發動機冷卻系統仿真計算分析

趙宏霞 張華磊 任小龍 屈光洪

摘 要：文章針對某型號國V柴油機，應用Flowmaster軟件建立發動機一維冷卻系統模型，輸入各元件流阻特性等邊界條件，完成發動機冷卻系統不同工況下的系統穩態模擬計算，得到系統和各元件的流量、壓力分布和溫升等情況，并對冷卻系統工作能力進行預測、評價，根據計算分析結果提出改善建議，指導冷卻系統的結構設計及試驗，大大縮短研發時間，降低研發成本。

關鍵詞：冷卻系統;流阻特性;穩態;仿真分析

中圖分類號：U464.138 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）16-143-03

Abstract： The ?Article ?Based on a type of V diesel engine， apply Flowmaster to built 1D model of the cooling system， input each elements boundary conditions such as flow resistance characteristics， to complete steady-state simulation of engine cooling system under different working conditions， get the distribution of flow rate， pressure and temperature etc.， to forecast and evaluation the working ability of the cooling system， provide improvement suggestions according to the result of calculation and analysis， and to guide the structure of the cooling system design and experiment， shorten the development time， reduce research costs.

Keywords： Cooling system; Resistance characteristics; Steady-state; Simulation

CLC NO.： U464.138 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）16-143-03

引言

冷卻系統作用是在所有工況下，保證發動機在最適宜的溫度下工作，冷卻系統匹配是否合適將直接影響到發動機的使用壽命和燃油經濟性。發動機工作時，氣缸內的氣體溫度可高達1727～2527℃[1]，若不及時冷卻，將造成發動機零部件溫度過高，會因受熱膨脹影響正常的配合間隙，導致運動件受阻甚至卡死。此外，高溫還會造成發動機零部件的機械強度下降，使潤滑油失去作用等 [2]。

仿真分析效率和準確度高，可指導冷卻系統的開發和設計，提高研發效率，縮短開發周期，在概念設計階段、試驗階段節省成本，提高冷卻循環系統的性能和可靠性。

1 冷卻系統基本構成

一般發動機冷卻系統主要由發動機、冷卻水泵、散熱器、膨脹水箱、節溫器、暖風設備、管道、空氣側元件等構成。冷卻系統結構如圖1所示。

系統各元件流量估算經驗公式：

Q=Cp*m*ΔT[3] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

2 某國V柴油機匹配某車型冷卻系統分析

2.1 冷卻系統設計目標及分析任務

某發動機在某IV重型柴油發動機基礎上取消EGR系統，增加SCR系統升級到國V排放，發動機的冷卻系統也隨之改變，根據要求需對冷卻系統重新計算評估。

2.2 分析模型及邊界條件輸入務

2.2.1 模型描述及系統結構圖

2.2.2 輸入和邊界條件

（1）水泵：水泵冷卻液體積流量：120L/min @3570rpm 水泵揚程：9m。

圖4為水泵轉速在3570rpm時，水泵揚程隨流量變化曲線：

（2）管/軟管的屬性：管道的設計基于實際機體和三維數學模型（包括管道的長度、直徑）。

（3）節溫器：如圖5所示，節溫器流量系數隨控制閥開度的變化曲線，模型中用一個90度彎頭代表節溫器殼體的壓力降;如圖6所示，節溫器閥開度隨溫度的變化曲線。

（4）散熱器：對發動機散熱器定義為恒定的出水溫度。冷卻器的性能由Flowmaster軟件內部定義。在模型計算中，散熱器出口水溫度設定為90℃。

（5）水套：在1D模型中，為了反映真實的壓力降特性參數，發動機冷卻水套的阻力用離散損失表示。根據3D-CFD模型結果校驗離散阻值。

（6）主要零部件壓降：1D模擬計算中用到元件的壓降如表1所示：

（7）膨脹水箱：在發動機的額定功率下，膨脹水箱的絕對壓力（穩定壓力）為1.5bar。膨脹水箱冷卻液體積設定為1L;氣體體積1.5L。

（8）冷卻液種類：Flowmaster軟件中有絕大多數液體的特性參數和經驗公式，在此，選定的液體的類型：乙二醇和水等體積混合，即WATER/GLYCOL：50/50。

2.3 仿真結果分析

用Flowmaster搭建冷卻系統1D模型，調整后的分析模型計算結果，如下表2：

系統各元件轉速-流量曲線如下圖7所示：

2.3.1 額定點工況

結果顯示，額定點水泵流量128.2L/min，散熱器流量79.3L/min，機冷器流量15.65L/min，暖風流量10.75L/min，較原國IV重柴流量都有所下降。新加SCR水路和空壓機水路與機冷器并聯，且取消了與機冷器串聯的EGR冷卻水路，系統阻力降低，水泵流量增加。但新加并聯水路分流，散熱器、機冷器、暖風流量下降?？諌簷C流量11.6L/min，明顯高于5L/min的流量要求。噴嘴流量1.75L/min，偏低。額定點散熱器溫差10.5℃，高于散熱器進出口溫差小于10℃的規范要求。機冷器溫差8.5℃，滿足機冷器進出口溫差小于10℃的規范要求。

2.3.2 暖風試驗工況

發動機轉速1775rpm時，暖風流量5.9L/min，較原國IV機同工況流量8.5L/min降低了30%，低于整車該轉速下10L/ min的限值要求。

2.3.3 怠速和怠速節溫器關閉工況

怠速時暖風流量2L/min，怠速節溫器關閉時暖風流量3.1L/min，較原國IV機同工況流，降低了25%，低于整車限值要求。

3 結論

此發動機升級到國V排放后，額定點散熱器溫差10.5℃，高于散熱器進出口溫差小于10℃的規范要求;暖風試驗工況和怠速工況暖風流量低于整車的限值要求。故此時發動機的冷卻系統性能并不能滿足要求，需要進行進一步優化分析。

參考文獻

[1] 關文達.汽車構造[M].機械工業出版社，1999.

[2] 葛仁禮.汽車新結構新技術及其使用與維修[J].西北大學出版社， 1996.

[3] J.P.Liu，J.F.Bing ham.Effects of Intake System Dimensions on Volu -metric Efficiency Speed Characteristics of Multi-Cylinder Engines [J].內燃機學報，1997，15（3）：257～266.