可以获得压力云图，局部流场切片图，并依据这些信息按照以上6点对水套的性能进行分析评估。

冷却系总体设计上应按照发动机热平衡的热量分配，将散入冷却液中的热量带走。冷却液沿程阻力要小，设计要保证水泵进水口有足够的气蚀储备压力。气蚀储备压力定义为饱和蒸汽压力之差，它不应小于水泵泵水压力的10％。冷却水的局部压力低于此处温度下的蒸发压力时，便会产生气泡，由此使水泵形成汽—液两相供水现象，流量大为下降，造成发动机过热。

应通过实测或计算获取最大功率和最大扭距工况下各部的静压力，绘出如下图所示的静压分布图，检查校核气蚀储备压力的大小。

当储备压力不足时，首先应对阻力大的部件局部阻力大的部位作改进，降低其流通阻力，只有在不得已的情况下才采用补偿压力的膨胀水箱。

在设计或选用冷却部件时应以散入冷却系统的热量Qw为原始参数，来计算冷却系统的循环水量Vw和冷却空气量Va。Qw值应当在发动机的热平衡试验中确定，也可参考同类型发动机的热平衡试验数据。用经验式：

Qw＝A ge Pe hu / 3600 (kJ/s)

A——燃料热能传给冷却系的分数，取同类机型的统计量，％

ge——比油耗，kg/kW*h

Pe——发动机有效功率

hu——燃油低热值，kJ/kg，汽油：43100，柴油：41870

冷却水的循环量为：

Vw＝Qw/(ΔtwρwCw) (m3/s)

——冷却水循环的容许温升（6～12degC）

——水的密度

——水的比热

综上所述，冷却系热平衡的设计分析流程可归结为：