冷却散热系统：风冷式和水冷式的区别及设计要点

（一）冷却散热系统简述

试验平台的动力系统在工作时都会产生大量的热，热量的堆积会严重影响到整个系统的安全和稳定，因此为保证动力系统的正常工作，需要设计冷却散热系统来控制动力系统的温度。根据冷却介质的不同，冷却系统分为风冷式和水冷式两种。

其中风冷式冷却系统是利用空气作为冷却介质，通过高温零件与空气的交互，将零件上的热量直接散入大气中，如图4-39所示。

图4-39　风冷式冷却系统示意图

风冷式散热系统是在发动机燃烧室外部设置较多的散热片，利用空气流动或增加散热风扇的方式让较冷的空气通过散热片，从而达到将热量散发出来的目的，该方法适用于功率较小、发热量较小的发动机使用，现阶段军用车辆动力系统已不常用。

水冷式冷却系统是以水或冷却液作为冷却介质，通过水或冷却液将零件上的热量带走，同时在动力系统温度较低时还可以利用较高的水温对动力系统进行预热，便于起动等。水冷式冷却系统根据冷却对象的不同，可分为冷却液温度控制系统和机油温度控制系统，这两个系统实现对试验台架温度的控制。

（二）冷却液温度控制系统的原理和组成

冷却液的温度对于发动机和电动机而言都是影响运转的一个重要参数。对发动机而言，当温度过低时容易引起废气排放变差、零部件磨损加剧、功率输出减小等，同时发动机的温度过低也会引起点火困难、燃油雾化差、燃烧后的水蒸气易冷凝成水等问题。而当发动机温度过高时会降低充气效率，使发动机功率降低；早燃和爆燃倾向加大，使零部件遭受额外的冲击，以及运动部件正常间隙的变化，造成磨损加剧等。

对于电机而言，当温度过高时会影响电机内部绕组的散热，加速绝缘层的老化，甚至导致电机的烧毁，而当温度过低时可能造成润滑处润滑脂黏性增大，增大了起动负载，当电机温度低于环境温度时也可能在内部产生冷凝水，影响电机的运行安全。因此需要设计相应的冷却液温度辅助系统来控制温度。

冷却液温度控制系统主要是利用外部的冷却塔提供温度较低的冷却水，通过换热器来冷却系统中的冷却液，同时利用加热器加热部分冷却液，通过控制器和温度传感器经PID算法计算比例调节阀的开度来混合两种温度的冷却液，从而控制输出恒定温度的水温，以保障动力系统的温度。影响冷却系统进行散热的主要因素为冷却液的循环量和水温，其中水温可利用控制器对其进行调控，可实现较大范围内的水温设定，满足冷却和预热的功能。

冷却液的循环量是影响散热的另一重要原因，其冷却系统的散热量与冷却水的循环量存在以下关系：

式中　Vw——冷却水的循环量（m3/s）；

Qw——冷却系统的散热量（kJ/s）；

Δtw——冷却水在发动机内循环时所容许的温升，通常取6～12℃；

γw——水的密度，可近似取1 000 kg/m3；

Cw——水的比热，可近似取4.187 kJ/（kg·℃）。(www.xing528.com)

因此，在水温设定好后需要提高冷却系统的散热量，可通过增加冷却液的循环量来实现，而冷却液的循环量与循环泵压力有关，由于系统的散热量与发动机的发热量相同，其公式如下：

式中　Pmax——发动机最大功率（kW）；

gs——发动机燃料消耗率，额定工况可取0.210～0.270 kg/（kW·h）；

H——燃料的热值，汽油取43 070 kJ/kg。

因此根据公式可计算出冷却系统需要的设计散热量，然后利用散热量计算出需要的循环流量。

（三）机油温度控制系统

机油温度控制系统是用于控制发动机机油温度的设备，其可用于防止机油温度过高影响润滑，在进行测试时为保证发动机性能和测试数据，要求发动机处于热机状态，机油温度需要控制在85℃±5℃范围内。此时需要机油温度控制系统来降低机油温度，通常的机油温度控制系统分以下两种。

（1）喷淋式冷却系统：喷淋式冷却系统是在发动机油底壳下端水平放置一组冷却水管，水管上部布满喷孔，喷孔正对油底壳底部，当机油温度达到规定值时打开冷却水阀门进行喷淋，对油底壳内的机油进行冷却。该方式冷却强度不足，大功率运行时机油不能及时降温，另外，喷淋冷却水的飞溅不仅影响试验室内的环境，而且喷淋的液体容易飞溅出来弄湿线路影响安全。

（2）机油外循环强制冷却系统：外循环强制冷却即在发动机外部设置一个机油温度控制系统，利用该系统实现对机油温度的控制，可选择冷却功率，达到对机油温度更好的控制。

机油温度控制系统在安装时需要与发动机的机油箱进行连接，因此需要在发动机下方开孔，从而将发动机内部的机油与温控系统连接，通过热交换器将发动机内温度较高的机油经冷却水降温，实现对机油温度的控制。机油温度控制系统的原理与冷却液温度控制系统基本相同，也是需要外接冷却水来实现温度控制。

根据发动机原理，发动机工作时传入机油中的热量Qc约为气缸中总放热量的1.5%～2.0%，即

式中，Qf为每小时加入发动机的热量，其计算公式为：

式中　Pe——发动机功率（kW）；

ηe——发动机有效效率，汽油机约为0.25，柴油机约为0.35。

根据计算出的热量值可选择相应的机油温度控制系统的功率，以满足机油的散热要求。