1、 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)計算發(fā)動機冷卻系統(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)的熱量為原始數(shù)據(jù)，計

2、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,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)動機的實測數(shù)據(jù)進行估算。在采用經(jīng)驗公式估算時，估算公式為： （1）式中:傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比; 內(nèi)燃機燃料消耗率( kg/kW·h);內(nèi)燃機功率(kW); 燃料低熱值(kJ/kg)。表1 發(fā)動機總功率試驗數(shù)據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速(r/min)燃油消耗率(g/kwh)校正有效功率(kw)校正有效扭矩(Nm)2000293.520.296.33200286.537.4111.84400280.85

3、3.9116.95200320.763.9117.46000340.870.2111.8根據(jù)表1CK14發(fā)動機總功率實驗數(shù)據(jù)：6000rpm時，=70.2kW, =340.8 g/kW·h,汽油機熱量理論計算一般A=0.230.30，但隨著發(fā)動機燃燒技術(shù)的提高，熱效率也不斷提高，根據(jù)同類型機型熱平衡試驗數(shù)據(jù)反運算，A值一般在0.15左右。汽油低熱值=43100 kJ/kg, 選取0.15，故對于CK14發(fā)動機標定功率下散熱量： 1.2 冷卻水的循環(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： （2）式中：冷卻水在內(nèi)燃機中循環(huán)時的容許溫升，對現(xiàn)代強制循環(huán)冷卻系，可取=48，本機初

4、步計算取值7；水的比重，可近似取=1000水的比熱，可近似取=4.187kJ/kg·；冷卻系統(tǒng)散熱量，由（2）式算得=43KW。將上述各值代入計算公式，可得CK14發(fā)動機標定功率下冷卻水循環(huán)量為：0.00147=1.47L/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，泵水量可根據(jù)冷卻水循環(huán)量，按下式初步確定： （4）式中：冷卻水循環(huán)量，由（2）式算得CK14發(fā)動機為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，本次計算取值0.8。計算得CK14發(fā)動機所需水泵的泵水量為：1.84L/s,所以我們選取水泵的流量在

5、標定轉(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。一般車用發(fā)動機中，冷卻系管道流動阻力一般為,水套阻力一般為，水散熱器阻力一般為，總阻力為，為安全起見，一般泵水壓力取150?？偵纤?，我們確定水泵的選取要求為：在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為6000rpm時，水泵轉(zhuǎn)速6720rpm時，水泵流量應(yīng)大于110L/min,水泵進出口壓力差應(yīng)大于150。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

6、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)動機的經(jīng)驗，空調(diào)冷凝器前置對前格柵的進風溫度將提升10-20左右。在進行整車熱平衡的研究，必須考慮空調(diào)對發(fā)動機過熱的影響。因此，我們選用的散熱器的散熱能力應(yīng)比水套散掉的熱量高出10%25%。即=（1.051.25）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）NemaxNemax=70.2Kw，發(fā)動機散熱器正面面積Ff=0.18950.2523m2。3.3

7、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·Nemax轎車S比為0.07m2/Kw發(fā)動機散熱器散熱面積S=0.07×70.2=4.914m2 4.發(fā)動機水套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)速時的水泵流量進行模擬。4.2 計算工況及邊界條件計算工況為標定工況，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，采用穩(wěn)

8、態(tài)計算模式。進口：質(zhì)量流量，根據(jù)上面水泵參數(shù)確定為1.8kg/s，進水溫度80；出口：壓力邊界，取為100000Pa；壁面：由于沒能從實驗獲得發(fā)動機空間壁面溫度分布，在計算中采用了假定的壁面溫度場 ，缸蓋壁面平均溫度120，缸體壁面平均溫度100。 4.3 計算結(jié)果分析4.3.1 整體水套壓力分布圖3 水套整體壓力分布進口平均壓力121270 Pa,出口平均壓力101045 Pa,進出口壓差即發(fā)動機水套壓力損失為20.225 KPa，一般水套壓力損失在1315KPa,與同類機型相比較水套壓力損失偏大。分析其原因是由于水套數(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缸蓋切割對

9、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4.3.2.1 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)溫度高于進氣側(cè)，最高溫度出現(xiàn)在第四缸鼻梁區(qū)域。

10、（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,此處圓角建議加大。圖9 壓力損失最大部位4.3.2.2 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)動機缸蓋底面冷卻水平均速度，滿足冷卻要求。但進排氣兩側(cè)冷卻水不均勻，排氣側(cè)水流速低于進氣側(cè)，和理論設(shè)計排氣側(cè)流速大于進氣側(cè)相反，可以進一步優(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，缸體水套進排氣兩側(cè)壓力分布比較均勻，只在水泵進口出存在局部壓力損失

11、較大區(qū)域，建議增大圓角減小壓力損失。4.3.3.2 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%

12、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%11.8%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)動機冷卻水套一缸都會布置較多上水孔，以保證約40%的冷卻水經(jīng)第一缸缸蓋流向第四

13、缸缸蓋，但此款發(fā)動機一缸上水量只有25.7%，且第一缸還布置了一小的出水孔，約有10%的冷卻水直接由缸體進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，導致約38.3%的冷卻水流經(jīng)缸體后直接流出缸蓋出水口，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)定冷卻水進口溫度353.15K，計算得出口溫度359.24K，進出口溫差6.74K。模擬計算冷卻水套吸收熱量Q為：冷卻水在發(fā)動機水套中的溫升水的比重，可近似取=1000水的比熱，可近似取=4.187kJ/kg·；水泵流量 ， 1.8L/s經(jīng)計算Q=50.5KW 大于發(fā)動機燃燒熱量散入冷卻水套熱量43KW，滿足冷卻要求。5. 冷卻系統(tǒng)總體分析與建議（1）對于發(fā)動機本體水套經(jīng)過計算,認為基本滿足冷卻要求，但有局部區(qū)域可以進行設(shè)計改進，在文中都已經(jīng)指出。（2）對于水泵我們要求在標定功率點時，即水泵轉(zhuǎn)速6720rpm時，流量大于110L/min,進出口壓差大于150KPa。目前我們選定的水泵性能在6000rpm時，流量不低于100L/min,經(jīng)計算在水泵6000rpm時，需要滿足流量大于97L/m