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。

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。