單缸發動機冷卻系統分析及性能提升研究

譚禮斌,袁越錦

(陜西科技大學 機電工程學院,陜西 西安 710021)

隨著科學技術的進步,發動機在動力及功率方面不斷提高,同時熱負荷也會隨著功率的提高而增加,這對發動機冷卻系統提出了更高的要求[1]。發動機冷卻系統作為發動機核心系統之一,其主要作用是保證發動機在適宜的溫度下運行,避免局部過熱而產生部件熱疲勞、拉缸現象[2]。近年來,隨著計算機仿真技術的發展,采用計算流體力學方法(computational fluid dynamics,CFD)對發動機冷卻系統性能已進行了部分研究。如成曉北等[3]對發動機冷卻系統工作循環工程進行仿真分析,詳細分析了影響冷卻系統冷卻性能的關鍵因素。徐玉梁等[4]研究了一種雙回路冷卻系統對發動機機體溫度的影響,為冷卻系統設計提供了新思路。顧寧等[5]提出了冷卻系統能耗評價指標,并開展了冷卻系統匹配及優化分析,解決了冷卻系統流量不足而導致水溫偏高的問題。葛銳等[6]開展了類似研究,再次說明了冷卻系統循環流量不足易導致系統水溫高的問題。張博等[7]通過熱平衡實驗研究了冷卻系統流量對發動機性能的影響?？梢?CFD分析方法的高效性及預測結果的可靠性已在發動機冷卻系統分析及工程設計與優化領域廣泛應用,且可減少反復實驗耗費的人力財力,縮短研發周期[8-9]。

發動機冷卻系統工作循環流量對發動機運行時的水溫具有顯著影響,為確保發動機冷卻系統具有較好的冷卻性能,需保證發動機冷卻系統循環具有滿足冷卻需求的冷卻液流量。因此,為評估某單缸發動機冷卻系統工作流量大小,采用CFD方法對該單缸發動機冷卻系統開展系統阻力和水泵性能仿真分析,確定系統工作流量,并從系統阻力降阻和提升水泵性能層面提升該冷卻系統的工作流量,改善其冷卻性能。研究結果可為單缸發動機冷卻系統流量評估及流量提升提供參考。

1 發動機冷卻系統性能分析模型搭建

1.1 物理模型

該單缸發動機冷卻系統由冷卻水泵、水套、節溫器、散熱器及管路組成。為分析該冷卻系統初始結構的系統流量,需對冷卻系統流動阻力及水泵性能進行分析,從而匹配得到該冷卻系統在現有結構下的系統流量。圖1為冷卻系統計算域的幾何模型及網格模型,該模型包含了水套、節溫器、散熱器及管路,用于分析冷卻系統的流動阻力。采用流體分析軟件STAR-CCM+中多面體網格技術和邊界層網格技術對冷卻系統計算域模型進行網格劃分,同時采用體加密的網格細化方法對散熱器流道進行網格細化,劃分完成后的網格數量為1.1×107個。圖2為冷卻系統動力源部件水泵計算域的幾何模型及網格模型。該計算域的網格也采用多面體網格和邊界層網格劃分,最大網格尺寸為1.0 mm,最小網格尺寸為0.5 mm,邊界層層數為5層,邊界層厚度為0.4 mm,劃分完成后的網格數量為1.5×106個。

圖1 冷卻系統計算域的幾何模型及網格模型

圖2 冷卻系統動力源部件-水泵計算域的幾何及網格模型

1.2 數學模型及邊界條件

選用k-ε兩方程湍流模型開展該單缸發動機冷卻系統流動阻力特性及冷卻水泵性能的分析。模擬中冷卻液視為不可壓縮的穩態流動狀態,過程中不考慮溫度。因此,該單缸發動機冷卻系統數值模擬中涉及到的數學模型主要為連續性方程、動量方法和湍流模型方程[10-11]。

冷卻液為乙二醇和水體積分數各50%的混合溶液,溫度為95 ℃,密度為1 027 kg/m3,動力粘度為7.6×10-4Pa·s。冷卻系統流動阻力計算時入口流量設置為30、25、20、15、10、5 L/min六個工況點,出口壓力為0。壁面邊界采用STAR-CCM+軟件中Two-layer All Y+Wall Treatment函數處理,采用無滑移壁面條件。冷卻水泵性能計算時,葉輪旋轉通過旋轉參考坐標系法(moving reference frame, MRF)實現,水泵轉速為4 750 r/min。冷卻水泵質量流量入口邊界按照表1設置,壓力出口邊界設置為0,通過21 000步的迭代計算實現不同流量工況下水泵性能計算。

表1 冷卻水泵邊界條件設置

2 冷卻系統分析

2.1 冷卻系統流動阻力分析

圖3為流量20 L/min時冷卻系統的流動阻力分配及冷卻液流速分布結果。該流量工況下的冷卻系統阻力為50.00 kPa。節溫器部件的流動阻力為22.10 kPa,占總阻力的44%左右。冷卻系統的阻力損失都發生在節溫器部件位置。表明節溫器部件的過流面積太小,節溫器中節溫閥全開時候的升程較小,給冷卻液流動造成較大的流動阻力。因此,節溫器部件處的壓力損失需要通過調整節溫器部件的過流面積或節溫閥全開時的最大升程來進行改善,從而降低該冷卻系統的流動阻力,為后續水泵工作流量點的匹配提供阻力目標值。從冷卻液流速分布可以看出,整個冷卻系統中冷卻液流速分布較好,不存在流動死區,節溫器處的局部流速較大,造成局部壓力劇增。

圖3 冷卻系統流動阻力分配及冷卻液流速分布

2.2 冷卻水泵性能分析

圖4為冷卻水泵性能測試臺架布局示意圖。冷卻水泵性能測試參照國家標準QCT 288.1-2001 《汽車發動機冷卻水泵試驗方法》進行[12],獲取原冷卻系統冷卻水泵性能并為水泵性能計算模型提供實驗驗證數據。圖5為冷卻水泵性能仿真與實測結果對比。CFD計算得到的揚程、效率、軸功率參數與實測結果變化趨勢基本一致,誤差在10%以內,說明構建的冷卻水泵CFD計算模型是有效的,可用于后續冷卻水泵改進方案的性能計算。

圖4 冷卻水泵性能測試臺架布局示意圖

圖5 冷卻水泵性能仿真與實測結果對比

2.3 冷卻系統工作流量點

圖6為冷卻系統工作流量點確認曲線。通過冷卻系統流動阻力曲線與冷卻水泵性能曲線間的交點得到該冷卻系統在此水泵轉速工況下的系統流量點為16.5 L/min。采用該系統工作流量進行發動機水溫匹配分析獲得該發動機在最大功率運行時的最高水溫約為106 ℃,水溫略高。建議對冷卻系統工作流量進行提升,改善發動機極限工況運行下的最高水溫值。關于冷卻系統工作流量點的提升,可以從降低冷卻系統流動阻力和提升水泵性能兩方面開展。

圖6 冷卻系統工作流量點

3 冷卻系統性能提升研究

3.1 冷卻系統流動阻力對系統流量的影響

為提升冷卻系統工作流量,首先研究冷卻系統流動阻力對系統流量的影響。從冷卻系統流動阻力分配可知,節溫器部件處的流動阻力約占總阻力的44%,節溫器部件處流動阻力大是造成冷卻系統總阻力大的根源,因此可從降低節溫器流動阻力來降低冷卻系統的流動阻力。圖7為節溫器結構改進前后對比。節溫器改進后其流通面積比原節溫器流通面積增加約40%,可起到降低流動阻力的作用。圖8為冷卻系統流動阻力對系統流量的影響。冷卻系統流動阻力降低10%,系統流量從16.5 L/min提升至17.2 L/min,增幅為4%;冷卻系統流動阻力降低20%,系統流量從16.5 L/min提升至18.2 L/min,增幅為10%。采用優化后的節溫器部件,冷卻系統流動阻力可降低約25%,系統流量從16.5 L/min提升至19.0 L/min,增幅為11.5%。由此可見,節溫器部件結構改進后冷卻系統流動阻力降低明顯,冷卻系統工作流量可提升2.5 L/min。

圖7 節溫器結構改進前后對比

圖8 冷卻系統阻力對系統流量的影響

3.2 冷卻水泵性能對系統流量的影響

冷卻水泵作為冷卻系統的動力源部件,其性能提升有利于系統流量的提升。為研究冷卻水泵性能對該單缸發動機冷卻系統流量的影響,基于原水泵設計了圖9的3種冷卻水泵改進方案,旨在提升水泵性能。該冷卻水泵的葉輪直徑值、葉輪高度值及葉片寬度值為冷卻水泵在發動機上安裝空間及制造工藝的極限可實施方案。圖10為冷卻水泵性能提升后系統工作流量曲線及軸功率對比曲線。3種冷卻水泵方案相較于原水泵性能都有較大的提升。優化水泵1狀態的冷卻系統工作流量為17.8 L/min,增幅為8%;優化水泵2狀態的冷卻系統工作流量為18.3 L/min,增幅為11%;優化水泵3狀態的冷卻系統流量為20.0 L/min,增幅為21%。優化水泵1、2、3相比原水泵軸功率分別增加了50、75、100 W,增幅為35%、60%、110%。

圖9 冷卻水泵優化方案改動點說明

圖10 冷卻水泵性能提升前后的系統工作流量及軸功率對比

3.3 冷卻系統優化方案及工作流量確認

圖11為冷卻系統阻力和冷卻水泵性能優化后的冷卻系統工作流量點曲線。冷卻系統阻力降低和冷卻水泵性能提升的綜合作用下,冷卻系統工作流量提升更明顯。優化后的冷卻系統阻力曲線與優化水泵方案1、2、3的性能曲線匹配獲得相應的冷卻系統工作流量值分別為20.5、21.0、24.0 L/min,增幅分別為24%、27%、45%。結合水泵的功耗增加幅度,優化水泵1狀態相比原水泵功耗增加最小,因此建議選擇優化水泵1作為冷卻系統工作流量提升方案,工作流量為20.5 L/min。采用優化后的工作流量點進行發動機水溫匹配分析,獲得該發動機在發動機最大功率運行時的最高水溫約為102 ℃,降低了4 ℃,基本滿足極限工況的使用需求。若需再改善發動機極限工況下的最高水溫,可從搭載的整車風場及散熱器部件方面考慮,通過合理組織整車流場分布及散熱器選型來改善最高水溫值。

圖11 優化后冷卻系統工作流量點

4 結論

該單缸發動機冷卻系統在水泵轉速4 750 r/min時的系統流量為16.5 L/min,冷卻系統流動阻力分配中節溫器部件的壓力損失最大,占總阻力的44%;節溫器流通面積增加40%后,冷卻系統流動阻力可降低約25%,系統流量增幅為11.5%。對水泵性能提供了3種水泵結構改進方案,系統流量分別增加8%、11%、21%,功耗分別增加50、75、100 W。經系統阻力優化和水泵性能提升后,優化水泵1、2、3的系統流量分別為20.5、21.0、24.0 L/min,增幅分別為24%、27%、45%。結合水泵功耗增加幅度,建議選擇優化水泵1作為冷卻系統工作流量提升方案并開展樣件制作及實驗驗證。研究結果可為單缸發動機冷卻系統分析及系統流量提升提供方法參考。