發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)計算解析

1、14發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)計算發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)是汽車的重要組成部分之一，冷卻系統(tǒng)的作用是使發(fā)動機(jī)在各種轉(zhuǎn)速 和各種行駛狀態(tài)下都能有效的控制溫度，其中水套是整個冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。本文為發(fā) 動機(jī)冷卻系設(shè)計計算分析，水套計算分析由 AVL公司的FIRE軟件完成。通過CFD計算, 可以得到水套整個流場(速度、壓力、溫度以及HTC等)分布。通過速度場可以識別出滯止 區(qū)、速度梯度大的區(qū)域，通過溫度分布可以分析可能產(chǎn)生氣泡的位置，通過換熱系數(shù)的分 布可以評估水套的冷卻性能，通過壓力分布可以顯示出壓力損失大的區(qū)域。本文針對功率 點進(jìn)行了計算。1. 散熱量的計算在設(shè)計或選用冷卻系統(tǒng)的部件時，就是以散入冷卻系統(tǒng)的熱量QW

2、為原始數(shù)據(jù)，計算冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水量、冷卻空氣量，以便設(shè)計或選用水泵和散熱器。1.1冷卻系統(tǒng)散走的熱量冷卻系統(tǒng)散走的熱量 QW,受許多復(fù)雜因素的影響，很難精確計算，因此在計算時，通常采用經(jīng)驗公式或參照類似發(fā)動機(jī)的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。在采用經(jīng)驗公式估算時，QW估算公式為：Q 二 AgeNehn(kj/s)( 1)W 3600式中：A傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比 g 內(nèi)燃機(jī)燃料消耗率(kg/kW h);Ne 內(nèi)燃機(jī)功率(kW)；hn 燃料低熱值(kJ/kg)表1發(fā)動機(jī)總功率試驗數(shù)據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)燃油消耗率(g/kw . h)校正有效功率(kw)校正有效扭矩(Nm)2000293.52

3、0.296.33200286.537.4111.84400280.853.9116.95200320.763.9117.46000340.870.2111.8根據(jù)表1CK1發(fā)動機(jī)總功率實驗數(shù)據(jù)：6000rpm時，Ne=70.2kW, g =340.8 g/kW h,汽油機(jī)熱量理論計算一般A=0.230.30，但隨著發(fā)動機(jī)燃燒技術(shù)的提高，熱效率也不 斷提高，根據(jù)同類型機(jī)型熱平衡試驗數(shù)據(jù)反運(yùn)算，A值一般在0.15左右。汽油低熱值hn =43100 kJ/kg, A選取0.15，故對于CK14g動機(jī)標(biāo)定功率下散熱量：QW:43 KW0.15 0.3408 70.2 4310036001.2冷卻水的循

4、環(huán)量根據(jù)散入冷卻系統(tǒng)的熱量，可以算出冷卻水的循環(huán)量Vw ：VwQw（m s）（2） : tw w Cw式中：厶tw 冷卻水在內(nèi)燃機(jī)中循環(huán)時的容許溫升，對現(xiàn)代強(qiáng)制循環(huán)冷卻系，可取 tw=4°C8C,本機(jī)初步計算取值7C；一水的比重，可近似取w=ioookgm3Cw 水的比熱，可近似取 o=4.187kJ/kg C；Qw 冷卻系統(tǒng)散熱量，由（2）式算得Qw=43KW將上述各值代入Vw計算公式，可得CK14動機(jī)標(biāo)定功率下冷卻水循環(huán)量為：Vw O.O。147 m3 sh.L/s2. 水泵的選用2.1水泵的泵水量選取水泵主要根據(jù)所需的泵水量和泵水壓力來選擇，泵水量Vb可根據(jù)冷卻水循環(huán)量 VW，

5、按下式初步確定：V廠也（m3s）（ 4）vs式中：Vw 冷卻水循環(huán)量，由（2）式算得CK1發(fā)動機(jī)VW為1.47L/S ;水泵的容積效率，主要考慮水泵中冷卻水的泄漏，一般=0.80.9，本次計vsvs算 取值0.8。vs計算得CK14動機(jī)所需水泵的泵水量為：Vb宀1.84L/S,所以我們選取水泵的流量在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時應(yīng)大于110L/min。2.2水泵的泵水壓力選取確定水泵的泵水壓力，應(yīng)保證其足以克服冷卻系中所有的流動阻力，并得到必要的冷 卻水循環(huán)流動速度，同時為了冷卻可靠，在工作溫度下，水在任一點的壓力均應(yīng)大于此時 的飽和蒸汽壓力，以免發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。般車用發(fā)動機(jī)中，冷卻系管道流動阻力一般為7.5 1

6、0312.5 103Pa,水套阻力一般為1310315103Pa，水散熱器阻力一般為201032510先，總阻力為4010353 103，為安全起見，一般泵水壓力取150KR。總上所述，我們確定水泵的選取要求為：在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為6000rpm時，水泵轉(zhuǎn)速6720rpm 時，水泵流量應(yīng)大于110L/min,水泵進(jìn)出口壓力差應(yīng)大于150KPa。3. 散熱器的設(shè)計計算3.1散熱器需散走的熱量散熱器在使用一段時間以后，由于水垢的生成而使少量水管堵塞，散熱性能下降10%左右；此外，由于壓力蓋泄漏以及氣流分布不均，也會使其散熱能力下降5%10%另外，根據(jù)以往及AVL匹配發(fā)動機(jī)的經(jīng)驗，空調(diào)冷凝器前置對前格柵的

7、進(jìn)風(fēng)溫度將提升10C-20 C左右。在進(jìn)行整車熱平衡的研究，必須考慮空調(diào)對發(fā)動機(jī)過熱的影響。因此，我們選用的 散熱器的散熱能力 Q散應(yīng)比水套散掉的熱量 QW高出10%25%即Q散=(1.05 1.25)Qw取系數(shù)為1.1，則散熱器的散熱量應(yīng)為47.3kW。3.2散熱器芯子正面面積Ff依據(jù)汽車設(shè)計手冊提供公式 Ff= (0.0027-0.0034 ) N&axNena=70.2Kw，發(fā)動機(jī)散熱器正面面積 Ff=0.18950.2523m2。3.3散熱面積S散熱面積S為管帶的散熱面積與散熱片面積之和。依據(jù)汽車設(shè)計手冊提供公式 S = S比 Nenax轎車S比為0.07m2/Kw發(fā)動機(jī)散熱器

8、散熱面積S=0.07X 70.2=4.914m24. 發(fā)動機(jī)水套CFD模擬計算4.1水套計算模型和網(wǎng)格圖1水套幾何模型圖2水套網(wǎng)格模型由于水泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，完全按照水泵真實模型建模計算比較困難，同時考慮 到計算耗時和計算主要所關(guān)心的是水套內(nèi)流動情況，所以本報告計算采用在水套入口加上 定轉(zhuǎn)速時的水泵流量進(jìn)行模擬。4.2計算工況及邊界條件計算工況為標(biāo)定工況，冷卻介質(zhì)為純水。計算中假定冷卻水在水套內(nèi)的流動是穩(wěn)定的 三維粘性湍流流動，米用穩(wěn)態(tài)計算模式。進(jìn)口：質(zhì)量流量，根據(jù)上面水泵參數(shù)確定為1.8kg/s，進(jìn)水溫度80C；出口：壓力邊界，取為100000Pa壁面：由于沒能從實驗獲得發(fā)動機(jī)空間壁面溫

9、度分布，在計算中采用了假定的壁面溫 度場，缸蓋壁面平均溫度120 C,缸體壁面平均溫度100C。4.3計算結(jié)果分析4.3.1整體水套壓力分布1.2258*005Case_2:lT_35il Flow AbsfllutePreswrelPal1.2&e*OD51.156*0051.DT 5S+QO511 0躬n胡M1.125&*D051.16*0051e-0D5圖3水套整體壓力分布進(jìn)口平均壓力121270 Pa,出口平均壓力101045 Pa,進(jìn)出口壓差即發(fā)動機(jī)水套壓力損 失為20.225 KPa，一般水套壓力損失在1315KPa,與同類機(jī)型相比較水套壓力損失偏大。分析其原因是由

10、于水套數(shù)模部分區(qū)域（如圖4所示）過度不圓滑，下一步需要對樣件缸蓋與 原機(jī)缸蓋切割對比分析其是否存在差異。圖4排氣側(cè)水套存在尖角區(qū)域4.3.2缸蓋水套結(jié)果分析4.321 缸蓋鼻梁區(qū)域流場分析對于缸蓋內(nèi)部流場需要對其切片觀察，分析其速度場，壓力場，溫度場等。圖5缸蓋鼻梁區(qū)冷卻水速度分布圖圖6缸蓋鼻梁區(qū)域溫度場分布Case IT_2Sfi 2.F l<NAh5DliiljePreSMreFa|1.2&+0051.i&e*D0$1 I漣卜叫號1.14A*D0E1.lie* DOS1.1&+0051 O(h0*OOi1 06«*D051 D44*D0S1.02e*

11、D0S le*005圖7缸蓋鼻梁區(qū)域壓力場分布圖8缸蓋鼻梁區(qū)域壓力損失最大處從圖5圖8缸蓋鼻梁區(qū)域切片結(jié)果看出：（1）鼻梁區(qū)域水流速度平均流速1.016m/s,而且從第一缸至第四缸水流速度呈遞增趨勢，符合同類型發(fā)動機(jī)的要求，但一缸流速與其他幾缸差異較大。（2）此切片平均溫度359K,最高溫度366K,最低溫度353K。排氣側(cè)溫度高于進(jìn) 氣側(cè)，最高溫度出現(xiàn)在第四缸鼻梁區(qū)域。（3）此切片最高壓力127118Pa,最低壓力65410Pa,最大壓力損失部位如圖9所示,此處圖9壓力損失最大部位4.322 缸蓋底部流場分布圖10缸蓋底面速度場整個截面平均速度1.56m/s，大于一般發(fā)動機(jī)缸蓋底面冷卻水平均

12、速度，滿足冷卻要 求。但進(jìn)排氣兩側(cè)冷卻水不均勻，排氣側(cè)水流速低于進(jìn)氣側(cè)，和理論設(shè)計排氣側(cè)流速大于 進(jìn)氣側(cè)相反，可以進(jìn)一步優(yōu)化。4.3.3缸體水套結(jié)果分析4.3.3.1缸體水套壓力場分布圖11缸體水套進(jìn)氣側(cè)壓力分布圖12缸體水套排氣側(cè)壓力場分布從圖11、圖12缸體水套壓力場分布圖看出，缸體水套進(jìn)排氣兩側(cè)壓力分布比較均勻, 只在水泵進(jìn)口出存在局部壓力損失較大區(qū)域，建議增大圓角減小壓力損失。4.332 缸體水套速度場分布圖13缸體水套頂面速度場及流線分布缸體水套頂面冷卻水平均流速1.5m/s，遠(yuǎn)大于一般0.5m/s的冷卻要求，從流線分布 看缸體水套水流很順暢。4.4缸墊孔上水量分析此冷卻水套缸墊孔共

13、23個，第一缸分布9個上水孔，第二缸、第三缸、第四缸各分 布4個，第四缸末端分布2個上水孔直接流向出水口，具體孔位分布如圖14缸蓋上水孔分布。圖14缸蓋上水孔分布圖15缸蓋上水孔速度矢量圖各個水孔上水量如下表所示：各個水孔流量數(shù)據(jù)水孔號質(zhì)量流量（kg/s）占總流量百分比第1缸10.1397.8%25.7%20.190910.7%30.0533%40.0301.7%50.0090.5%60.0050.3%70.0120.7%80.0090.5%90.0080.5%第2缸100.0402.3%7.5%110.0844.7%120.0040.2%130.0050.3%第3缸140.0925.2%11

14、.8%150.0955.3%160.010.6%170.0130.7%第4缸180.1226.9%16.9%190.1387.8%200.0171%210.0201.2%220.33618.9%38.3%230.34419.4%通過各個水孔上水量對比看出：(1) 一般發(fā)動機(jī)冷卻水套一缸都會布置較多上水孔，以保證約40%勺冷卻水經(jīng)第一缸缸蓋流向第四缸缸蓋，但此款發(fā)動機(jī)一缸上水量只有 25.7%,且第一缸還布置了一小的出水孔， 約有10%勺冷卻水直接由缸體進(jìn)入缸蓋第一缸后流出，從冷卻角度考慮有點浪費。2)第四缸末端靠近出水口布置兩較大的上水孔，導(dǎo)致約38.3%的冷卻水流經(jīng)缸體后直接流出缸蓋出水口，

15、雖然使得缸體得到了很好的冷卻，但降低了缸蓋的冷卻效果。4.5冷卻系統(tǒng)散走熱量校核：模擬計算設(shè)定冷卻水進(jìn)口溫度 353.15K，計算得出口溫度359.24K，進(jìn)出口溫差6.74K。 模擬計算冷卻水套吸收熱量Q為：Q - tw w CwV WA tw 冷卻水在發(fā)動機(jī)水套中的溫升一水的比重，可近似取w=ioookg m3Cw 水的比熱，可近似取 Cw=4.187kJ/kgC；yw 水泵流量，1.8L/S經(jīng)計算Q=50.5KW大于發(fā)動機(jī)燃燒熱量散入冷卻水套熱量 43KV，滿足冷卻要求。5.冷卻系統(tǒng)總體分析與建議(1) 對于發(fā)動機(jī)本體水套經(jīng)過計算，認(rèn)為基本滿足冷卻要求，但有局部區(qū)域可以進(jìn)行設(shè)計 改進(jìn)，在文中都已經(jīng)指出。(2) 對于水泵我們要求在標(biāo)定功率點時，即水泵轉(zhuǎn)速6720rpm時，流量大于110L/mi n, 進(jìn)出口壓差大于150KPa目前我們選定的水泵性能在 6000rpm時，流量不低于100L/min, 經(jīng)計算在