散热器（发动机冷却）

散热器是用于冷却内燃机的热交换器，主要用于汽车，但也用于活塞发动机的飞机、铁路机车、摩托车、固定式发电厂或此类发动机的任何类似用途。

内燃机通常通过循环称为发动机冷却剂的液体通过发动机缸体和气缸盖进行冷却，在气缸盖中加热，然后通过散热器将热量散失到大气中，然后返回发动机。发动机冷却液通常是水基的，但也可能是油。通常使用水泵来强制发动机冷却液循环，也使用轴流风扇强制空气通过散热器。

在具有液冷内燃机的汽车和摩托车中，散热器连接到贯穿发动机和气缸盖的通道，液体（冷却剂）通过该通道被泵送。这种液体可能是水（在水不太可能结冰的气候中），但更常见的是水和防冻剂按适合气候的比例混合而成。防冻液本身通常是乙二醇或丙二醇（含少量缓蚀剂）。

典型的汽车冷却系统包括：

• 一系列铸入发动机缸体和气缸盖的通道，用循环液体围绕燃烧室带走热量；
• 一个散热器，由许多小管组成，配有蜂窝状的翅片以快速散热，用于接收和冷却来自发动机的热液体；
• 水泵，通常是离心式的，用于使冷却剂循环通过系统；
• 恒温器通过改变进入散热器的冷却液量来控制温度；
• 通过散热器吸入冷空气的风扇。

燃烧过程的副产品是大量的热量。如果允许发动机中的热量不受控制地增加，部件最终会膨胀到它们停止旋转的程度。为了对抗这种影响，冷却液在发动机中循环，吸收发动机的热量。一旦冷却液从发动机吸收热量，它就会继续流向散热器。散热器将热量从内部流体传递到外部空气，从而冷却流体，进而冷却发动机。散热器还经常用于冷却自动变速箱油、空调制冷剂、进气，有时还用于冷却机油或动力转向油。散热器通常安装在它们接收来自车辆向前运动的气流的位置，例如前格栅后面。在发动机中置或后置的情况下，通常将散热器安装在前格栅后面以获得足够的气流，即使这需要较长的冷却液管。或者，散热器可以从车辆顶部上方的气流中或从侧面安装的格栅中吸入空气。对于长途汽车，例如公共汽车，侧面气流最常用于发动机和变速箱冷却，而顶部气流最常用于空调冷却。

汽车散热器由一对金属或塑料集水箱构成，由一个带有许多狭窄通道的核心连接，相对于体积而言，它具有较高的表面积。该芯通常由堆叠的金属片层制成，压制形成通道并焊接或钎焊在一起。多年来，散热器由黄铜或铜芯制成，焊接到黄铜集管上。现代散热器具有铝芯，并且通常通过使用带垫圈的塑料集管来节省金钱和重量。与传统材料相比，这种结构更容易出现故障且不易修复。

较早的建造方法是蜂窝散热器。圆管的末端被锻造成六边形，然后堆叠在一起并焊接。由于它们只接触到它们的末端，这实际上形成了一个固体水箱，其中有许多空气管穿过它。

一些老式汽车使用由盘管制成的散热器芯，效率较低但结构更简单。

散热器首先使用向下垂直流动，完全由热虹吸效应驱动。冷却液在发动机中被加热，密度变小，因此上升。随着散热器冷却流体，冷却剂变得更稠密并下降。这种效果对于低功率的固定式发动机来说已经足够了，但对于除了最早的汽车之外的所有发动机都是不够的。多年来，所有汽车都使用离心泵来循环发动机冷却液，因为自然循环的流量非常低。

通常结合阀门或挡板或两者的系统以同时操作车辆内的小型散热器。这个小型散热器和相关的鼓风机称为加热器芯，用于加热机舱内部。与散热器一样，加热器芯的作用是从发动机中带走热量。出于这个原因，汽车技术人员经常建议操作员在发动机过热时打开加热器并将其设置为高，以辅助主散热器。

现代汽车的发动机温度主要由蜡粒型恒温器控制，一旦发动机达到最佳工作温度，阀门就会打开。

当发动机冷态时，除了少量旁通流量外，恒温器关闭，因此当发动机暖机时，恒温器会经历冷却液温度的变化。发动机冷却液由恒温器引导至循环泵的入口，并绕过散热器直接返回发动机。引导水仅通过发动机循环可使发动机尽快达到最佳工作温度，同时避免局部热点。一旦冷却液达到恒温器的激活温度，它就会打开，让水流过散热器，以防止温度升高。

一旦达到最佳温度，恒温器就会控制发动机冷却液流向散热器，从而使发动机继续在最佳温度下运行。在峰值负载条件下，例如在炎热的天气中载重载重地在陡峭的山坡上缓慢行驶，恒温器将接近完全打开，因为发动机将产生接近xxx功率，而通过散热器的气流速度较低。（作为热交换器，通过散热器的气流速度对其散热能力有很大影响。）相反，当在寒冷的夜晚在高速公路上快速下坡巡航时，节温器将几乎关闭因为发动机产生的功率很小，而散热器散发的热量比发动机产生的热量多得多。允许过多的冷却液流向散热器会导致发动机过冷并在低于最佳温度下运行，从而导致燃油效率降低和废气排放增加。此外，如果任何部件（例如曲轴轴承）的设计考虑到热膨胀以与正确的间隙配合在一起，发动机的耐用性、可靠性和寿命有时会受到影响。过冷的另一个副作用是客舱加热器的性能降低，尽管在典型情况下，它仍然会在比环境温度高得多的温度下吹出空气。如果任何组件（例如曲轴轴承）的设计考虑到热膨胀以与正确的间隙配合在一起，则有时会影响寿命和寿命。过冷的另一个副作用是客舱加热器的性能降低，尽管在典型情况下，它仍然会在比环境温度高得多的温度下吹出空气。如果任何组件（例如曲轴轴承）的设计考虑到热膨胀以与正确的间隙配合在一起，则有时会影响寿命和寿命。过冷的另一个副作用是客舱加热器的性能降低，尽管在典型情况下，它仍然会在比环境温度高得多的温度下吹出空气。

因此，恒温器在其整个范围内不断移动，以响应车辆运行负载、速度和外部温度的变化，以使发动机保持在最佳运行温度。

在老式汽车上，您可能会发现波纹管式恒温器，它有一个波纹波纹管，里面装有挥发性液体，例如酒精或丙酮。这些类型的恒温器在冷却系统压力高于约 7 psi 时不能很好地工作。现代机动车辆通常在 15 psi 左右运行，这排除了使用波纹管型恒温器。在直接风冷发动机上，对于控制空气通道中的瓣阀的波纹管恒温器来说，这不是问题。

其他因素会影响发动机的温度，包括散热器尺寸和散热器风扇的类型。选择散热器的尺寸（以及其冷却能力），使其能够在车辆可能遇到的最极端条件下（例如在炎热的天气满载爬山）将发动机保持在设计温度.

通过散热器的气流速度是对其散热的主要影响。车速会影响这一点，大致与发动机工作量成比例，从而提供粗略的自我调节反馈。在发动机驱动附加冷却风扇的情况下，这也类似地跟踪发动机速度。

发动机驱动的风扇通常由传动带上的风扇离合器调节，该离合器在低温下打滑并降低风扇速度。这不会在不必要地驱动风扇时浪费功率，从而提高了燃油效率。在现代车辆上，通过变速或循环散热器风扇进一步调节冷却速率。电风扇由恒温开关或发动机控制单元控制。电风扇还具有在低发动机转速或静止时（例如在缓慢行驶的交通中）提供良好气流和冷却的优点。

在开发粘性驱动和电风扇之前，发动机配备了简单的固定风扇，始终通过散热器吸入空气。设计需要安装大型散热器以应对高温下的繁重工作的车辆，例如商用车和拖拉机，在寒冷的天气中通常会在轻负载下运行凉爽，即使存在恒温器，因为大型散热器和固定一旦恒温器打开，风扇就会导致冷却液温度迅速而显着下降。这个问题可以通过在散热器上安装一个散热器百叶窗（或散热器罩）来解决，该散热器可以调整为部分或完全阻挡通过散热器的气流。最简单的百叶窗是一卷材料，例如帆布或橡胶，沿着散热器的长度展开以覆盖所需的部分。一些较旧的车辆，如xxx次世界大战时期的 SE5 和 SPAD S.XIII 单引擎战斗机，有一系列百叶窗，可以从驾驶员或飞行员座位上调节，以提供一定程度的控制。一些现代汽车具有一系列由发动机控制单元自动打开和关闭的百叶窗，以根据需要提供冷却和空气动力学的平衡。

因为内燃机的热效率随着内部温度的增加而增加，所以冷却剂保持在高于大气压的压力下以提高其沸点。校准过的减压阀通常安装在散热器的加注盖中。该压力因型号而异，但通常范围为 4 至 30 psi（30 至 200 kPa）。

随着冷却剂系统压力随着温度的升高而增加，它将达到泄压阀允许多余压力逸出的点。当系统温度停止上升时，这将停止。在过度填充散热器（或集水箱）的情况下，通过允许少量液体逸出来释放压力。这可以简单地排放到地面上或收集在保持在大气压下的通风容器中。当发动机关闭时，冷却系统冷却，液位下降。在某些情况下，多余的液体已收集在瓶子中，这可能会被“吸”回主冷却剂回路。在其他情况下，它不是。

二战前，发动机冷却液通常是清水。防冻剂仅用于控制冻结，这通常只在寒冷的天气中进行。如果让普通水在发动机缸体中结冰，水结冰时会膨胀。由于冰的膨胀，这种影响会导致严重的发动机内部损坏。

高性能飞机发动机的开发需要改进的具有更高沸点的冷却剂，从而导致采用乙二醇或水-乙二醇混合物。这些导致采用乙二醇的防冻性能。

自从铝或混合金属发动机的发展以来，腐蚀抑制变得比防冻剂更重要，而且在所有地区和季节。

干涸的溢流箱可能导致冷却液蒸发，从而导致发动机局部或整体过热。如果允许车辆超温行驶，可能会导致严重损坏。可能会导致汽缸盖或汽缸体变形或破裂等故障，例如汽缸盖垫片爆裂。有时不会发出警告，因为为温度计（机械或电气）提供数据的温度传感器暴露在水蒸气中，而不是液体冷却剂中，从而提供了有害的错误读数。

打开热散热器会降低系统压力，这可能会导致其沸腾并喷出危险的高温液体和蒸汽。因此，散热器盖通常包含试图在盖完全打开之前释放内部压力的机构。

汽车水散热器的发明归功于卡尔·本茨。威廉迈巴赫为梅赛德斯 35hp 设计了xxx款蜂窝散热器。

当原始散热器的尺寸无法增加时，有时需要为汽车配备第二个或辅助散热器以增加冷却能力。第二个散热器与电路中的主散热器串联。奥迪 100 首次采用涡轮增压制造 200 时就是这种情况。不要将这些与中冷器混淆。

一些发动机有一个油冷却器，一个单独的小散热器来冷却发动机油。配备自动变速箱的汽车通常与散热器有额外的连接，使变速箱油能够将热量传递给散热器中的冷却液。这些可以是油气散热器，也可以是较小版本的主散热器。更简单地说，它们可能是油水冷却器，油管插入水散热器内。尽管水比环境空气更热，但其较高的导热性可通过不那么复杂、因此更便宜、更可靠的油冷却器提供相当的冷却（在限制范围内）。不太常见的是，动力转向液、制动液和其他液压液可以通过车辆上的辅助散热器进行冷却。

涡轮增压或机械增压发动机可能有一个中冷器，它是一个空气对空气或空气对水的散热器，用于冷却进气，而不是冷却发动机。

配备液冷活塞发动机（通常是直列发动机而不是径向发动机）的飞机也需要散热器。由于空速高于汽车，它们在飞行中得到有效冷却，因此不需要大面积或冷却风扇。然而，许多高性能飞机在地面空转时会遇到极端过热问题——喷火战斗机只需 7 分钟。这类似于今天的一级方程式赛车，当它们在发动机运转的情况下停在电网上时，它们需要将管道空气强制进入其散热器吊舱以防止过热。

减少阻力是飞机设计的主要目标，包括冷却系统的设计。一种早期的技术是利用飞机丰富的气流，用表面安装的散热器代替蜂窝芯（许多表面，具有高表面体积比）。它使用一个混合到机身或机翼蒙皮中的单一表面，冷却剂流过该表面背面的管道。这种设计主要出现在xxx次世界大战的飞机上。

由于它们非常依赖空速，因此地面辐射器在地面运行时更容易过热。水上竞速飞机 Supermarine S.6B 是一种水上竞速飞机，其浮体上表面内置有散热器，被描述为在温度计上飞行，这是其性能的主要限制。

一些高速赛车也使用了表面散热器，例如马尔科姆坎贝尔 1928 年的蓝鸟。

不允许冷却流体沸腾通常是大多数冷却系统的限制，因为需要处理流动中的气体使设计变得非常复杂。对于水冷系统，这意味着xxx热传递量受限于水的比热容以及环境温度与 100 °C 之间的温差。这在冬季或温度较低的高海拔地区提供了更有效的冷却。

在飞机冷却中特别重要的另一个影响是比热容变化，沸点随压力而降低，而压力随高度的变化比温度的下降更快。因此，一般来说，液体冷却系统会随着飞机爬升而失去能力。这是 1930 年代性能的主要限制，当时涡轮增压器的引入首次允许在 15,000 英尺以上的高度方便旅行，冷却设计成为主要研究领域。

这个问题最明显和最常见的解决方案是在压力下运行整个冷却系统。这使比热容保持在恒定值，而外部空气温度继续下降。因此，此类系统在攀爬时提高了冷却能力。对于大多数用途来说，这解决了高性能活塞发动机的冷却问题，二战时期几乎所有的液冷飞机发动机都采用了这种解决方案。

然而，加压系统也更复杂，更容易受到损坏 - 由于冷却液处于压力下，即使冷却系统中的轻微损坏（如单个步枪口径的弹孔）也会导致液体迅速喷出洞。到目前为止，冷却系统的故障是发动机故障的主要原因。

尽管制造能够处理蒸汽的飞机散热器更加困难，但这绝不是不可能的。关键要求是提供一个系统，在将蒸汽送回泵并完成冷却回路之前将其冷凝回液体。这样的系统可以利用蒸发比热，在水的情况下，蒸发比热是液体形式比热容的五倍。通过让蒸汽变得过热，可以获得额外的收益。这种被称为蒸发冷却器的系统是 1930 年代大量研究的主题。

考虑两个在其他方面相似的冷却系统，在 20 °C 的环境空气温度下运行。全液体设计可能在 30°C 和 90°C 之间运行，提供 60°C 的温差以带走热量。蒸发冷却系统可能在 80 °C 和 110 °C 之间运行。乍一看，这似乎是温差小得多，但这种分析忽略了蒸汽产生过程中吸收的大量热能，相当于 500 °C。实际上，蒸发版本在 80 °C 和 560 °C 之间运行，有效温差为 480 °C。即使水量少得多，这样的系统也能有效。

蒸发冷却系统的缺点是将蒸汽冷却回沸点以下所需的冷凝器面积。由于蒸汽的密度远低于水，因此需要相应更大的表面积来提供足够的气流来冷却蒸汽。1933 年的劳斯莱斯 Goshawk 设计使用了传统的类似散热器的冷凝器，这种设计被证明是一个严重的阻力问题。在德国，Günter 兄弟开发了一种替代设计，结合了蒸发冷却和遍布飞机机翼、机身甚至方向舵的表面散热器。使用他们的设计制造了几架飞机并创造了许多性能记录，尤其是 Heinkel He 119 和 Heinkel He 100。然而，这些系统需要许多泵来从展开的散热器中返回液体，并且证明极难保持正常运行，并且更容易受到战斗损坏。到 1940 年，开发该系统的努力普遍被放弃。蒸发冷却的需求很快就被广泛使用的乙二醇基冷却剂所否定，这种冷却剂的比热较低，但沸点比水高得多。

包含在管道中的飞机散热器加热通过的空气，导致空气膨胀并获得速度。这被称为梅雷迪思效应，带有精心设计的低阻力散热器的高性能活塞飞机（尤其是 P-51 野马）从中获得推力。推力足够大，足以抵消封闭散热器的管道的阻力，并使飞机能够实现零冷却阻力。在某一时刻，甚至计划为喷火战斗机配备加力燃烧室，将燃料注入散热器后的排气管并点燃。通过在主燃烧循环下游将额外的燃料喷射到发动机中来实现后燃。