在风冷发动机上使用喷管散热的研究

焦 健 张永清

（1.吉林大学 汽车工程学院在读本科生，长春130022；2.河北建筑工程学院，河北 张家口075000）

0 引 言

目前，汽车的节能已经成为了汽车制造的重点研究方向之一.作者希望通过在风冷发动机散热风扇后加装喷管装置，进而提高汽车的散热效率，降低汽车散热风扇的消耗功率，从而达到使汽车的能量更加节约的目的.当前，全球资源紧张，气候变暖对人类的生存和发展形成严峻的挑战.提倡节能环保，发展低碳经济已经是大势所趋.本文在风冷发动机上使用喷管散热，来实现汽车的节能减排，降低喷管的温度.希望通过这种方式达到提高散热效率，节约能源的目的.

1 国内外关于喷管的应用与研究

喷管是一种常见的热工设备.国内外对于喷管的研究与应用比较多.国外的Mahalingam，R.；Poynot，A.；Helsel，J.等人在《Ultrathin synthetic jets for thermal management of consumer electronics》一文中，通过对比不同设备的性能，将微型喷管用于现代电子设备的散热.国内浙江大学崔强在《微喷管中气体流动过程理论分析及试验研究》一文中从理论分析、试验研究和数值模拟三方面对微喷管中气体流动特性进行了阐述.不仅如此，喷管还应用于航空航天等领域.

本文拟通过理论计算，在发动机的冷却系统中加入喷管，证明在发动机冷却系统上使用喷管冷却的理论的可行性及应用的优势所在.

图 2－1

2 风扇结构和喷管安装

2.1 冷却风扇的结构与布置

以BF8L413F风冷柴油机冷却系统为例（图2－1），示意风冷发动机的散热系统的基本结构.对于该风冷发动机来说，两排气缸中间有冷却风扇.风压室由气缸盖、气缸体、机油冷却器、前后挡板和顶盖板等构成.挡风板布置在气缸盖和气缸体的背风面，用以调节风量的分配.冷却发动机的空气进入风压室需要经冷却风扇增压.进入风压室后，分配到各个需要冷却的部件.因为各个冷却部件对冷却空气的阻力大小不同，故其通过的风量大小不同，但是冷却效果依然可以保证.这是风冷发动机冷却风扇的典型布置形式.

对于水冷的发动机冷却系统（图2－2）来说，发动机的冷却靠的是冷却液在散热器芯内流动，依靠散热器，把冷却液中的热量散发到空气中，使得冷却液的温度降低.因为冷却液在受热是会发生膨胀，使得散热器内部的压力增大，故而需要散热器盖这一重要零件（如图2－3所示）.它的作用是当散热器内部压力达到一定程度时，使冷却液流到蓄液罐.当冷却液温度降低，内部压强下降时，冷却液回流入散热器.一般水冷发动机的散热风扇设计在散热器之后.一般水冷发动机处在正常工况下，即水冷发动机汽车高速行驶的时候，经由发动机前流过的的空气可以满足发动机散热需要，考虑到节能环保问题，散热风扇不会在这时候工作.而在慢速和原地运行时，散热风扇就需要转动来帮助散热器散热.

通过上述对两种发动机冷却风扇的布置形式与位置的分析，我们可以得出一个基本的结论：

因为水冷发动机的冷却风扇布置在散热器后面，故采用在冷却风扇前加装喷管的装置不利于水冷发动机结构简化及轻量化.对于风冷发动机来说，在散热风扇后加装喷管装置可以使得风冷发动机风扇运行时能耗减少，利用优化设计，可以使得风冷发动机冷却片数量减少（使得冷却效果相同），从而达到节能目的.

图 2－2

2.2 喷管的结构与布置

喷管是指通过改变管段内壁的几何形状以加速气流的一种装置.喷管分为渐缩喷管，渐扩喷管，缩放喷管.气流在喷管入口处的总压力与出口处的静压力之比称为喷管落压比、膨胀比或压力比.缩放喷管出口面积与临界截面面积（最小截面处的面积）之比称喷管膨胀面积比，也称为面积比.当喷管的背压（即喷管出口出的压强），恰好与外界压力相等时，这样的喷管叫做完全膨胀喷管.在理想状况时，气体充分膨胀，它的性能较好.当气流在喷管的背压（即喷管出口处的静压力）大于外界大气压时，这种喷管叫做不完全膨胀喷管，此时气体能量减少，但是不能充分转化为动能.气体的膨胀不完全.对于本研究中，利用有一定速度的气体在流过喷管后熵值减小，气体温度降低的原理而言，并不要求气体达到或超过当地声速，故选用渐缩喷管即可达到目的.

结合汽车散热风扇的实际情况，笔者认为可以布置多个喷管组成的喷管组在冷却风扇出口处使得设计更加合理.

图 2－3

3 在风冷发动机上使用喷管散热的理论分析与计算

3.1 理论分析

由热力学分析可知，气体流经喷管可以视为绝热过程.根据稳定流动能量方程式有：

在实际使用时，q＝0（绝热过程），喷管进出口压差和位能变化近似为0.故有：

由热力学分析可知，工质的焓h是温度的单值函数，故喷管进出口存在温度差.即喷管出口温度低于进口温度.可以得出这样一个结论，即不论发动机在何种工况下，在风冷发动机冷却风扇后安装喷管装置，都可以使出口温度降低.

由传热学分析可知，风冷发动机的散热方式可以视为对流换热，即流体与相互接触的固体表面之间的热量传递.由对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式可知：h—对流换热系数w／（m2·k）A—与流体接触的壁面面积m2

tw—固体壁表面温度℃

tf—流体温度℃

由牛顿冷却公式可知，在其他条件一定的情况下，降低流体温度有利于发动机的冷却.故使用喷管来帮助发动机冷却，在理论上有助于降低冷却风扇能耗是可行的.

3.2 在风冷发动机上使用喷管的计算

（1）当Pb＞Pcr时，选择渐缩喷管，气体流经渐缩喷管P2＝Pb，c＜a

（2）当Pb＝Pcr时，选择渐缩喷管，渐缩喷管工作能力达到最大c＝a，P2＝Pb＝Pcr但这种情况很难做到，因此对渐缩喷管：c2＜a，P2＝Pb＞Pcr

（3）当Pb＜Pcr时，选择缩放喷管，喉部c＝a，Pb＝Pcr在出口处P2＝Pb＜Pcr，c2＞a在这种情况下，若选渐缩喷管，P2只能降至Pcr，c2＝a，然后在喷管外.P2↓Pb

对于流入喷管前的气体，由理想气体伯努利方程可知：

不妨使汽车达到最高速度180km／h，计算可知，P1≈100kpa，近似取T1≈300K.对于本文中的计算与论证，不妨使得P2≈90kpa，pb＞Pcr选择渐缩喷管.对于空气，k＝1.4.在计算中，取相对速度，即认为c1＝0.故有：

在此条件下，可得T2＝283K.

对流换热相对于无喷管的情况：

说明安装喷管装置后，可以使得风冷发动机的换热效率有提高，进一步研究表明：如果能在不影响发动机进气的情况下降低喷管出口压力P2，可以使得换热效率继续提高.这样，若是使发动机达到相同的冷却效果，可以降低发动机冷却风扇的转速，继而达到使得发动机驱动附件损失减小，发动机效率提高的目的.

3.3 喷管外形的简单设计及验证

对于本文中的论述与推证，根据工程热力学喷管设计的一般原则，取喷管的两个参数：φ＝11°；，在实际设计中，不妨使L＝10mm.根据汽车散热风扇直径以d0＝360mm计算，在冷却风扇后安装一块有4个d2＝100mm喷管的圆形板，可以提高散热效率的目的.同时，使得喷管对气体质量流量的限制较少.如图3.1所示.

图 3－1

4 结 语

本文通过对风冷发动机上使用喷管散热的理论论证及对喷管外形的简单设计，说明在风冷发动机上使用喷管散热的可行性.本文中使用的计算数据仅仅是采用了一种理想的情况，在实际工作过程中，计算值与设计值应该随实际情况、实际工作要求、安装要求等做相应的修正.使用喷管来提高散热效率的方式可以在更广阔的散热场合采用，参数设计合理，就可以提高散热的效率，达到节能减排的目的.

［1］华自强，张忠进，高青，等编.工程热力学，第四版，高等教育出版社

［2］吉林大学，陈家瑞，主编.汽车构造，第三版，机械工业出版社

［3］杨世铭，陶文铨，著.传热学，第四版，高等教育出版社

［4］浙江大学，崔强，微喷管中气体流动过程理论分析及试验研究，2012

［5］Mahalingam，R.；Poynot，A.；Helsel，J.；Ultrathin synthetic jets for thermal management of consumer electronics，2014