[科普中国]-液冷式发动机

液冷式发动机或是液冷式引擎是描述发动机在运作时产生的废热是经由环绕在汽缸外围的冷却液的管线加以排除。冷却液在吸收汽缸的热量之后会通过一个热交换器，将吸收的热量与外界的空气进行交换，接着冷却液会回到储存箱中继续循环运作。

介绍大部分的冷却液是以水和其他添加物（如乙二醇）混合之后使用，因此也有人将此种发动机称为水冷式发动机。液冷式发动机或是引擎常见于螺旋桨活塞发动机或者是汽车的引擎使用上。早期的设计还分为加压与不加压两种型态。不加压的意思是指冷却管线当中的压力与外界大气压力相同，加压则以密闭的方式维持一个较高的压力。

加压的液冷式发动机的散热效果较好，发动机可以较高的转速持续运作，使用在飞机的发动机上面时，比较不会受到高度的影响而大幅减弱散热的效果1。

相对于气冷式发动机，液冷式发动机的设计比较复杂，生产上的精密度要求也比较高。对飞机的使用来说，液冷式发动机虽然有冷却水箱以及管线的体积，但是在正面的截面积上还是比气冷式发动机要小，飞行时产生的阻力也较低。可是在作战中管线发生损坏的时候，液冷式发动机很快就会因为缺乏有效的冷却而无法继续运作，相对于气冷式发动机而言，对抗作战损坏的能力较差。

进展发动机冷却水泵的效率比普通离心泵低 10% ～20%，而国内发动机冷却水泵的效率与国外 相比也存在明显差距，效率低7% ～15%． 为了提 高发动机冷却水泵的效率，许多学者在性能预测和 内部流动等方面开展了大量研究工作，并在此基础 上对发动机冷却水泵的水力性能进行了优化设计 与结构改进． 性能预测是能量特性研究的重要组成部分， CFD 数值模拟方法可预测扬程及效率，大大减轻了 设计人员的工作量，显著提高了设计效率和准确程 度． 应用数值模拟方法预测了发动机冷 却水泵的性能，预测值比实验值稍高但总体趋势一 致．对3 个典型的发动机冷却水泵模 型进行了数值计算，求出各个部件的水力损失，对 损失系数进行回归分析，得到了各个部件的水力损 失和泵中结构参数之间的关系( 损失系数与雷诺 数、比转数之间的数学关系) ，建立了各部件水力损 失模型和性能预测模型。

分类大部分的冷却液是以水和其他添加物（如乙二醇）混合之后使用，因此也有人将此种发动机称为水冷式发动机。液冷式发动机或是引擎常见于螺旋桨活塞发动机或者是汽车的引擎使用上。早期的设计还分为加压与不加压两种型态。不加压的意思是指冷却管线当中的压力与外界大气压力相同，加压则以密闭的方式维持一个较高的压力。

加压的液冷式发动机的散热效果较好，发动机可以较高的转速持续运作，使用在飞机的发动机上面时，比较不会受到高度的影响而大幅减弱散热的效果。

冷却风扇液冷汽车发动机的冷却风扇是冷却系重要部件之一，如果设计优良，匹配合理，则凤扇在工作时其功率消耗仅为发动机额定功率的3~5%。为了保证发动机正常工作，对风扇提出了各种要求：如提供足够的风量;有一定的扇风压头值以便克服系统阻力;消耗功率要小;容积效率要高且等效率区域宽阔，尽可能在高效率区域工作;要求噪声低;结构重量轻和成本低。因此，风扇的设计和使用正确与否对发动机有效的工作起着重要作用。

风扇的结构型式及其特点车用冷却风扇从结构型式可分为轴流式和离心式两种。在液冷发动机上应用比较广泛的是轴流式风扇。轴流式风扇从叶片的结构型式又可分为刚性和挠性两种。

1.刚性叶片风扇

刚性叶片是指风扇叶片在工作时没有可见的弹性变形。叶片的断面型式又可分为机翼型、薄板型及导流型。

（1）机翼型叶片

这种叶型的风扇其叶片断面结构比较合理，叶片的空气动力性能好，效率高，适应于高速运转。但由于它的断面形状要求严格，制造成本高，所以它渐渐为薄板型叶片所代替。

（2）薄板型叶片

由于此种叶片便于冲压成型，结构简单，生产效率高，所以广泛地应用在车用发动机上。其叶型可分为三种：直叶风扇由于结构简单，故便于组织生产。前弯叶片风扇由于叶片前端有一部分向前弯曲，所以运转时它所排除的空气不完全为轴流，而有一部分气流和轴近似成45。方向向侧面排出，这样就能减少排风时的背压，提高了使用效率。另外，前弯叶片风扇在运转中能减少噪声强度。它的缺点是结构比较复杂，安装时轴向尺寸稍大。铲型叶片风扇叶片形似小铲，一般是前端宽后端窄。采用这种叶形是想充分利用风扇叶片在周向安装时前端有较大的空间的特点，并且利用了叶片前端效率高的特点，适当增加扇风面积而设计的。

（3）导流型

导流型风扇是最近发展起来的，其特点是在叶片的工作面上有导流叶片，它的作用是使风扇运转时给气流导向，在结构尺寸相同的条件下，导流风扇比一般凤扇能提高扇风量及静压，使整个特性得到改善。但这种叶片工艺性差，实际使用较少。

2.挠性叶片风扇

挠性叶片凤扇在运转过程中叶片的投影宽度随转速的提高而变化。所以叶片在空气中的作用面积也就变化，风扇的扇风量随之改变。风扇的驱动功率得到明显改善。叶片在工作时能变形是由于材质很薄而形成。另外风扇叶片和托板的联接方式也促使风扇在运转时叶片的质量中心对托板的支点产生一个力矩，使叶片的投影宽度改变。挠性风扇由于叶片的材质很薄，为防止工作过程图1挠：性风`扇中叶面的腐蚀损坏必须进行防腐处理。这种风扇虽然性能很好，但由于它本身的特殊要求而没有广泛使用，只在一些极个别的要求高的车辆中使用。

影响风扇工作性能的因素冷却风扇自身性能好坏在很大程度上是由它的结构因素决定的。结构因素一般指：风扇直径、叶片数目、叶片安装角、叶片宽度、叶片弦宽与其拱高和叶片弦宽与叶片圆弧半径的比值等因素。

（1）风扇直径对风扇工作性能的影响

风扇的直径和性能关系极为密切，一般在总布置允许的情况下尽量加大风扇直径而降低使用转速，这样在达到同样风量、风压的情况下，能够减少驱动风扇的功率消耗，提高发动机的有效功率，改善经济性，减少噪声强度，改善使用舒适性。所以说，风扇的外径尺寸一般是由总布置和散热器的正面积尺寸所决定2。

（2）叶片数目对风扇工作性能的影响

叶片的数目决定了风扇扇风面积的大小。一般风扇叶片数越多则扇风面积越大，相应提供的风量也大，静压高，功率消耗加大。

（3）叶片宽度对风扇工作性能的影响

叶片宽度的大小反映了凤扇的扇风面积的变化。增加风扇叶片的宽度能使风扇提供的风量、静压、功率消耗有不同程度的增加。如果各参数选择得合理，空气动力性能利用得好，其效率也会有一定的提高。但凤量超过一定值时效率反而下降。叶片宽度的选择必须和其它参数相配合才能达到预期的效果，否则适得其反。例如某风扇直径为φ570mm，由于安装风扇离合器轮毅直径太大，则使叶片很短，为了得到足够量的空气流量而加大了叶片的宽度，叶片数增加到8叶，使用37度的安装角。由于其参数选择得极不合理，造成空气动力性能的恶化，虽然风量、静压有所提高，低其效率仅为22%，实际使用效率更低3。

（4）叶片表面装导流片对风扇工作性能的影响

在风扇叶片表面加装导流片的目的是为了改变其空气动力性能，减少气流的干扰，防止回流，提高风扇的性能。

应用相对于气冷式发动机，液冷式发动机的设计比较复杂，生产上的精密度要求也比较高。对飞机的使用来说，液冷式发动机虽然有冷却水箱以及管线的体积，但是在正面的截面积上还是比气冷式发动机要小，飞行时产生的阻力也较低。可是在作战中管线发生损坏的时候，液冷式发动机很快就会因为缺乏有效的冷却而无法继续运作，相对于气冷式发动机而言，对抗作战损坏的能力较差。

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学