車用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作過程與匹配計(jì)算

1、2008年(第30卷第9期汽 車 工 程 Aut omotive Engin eeri ng2008(Vol . 30 No . 92008170車用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作過程與匹配計(jì)算成曉北,潘立,周祥軍112(11華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,武漢 430074;21玉柴機(jī)器股份有限公司技術(shù)中心,玉林 537005摘要對一臺車用柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻系統(tǒng)水流和熱流分布臺架試驗(yàn)利用流體系統(tǒng)仿真分析軟件對整個(gè)冷卻系統(tǒng)工作循環(huán)過程、熱平衡狀態(tài)和冷卻系統(tǒng)匹配性能進(jìn)行仿真計(jì)算并依據(jù)試驗(yàn)得到的相關(guān)結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算模型，對影響其冷卻性能的一些因素進(jìn)行詳細(xì)分析,最后指出該冷卻系統(tǒng)存在的問題，并提出優(yōu)化改進(jìn)方

2、案。關(guān)鍵詞:汽車柴油機(jī)；冷卻系統(tǒng)；水流分布；熱流分布；試驗(yàn);仿真Working Pr ocess and Matching Si m ulati on of Cooling System in D iesel EngineChe ng X i a obe i , Pan L i i a 1IlSchool of Energy &Po w er Engineering, Huazhong uhan 430074;21R &D Cen ter , Yulin iesel Yulin 537005Abstractand heat flux distributi ons in the

3、cooling syste m of a vehicle diesel engine is . si m ulati on on the work ing p r ocess, ther mal bala nee and matchi ng perf or mance of the whole cooling syste m is carried out with one 2di m ensi onal co mmercial s oft w are F LOWMASTER2. The si m ulati on models are verified by test results, and

4、 s ome fact ors affect ing the perf or mance of cooli ng syste m are an alyzed in de 2tail . Fin ally, the p r oble m s re mained in existi ng cooli ng syste m are poin ted out with i m p r ove ment sche me p r oposed .Keywords:veh i cle d i esel eng i n e; cooli n g syste m; wa ter flow d istr i bu

5、ti on; hea t flux d istr i buti on; test ;si m ul a ti on水泵流量過大等。通過對影響冷卻性能的因素進(jìn)行.、八、-刖言隨著發(fā)動(dòng)機(jī)升功率的不斷提高，產(chǎn)生的熱流密度也隨之增大，普遍存在著發(fā)動(dòng)機(jī) 冷卻液溫度過高的問題。因此，對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化改進(jìn)，解決高功率密 度下發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻和熱平衡問題是滿足上述要求而必須突破的技術(shù)關(guān)鍵。現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì)中，必須要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)各流體系統(tǒng)之間的熱影響，即發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理1分析,提出了對該發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)方案。1熱流分布試驗(yàn)所研究的柴油機(jī)為重型車用柴油機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。熱流分布試驗(yàn)實(shí)際上包含了水流分布

6、試驗(yàn)和熱平衡試驗(yàn)3,即需要同時(shí)考慮流動(dòng)和傳熱在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)各部分的分布情況。111水流分布試驗(yàn),而對于發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)2仿真來說,必須要將發(fā)動(dòng)機(jī)本體、冷卻系統(tǒng)、空氣側(cè)系統(tǒng)等流體系統(tǒng)結(jié)合在一 起進(jìn)行仿真。作者結(jié)合試驗(yàn)研究和仿真計(jì)算，對一臺車用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻性能和熱平 衡狀態(tài)進(jìn)行分析評價(jià)。原機(jī)存在的問題：在夏季高溫時(shí)以及車輛低速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī) 水溫過高，冷卻系統(tǒng)部件匹配不理想，水流分布試驗(yàn)是在發(fā)動(dòng)機(jī)倒拖條件下進(jìn)行的，主要是了解發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)各缸冷卻液 流量分布均勻性。通過對冷卻系統(tǒng)各部件壓力損失的情況分析，從宏觀上評估冷卻 系統(tǒng)各部件匹配的合理性；另外,可通過對各缸中每個(gè)上水孔處的水流速、流量分

7、布情況定性地分析缸蓋、缸體冷卻水套內(nèi)結(jié)構(gòu)的合理性。原稿收到日期為2008年1月31日，修改稿收到日期為2008年4月29 日。2008(Vol . 30 No . 9成曉北,等:車用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作過程與匹配計(jì)算 ？ 759?表1柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)型式缸徑/mm行程/mm壓縮比標(biāo)定功率/kW標(biāo)定轉(zhuǎn)速/r ? m in -11400r/min時(shí)最大轉(zhuǎn)矩/N? m直噴式水冷六缸和流量,則可確定熱平衡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)各散熱部分的熱流分布情況，為匹配散熱器、冷卻水泵、風(fēng)扇以及整機(jī)熱平衡計(jì)算結(jié)果提供較 為準(zhǔn)確的評判依據(jù)。標(biāo)定工況熱平衡時(shí)整機(jī)熱流分布見圖3,其中冷卻介質(zhì)從水套缸蓋帶走的熱量（Q w占燃料燃燒放出

8、的全部熱量的1714%、冷卻介質(zhì)通過機(jī)油冷 卻器從機(jī)油中帶走的熱量（Q o僅占218%,從熱流分布可以看出,中冷器和機(jī)油冷卻 器的換熱量較低，而其他換熱損失則較高，需要對中冷器和機(jī)油冷卻器散熱效率或散 熱面積進(jìn)行優(yōu)化匹配。增壓方式中冷方式Y(jié)ttqcmpt 料nu»| pft.tvic、甲nynuE" h4"' Vff utpia UKUteq燃油耗率/g? (k W ? h最高爆發(fā)壓力/MPa-1渦輪增壓空2空中冷19816確定發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)氣缸水套內(nèi)流量和流阻分布，為后續(xù)確定各缸換熱量及整個(gè)水套的換熱量做準(zhǔn)備水流分布試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示,可見通過各缸的冷卻水流

9、量是不均勻的，這與該 機(jī)體內(nèi)水道為縱向布置結(jié)構(gòu)有關(guān)，其中第2缸冷卻水流量在各缸中是最大的，第1缸 則最小。2所示,原因,增大第4缸冷卻水流raM-SOW C? vwqCTft kunif 円吟皿膽 bRPFWTHEVIIi»o-«qr量,是后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)的方向，對水腔進(jìn)行CFD三維模擬計(jì)算是有效的手段 圖3標(biāo)定工況熱平衡時(shí)各部分熱流分布2發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作過程計(jì)算211冷卻系統(tǒng)各部件模型及元件參數(shù)采用一維流體系統(tǒng)仿真分析軟件 F LOWMAS 24TER2,所研究發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置如圖 4所示。圖1各缸冷卻水流量占總流量百分?jǐn)?shù)圖圖4冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置模型圖建立如圖5所示計(jì)

10、算模型。在建模過程中將主要部件定義為壓損元件，即主要依據(jù)流量（流速2壓圖2標(biāo)定工況熱平衡時(shí)各缸熱流分布112熱平衡試驗(yàn)熱平衡試驗(yàn)分別進(jìn)行了標(biāo)定工況和最大轉(zhuǎn)矩工1 妙詡I Mt 了血In （屮 細(xì) 坍已臣 秤 HJ轉(zhuǎn)FiquiU 址y| III承“ ixsci/uj況試驗(yàn),通過測量冷卻系統(tǒng)各部件進(jìn)出口處的溫度力關(guān)系對元件模型進(jìn)行定義；將水套、散熱器、中冷器、機(jī)油冷卻器等定義為 換熱元件，需要提供這些換熱元件的換熱面積或換熱效率等參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和 各零部件供應(yīng)商提供的基本參數(shù)，對模型中各個(gè)相關(guān)元件的基本輸入?yún)?shù)進(jìn)行設(shè)定 如下。760?汽 車工程2008年(第30卷第9宀發(fā)動(dòng)機(jī)水套 ,1機(jī)油冷卻

11、器冷卻水耳二.咆及試驗(yàn)過程中各參數(shù)測量存在的測量誤差等，因此得到的散熱器出水溫度較實(shí)際情況稍低，相應(yīng)計(jì)算得到的散熱量則偏高。設(shè)水 路部分換熱熱平衡偏差百分?jǐn)?shù)為(Q w +Q o -Q rQ w +Q oX1OO%(1式中Qw為水套散熱量，Q o為機(jī)油冷卻器散熱量，Q r為散熱器散熱量根據(jù)式（1可得水路部分換熱熱平衡模擬結(jié)果,熱平衡偏差僅為4141%,可見，該 計(jì)算模型較接近實(shí)際情況，各項(xiàng)偏差均在允許的范圍內(nèi)，表明模擬預(yù)測是可信的。圖5冷卻系統(tǒng)部件計(jì)算模型管網(wǎng)圖標(biāo)定工況下熱平衡時(shí)根據(jù)試驗(yàn)得到水套散熱量Q w =132k W ,水泵流量取010049m /s,散熱器換熱33計(jì)算結(jié)果及分析3效率n

12、r =0163中冷器迎風(fēng)速度為7m /s,中冷器換熱效率n a =0176中冷器增壓空氣進(jìn)口溫度191T ,增壓壓力為0125MPa,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速 2100r/min,機(jī)油壓力為 11573kg/s。212 7:、器和散熱器處，在水套處壓損達(dá)到01004MPa。由圖8可見:水流速率在水套處 突然增大,主要是因?yàn)橄鄬ζ渌鲃?dòng)管路，水套內(nèi)流道較狹窄，在流量不變的情況下流速激增T<-可發(fā)動(dòng)機(jī)第 ! 甲 * t也器風(fēng)扇 中冷器歲冷器無 隔柵|'iJLI0通過大量試驗(yàn)進(jìn)行仿真模型的反復(fù)校驗(yàn)，尋求符合工程實(shí)際的模型修正策略，以 提高預(yù)測的精度；利用經(jīng)過修正的模型，對發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定工況下熱平衡時(shí)冷卻系

13、統(tǒng)進(jìn) 行模擬仿真和性能預(yù)測，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。各參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對比見圖 6?？梢?除了對散熱器換熱量的模擬偏 差較大之外，其他參數(shù)的模擬偏差均很小。造成散熱器換熱量模擬偏差較大的原因 是:模型選取的是散熱器較理想的情況，沒有考慮散熱器內(nèi)部介質(zhì)的流動(dòng)和換熱損失 以圖7冷卻介質(zhì)沿程壓力損失曲線（大循環(huán)中冷器廣冷禺IMI II11 *散熱器風(fēng)尉1 Ijr ppI*一 f電發(fā)動(dòng)機(jī)：冷卻水泵11 11 1 * ff圖8沿程冷卻介質(zhì)流速曲線（大循環(huán)312中冷器進(jìn)風(fēng)溫度和中冷器效率的影響圖6各參數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對比圖散熱器換熱效率n是影響整個(gè)冷卻系統(tǒng)冷卻2008（Vol . 30 N

14、o . 9成曉北,等:車用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作過程與匹配計(jì)算 ？ 761?性能的主要因素，通過利用試驗(yàn)結(jié)果，對模型進(jìn)行流動(dòng)和傳熱的標(biāo)定得到散熱器 的實(shí)際n r =0163同時(shí)為了考察散熱器較高換熱效率（n r =017時(shí)冷卻性能的變化, 因此分別考慮n r =0163和n r =0173兩種情況并進(jìn)行對比分析,對其他因素的分析作 同樣的處理，不再贅述。保持其他參數(shù)基本不變，中冷器進(jìn)風(fēng)溫度取20C40C的 情況。由圖9可知,中冷器進(jìn)風(fēng)溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度及散熱量的影響十分明顯，中冷器進(jìn)風(fēng)溫度每增加5°C ,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度提高近5°C ,而散熱器散熱量則降低2kW左右,發(fā)動(dòng)機(jī)

15、進(jìn)出水溫度對應(yīng)中冷器進(jìn)風(fēng)溫度變化曲線近似為斜率為1的直線，在中冷器換熱效率不變的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫差基本上保持在 8C左右。較高 的中冷器進(jìn)風(fēng)溫度使散熱器進(jìn)風(fēng)溫度升高，通過散熱器的散熱量減少，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫上 升。在中冷器進(jìn)風(fēng)溫度為30C時(shí),n r =017的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度均在100C以下,而 n r 0163寸的發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度過高,境條件下,時(shí)，n需要適當(dāng)提高nr中彷爲(wèi)ii聞泓度pO器換熱效率對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度的影響類似于中冷器進(jìn)風(fēng)溫度對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水 溫度的影響，由于車用發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器是置于水散熱器之前，在中冷器進(jìn)風(fēng)溫度保持不 變的情況下，較高的中冷器換熱效率意味著高的散熱器進(jìn)風(fēng)溫度，從而發(fā)

16、動(dòng)機(jī)水溫上 升,散熱器換熱量會(huì)有所減少，但是同時(shí)增壓空氣通過中冷器傳給散熱器的散熱量也 會(huì)增加，這兩部分熱量的大小對比反映在圖10上即表現(xiàn)為散熱量隨n a增大的上下 波動(dòng)變化,從仿真計(jì)算結(jié)果分析,提高n a至 018比較理想202530 J5 40中徘褂進(jìn)xmt r境動(dòng)機(jī)進(jìn)岀貳iu253540巾凈春進(jìn)風(fēng)世度廠住K642OGn3 3 3 3 3 rM75MM ««O圖10發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度、散熱器散熱量隨中冷器效率的變化曲線n的影響313保持冷卻系統(tǒng)其他參數(shù)基本不變時(shí),改變n r ( n r =0153180對冷卻性能的影 響如圖11所示?？梢妌也是一個(gè)顯著影響發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能的

17、因素。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度對應(yīng)n 的變化基本上是同步的,在n r >0171時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡時(shí)進(jìn)出水溫度均低于 100C,可 以滿足冷卻要求；反之過低的n將可能導(dǎo)致 開鍋”現(xiàn)象發(fā)生，因此對散熱器進(jìn)行再匹配，應(yīng)提高n至0171以上。圖11反映出n對散熱量的圖9發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度、散熱器散熱量隨中冷器進(jìn)風(fēng)溫度的變化曲線變化曲線則并非為直線，而是曲折上升的折線，并非n越高散熱量越大，但總體是上升趨勢。314水泵流量的影響保持冷卻系統(tǒng)其他參數(shù)基本不變，中冷器換熱效率n a =01680185的情況。由圖10可見,中冷保持其他參數(shù)基本不變，水泵流量的變化（取30100301007m /s的情況 的影響如

18、圖12所示。?762?汽車工程2008年（第30卷第9P鏗屯i時(shí)發(fā)功機(jī)進(jìn)出水沮度0>)期【34132U01280.56 0 590.62 0,65 0,68 0.71 0.14 0.77 0.«01004m /s之后,發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度反而升高了 ,因 此,該機(jī)型的冷卻水泵流量應(yīng)控制在 01004m /s左 右為宜。315機(jī)艙背壓的影響3保持其他參數(shù)基本不變,機(jī)艙背壓（即風(fēng)扇后總壓 取9910113kPa。發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī) 艙后背壓是一個(gè)容易被忽視的因素，由上述圖線可以明顯看到，其對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能 的影響程度不亞于散熱器換熱效率等因素，甚至更大。由圖13可知,當(dāng)機(jī)艙背壓達(dá) 到10011k

19、Pa之后,發(fā)動(dòng)機(jī)水溫上升趨勢陡然加大,達(dá)到大氣壓力時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度 甚至達(dá)到115C?？梢?將機(jī)艙背壓控制在10017kPa以下,能有效將發(fā)動(dòng)機(jī)水溫降至100C以下。另外由圖13可知,機(jī)艙,而與散熱器換,保持其他參數(shù),040m /s的 情況見圖14。圖14表明，迎風(fēng)速度對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能的影響也很大，當(dāng)散熱器效率 為0163、車輛低速行駛時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度在100C以上,只有當(dāng)車輛行駛速度超過 20m /s時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫才降至100°C以下,隨著車速的繼續(xù)升高,發(fā)動(dòng)機(jī)水溫下降很 迅速,在車速達(dá)到30m /s后,散熱器散熱量也顯著增大。而當(dāng)n增大0 56 0.59(X62 0.65 0.

20、68 0.71 074 0.77 0,8散熱器效率彷(b)散熱器散熱址至0173時(shí),無論是車輛以低速還是高速行駛0.56 0.59062 0.65 0.68 071 0.74 077 0.8散熱器效率久(b)散熱器散熱量發(fā)圖ii發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度、，、散熱器散熱量以及發(fā)動(dòng)機(jī)水溫升在水泵流量達(dá)到301004m /s之后變化很小，由此可見,通過盲目提高水泵流量來降低發(fā)動(dòng)機(jī)水 溫、提高散熱器散熱量等獲得良好冷卻效果的措施是不合適的，得不償失。3在n r =0163寸，當(dāng)水泵流量從01003m /s提高至圖12發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度、散熱器散熱量、進(jìn)出水溫升隨水泵流量的變化曲圖13發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度、散熱器散熱

21、量、風(fēng)量隨機(jī)艙背壓的變化曲線2008 （Vol 30 No. 9 .成曉北，等：車用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)工作過程與匹配計(jì)算？? 763 4 結(jié)論依據(jù)冷卻系統(tǒng)水流分布和熱平衡試驗(yàn)基礎(chǔ)，從優(yōu)化車用發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)冷卻系統(tǒng)匹配的觀點(diǎn)出發(fā)，利用試驗(yàn)和仿真兩方面對影響冷卻系統(tǒng)的諸多因素進(jìn) 行詳細(xì)分析，為各部件之間的良好匹配提出了一種 行之有效的手段。通過對熱流 分布試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，原機(jī)型水 套各缸之間存在著熱流分布不均勻的問題，可以通過對整個(gè)水套進(jìn)行三維CFD分析，優(yōu)化水腔內(nèi)流道結(jié)構(gòu)，增大第4缸冷卻水流 量和熱流量加以解決。結(jié)合冷卻系統(tǒng)的仿真計(jì)算及影響因素的詳細(xì)分析，對原機(jī) 型所匹配冷卻系統(tǒng)的冷卻性能存在的問題，提出了改進(jìn)方案。由中冷器、散熱 器、風(fēng)扇、導(dǎo)流罩等部件組成的空氣側(cè)部分的流動(dòng)和傳熱對整個(gè)冷卻系統(tǒng)的影 響很大，如果要考慮這部分的影響，今后的工作可以同時(shí) 對空氣側(cè)部分進(jìn)行三維 CFD流動(dòng)分析計(jì)算，對空氣側(cè)部件進(jìn)行合理布置和幾何結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，優(yōu)化迎風(fēng) 空氣流動(dòng)和傳熱，提高冷卻性能。參考文獻(xiàn)1 Mahmoud K G, Loibner E, W iesler B , et al Sim ulation 2 . Based C . SAE Pap er 2003 - 01 - 0