在風(fēng)冷發(fā)動機上使用噴管散熱的研究

焦 健 張永清

（1.吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院在讀本科生，長春130022；2.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075000）

0 引 言

目前，汽車的節(jié)能已經(jīng)成為了汽車制造的重點研究方向之一.作者希望通過在風(fēng)冷發(fā)動機散熱風(fēng)扇后加裝噴管裝置，進而提高汽車的散熱效率，降低汽車散熱風(fēng)扇的消耗功率，從而達到使汽車的能量更加節(jié)約的目的.當(dāng)前，全球資源緊張，氣候變暖對人類的生存和發(fā)展形成嚴峻的挑戰(zhàn).提倡節(jié)能環(huán)保，發(fā)展低碳經(jīng)濟已經(jīng)是大勢所趨.本文在風(fēng)冷發(fā)動機上使用噴管散熱，來實現(xiàn)汽車的節(jié)能減排，降低噴管的溫度.希望通過這種方式達到提高散熱效率，節(jié)約能源的目的.

1 國內(nèi)外關(guān)于噴管的應(yīng)用與研究

噴管是一種常見的熱工設(shè)備.國內(nèi)外對于噴管的研究與應(yīng)用比較多.國外的Mahalingam，R.；Poynot，A.；Helsel，J.等人在《Ultrathin synthetic jets for thermal management of consumer electronics》一文中，通過對比不同設(shè)備的性能，將微型噴管用于現(xiàn)代電子設(shè)備的散熱.國內(nèi)浙江大學(xué)崔強在《微噴管中氣體流動過程理論分析及試驗研究》一文中從理論分析、試驗研究和數(shù)值模擬三方面對微噴管中氣體流動特性進行了闡述.不僅如此，噴管還應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域.

本文擬通過理論計算，在發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)中加入噴管，證明在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)上使用噴管冷卻的理論的可行性及應(yīng)用的優(yōu)勢所在.

圖 2－1

2 風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和噴管安裝

2.1 冷卻風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)與布置

以BF8L413F風(fēng)冷柴油機冷卻系統(tǒng)為例（圖2－1），示意風(fēng)冷發(fā)動機的散熱系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu).對于該風(fēng)冷發(fā)動機來說，兩排氣缸中間有冷卻風(fēng)扇.風(fēng)壓室由氣缸蓋、氣缸體、機油冷卻器、前后擋板和頂蓋板等構(gòu)成.擋風(fēng)板布置在氣缸蓋和氣缸體的背風(fēng)面，用以調(diào)節(jié)風(fēng)量的分配.冷卻發(fā)動機的空氣進入風(fēng)壓室需要經(jīng)冷卻風(fēng)扇增壓.進入風(fēng)壓室后，分配到各個需要冷卻的部件.因為各個冷卻部件對冷卻空氣的阻力大小不同，故其通過的風(fēng)量大小不同，但是冷卻效果依然可以保證.這是風(fēng)冷發(fā)動機冷卻風(fēng)扇的典型布置形式.

對于水冷的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)（圖2－2）來說，發(fā)動機的冷卻靠的是冷卻液在散熱器芯內(nèi)流動，依靠散熱器，把冷卻液中的熱量散發(fā)到空氣中，使得冷卻液的溫度降低.因為冷卻液在受熱是會發(fā)生膨脹，使得散熱器內(nèi)部的壓力增大，故而需要散熱器蓋這一重要零件（如圖2－3所示）.它的作用是當(dāng)散熱器內(nèi)部壓力達到一定程度時，使冷卻液流到蓄液罐.當(dāng)冷卻液溫度降低，內(nèi)部壓強下降時，冷卻液回流入散熱器.一般水冷發(fā)動機的散熱風(fēng)扇設(shè)計在散熱器之后.一般水冷發(fā)動機處在正常工況下，即水冷發(fā)動機汽車高速行駛的時候，經(jīng)由發(fā)動機前流過的的空氣可以滿足發(fā)動機散熱需要，考慮到節(jié)能環(huán)保問題，散熱風(fēng)扇不會在這時候工作.而在慢速和原地運行時，散熱風(fēng)扇就需要轉(zhuǎn)動來幫助散熱器散熱.

通過上述對兩種發(fā)動機冷卻風(fēng)扇的布置形式與位置的分析，我們可以得出一個基本的結(jié)論：

因為水冷發(fā)動機的冷卻風(fēng)扇布置在散熱器后面，故采用在冷卻風(fēng)扇前加裝噴管的裝置不利于水冷發(fā)動機結(jié)構(gòu)簡化及輕量化.對于風(fēng)冷發(fā)動機來說，在散熱風(fēng)扇后加裝噴管裝置可以使得風(fēng)冷發(fā)動機風(fēng)扇運行時能耗減少，利用優(yōu)化設(shè)計，可以使得風(fēng)冷發(fā)動機冷卻片數(shù)量減少（使得冷卻效果相同），從而達到節(jié)能目的.

圖 2－2

2.2 噴管的結(jié)構(gòu)與布置

噴管是指通過改變管段內(nèi)壁的幾何形狀以加速氣流的一種裝置.噴管分為漸縮噴管，漸擴噴管，縮放噴管.氣流在噴管入口處的總壓力與出口處的靜壓力之比稱為噴管落壓比、膨脹比或壓力比.縮放噴管出口面積與臨界截面面積（最小截面處的面積）之比稱噴管膨脹面積比，也稱為面積比.當(dāng)噴管的背壓（即噴管出口出的壓強），恰好與外界壓力相等時，這樣的噴管叫做完全膨脹噴管.在理想狀況時，氣體充分膨脹，它的性能較好.當(dāng)氣流在噴管的背壓（即噴管出口處的靜壓力）大于外界大氣壓時，這種噴管叫做不完全膨脹噴管，此時氣體能量減少，但是不能充分轉(zhuǎn)化為動能.氣體的膨脹不完全.對于本研究中，利用有一定速度的氣體在流過噴管后熵值減小，氣體溫度降低的原理而言，并不要求氣體達到或超過當(dāng)?shù)芈曀?，故選用漸縮噴管即可達到目的.

結(jié)合汽車散熱風(fēng)扇的實際情況，筆者認為可以布置多個噴管組成的噴管組在冷卻風(fēng)扇出口處使得設(shè)計更加合理.

圖 2－3

3 在風(fēng)冷發(fā)動機上使用噴管散熱的理論分析與計算

3.1 理論分析

由熱力學(xué)分析可知，氣體流經(jīng)噴管可以視為絕熱過程.根據(jù)穩(wěn)定流動能量方程式有：

在實際使用時，q＝0（絕熱過程），噴管進出口壓差和位能變化近似為0.故有：

由熱力學(xué)分析可知，工質(zhì)的焓h是溫度的單值函數(shù)，故噴管進出口存在溫度差.即噴管出口溫度低于進口溫度.可以得出這樣一個結(jié)論，即不論發(fā)動機在何種工況下，在風(fēng)冷發(fā)動機冷卻風(fēng)扇后安裝噴管裝置，都可以使出口溫度降低.

由傳熱學(xué)分析可知，風(fēng)冷發(fā)動機的散熱方式可以視為對流換熱，即流體與相互接觸的固體表面之間的熱量傳遞.由對流換熱的基本計算公式——牛頓冷卻公式可知：h—對流換熱系數(shù)w／（m2·k）A—與流體接觸的壁面面積m2

tw—固體壁表面溫度℃

tf—流體溫度℃

由牛頓冷卻公式可知，在其他條件一定的情況下，降低流體溫度有利于發(fā)動機的冷卻.故使用噴管來幫助發(fā)動機冷卻，在理論上有助于降低冷卻風(fēng)扇能耗是可行的.

3.2 在風(fēng)冷發(fā)動機上使用噴管的計算

（1）當(dāng)Pb＞Pcr時，選擇漸縮噴管，氣體流經(jīng)漸縮噴管P2＝Pb，c＜a

（2）當(dāng)Pb＝Pcr時，選擇漸縮噴管，漸縮噴管工作能力達到最大c＝a，P2＝Pb＝Pcr但這種情況很難做到，因此對漸縮噴管：c2＜a，P2＝Pb＞Pcr

（3）當(dāng)Pb＜Pcr時，選擇縮放噴管，喉部c＝a，Pb＝Pcr在出口處P2＝Pb＜Pcr，c2＞a在這種情況下，若選漸縮噴管，P2只能降至Pcr，c2＝a，然后在噴管外.P2↓Pb

對于流入噴管前的氣體，由理想氣體伯努利方程可知：

不妨使汽車達到最高速度180km／h，計算可知，P1≈100kpa，近似取T1≈300K.對于本文中的計算與論證，不妨使得P2≈90kpa，pb＞Pcr選擇漸縮噴管.對于空氣，k＝1.4.在計算中，取相對速度，即認為c1＝0.故有：

在此條件下，可得T2＝283K.

對流換熱相對于無噴管的情況：

說明安裝噴管裝置后，可以使得風(fēng)冷發(fā)動機的換熱效率有提高，進一步研究表明：如果能在不影響發(fā)動機進氣的情況下降低噴管出口壓力P2，可以使得換熱效率繼續(xù)提高.這樣，若是使發(fā)動機達到相同的冷卻效果，可以降低發(fā)動機冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，繼而達到使得發(fā)動機驅(qū)動附件損失減小，發(fā)動機效率提高的目的.

3.3 噴管外形的簡單設(shè)計及驗證

對于本文中的論述與推證，根據(jù)工程熱力學(xué)噴管設(shè)計的一般原則，取噴管的兩個參數(shù)：φ＝11°；，在實際設(shè)計中，不妨使L＝10mm.根據(jù)汽車散熱風(fēng)扇直徑以d0＝360mm計算，在冷卻風(fēng)扇后安裝一塊有4個d2＝100mm噴管的圓形板，可以提高散熱效率的目的.同時，使得噴管對氣體質(zhì)量流量的限制較少.如圖3.1所示.

圖 3－1

4 結(jié) 語

本文通過對風(fēng)冷發(fā)動機上使用噴管散熱的理論論證及對噴管外形的簡單設(shè)計，說明在風(fēng)冷發(fā)動機上使用噴管散熱的可行性.本文中使用的計算數(shù)據(jù)僅僅是采用了一種理想的情況，在實際工作過程中，計算值與設(shè)計值應(yīng)該隨實際情況、實際工作要求、安裝要求等做相應(yīng)的修正.使用噴管來提高散熱效率的方式可以在更廣闊的散熱場合采用，參數(shù)設(shè)計合理，就可以提高散熱的效率，達到節(jié)能減排的目的.

［1］華自強，張忠進，高青，等編.工程熱力學(xué)，第四版，高等教育出版社

［2］吉林大學(xué)，陳家瑞，主編.汽車構(gòu)造，第三版，機械工業(yè)出版社

［3］楊世銘，陶文銓，著.傳熱學(xué)，第四版，高等教育出版社

［4］浙江大學(xué)，崔強，微噴管中氣體流動過程理論分析及試驗研究，2012

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