發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)計(jì)算

1、發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)計(jì)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(jì)計(jì)算分析，水套計(jì)算分析由AVL公司的FIRE軟件完成。通過CFD計(jì)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(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算。1 .散熱量的計(jì)算在設(shè)計(jì)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為原始數(shù)據(jù)，計(jì)算冷

2、卻系統(tǒng)的循環(huán)水量、冷卻空氣量，以便設(shè)計(jì)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(jì)算，因此在計(jì)算時，通常采用經(jīng)驗(yàn)公式或參照類似發(fā)動機(jī)的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。在采用經(jīng)驗(yàn)公式估算時，QW估算公式為：Q=AgeNehn(kJ/s)(1)W3600式中：A一傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比ge內(nèi)燃機(jī)燃料消耗率(kg/kWh);Ne內(nèi)燃機(jī)功率(kW);hn一燃料低熱值(kJ/kg)表1發(fā)動機(jī)總功率試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)燃油消耗率(g/kw.h)校正后效功率(kw)校正啟效扭矩(Nm)2000293.520.296.33200286.537

3、.4111.84400280.853.9116.95200320.763.9117.46000340.870.2111.8根據(jù)表1CK1較動機(jī)總功率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：6000rpmW,Ne=70.2kW,ge=340.8g/kW-h,汽油機(jī)熱量理論計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)反運(yùn)算，A值一般在0.15左右。汽油低熱值hn=43100kJ/kg,A選取0.15,故對于CK14g動機(jī)標(biāo)定功率下散熱量：Qw:43KW0.150.340870.24310036001.2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VW：

4、Vw=（m：'s）（2）二wwCw式中：Aw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=48C,本機(jī)初步計(jì)算取值7C；不卬一水的比重，可近似取=w=i°00kg/m3Cw一水的比熱，可近似取Cw=4.187kJ/kg；Q、“一冷卻系統(tǒng)散熱量，由（2）式算得Qw=43KWVVVV將上述各值代入VW計(jì)算公式，可得CK1較動機(jī)標(biāo)定功率下冷卻水循環(huán)量為：Vw=0.00147m3s=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vb可根據(jù)冷卻水循環(huán)量Vw，按下式初步確定：Vb*"）（4）vs式中：V

5、W冷卻水循環(huán)量，由（2）式算得CK1發(fā)動機(jī)vW為1.47L/s;。一水泵的容積效率，主要考慮水泵中冷卻水的泄漏，一般刈=0.80.9,本次計(jì)vsvs算股取值0.8。vs計(jì)算得CK1較動機(jī)所需水泵的泵水量為：vb=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(diǎn)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(jī)中,冷卻系管道流動阻力一般為7.5父10312.5m103Pa,水套阻力一般為13父10

6、315x103Pa,水散熱器阻力一般為20父10325x103Pa,總阻力為40父10353M103,為安全起見，一般泵水壓力取150KB?？偵纤?，我們確定水泵的選取要求為：在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為6000rpmW,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(jì)計(jì)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AV肌配發(fā)動機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，空調(diào)冷凝器前置對前格柵的進(jìn)風(fēng)溫度將提升10C-20c左右。在

7、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=(1.0535)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(jì)手冊提供公式Ff=(0.0027-0.0034)NaaxNena=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(jì)手冊提供公式S=S比Ne-轎車S比為0.07m2/Kw發(fā)動機(jī)散熱器散熱面積S=0.07X70.2=4.914m24 .發(fā)動機(jī)水套CF限擬計(jì)算

8、4.1 水套計(jì)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(shí)模型建模計(jì)算比較困難，同時考慮到計(jì)算耗時和計(jì)算主要所關(guān)心的是水套內(nèi)流動情況，所以本報(bào)告計(jì)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(jì)算工況及邊界條件計(jì)算工況為標(biāo)定工況，冷卻介質(zhì)為純水。計(jì)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)態(tài)計(jì)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(shí)驗(yàn)獲得發(fā)動機(jī)空間壁面溫度分布，在計(jì)算中采用了假定的壁面溫度場,缸蓋壁面平均溫度120C,缸體壁面平均溫

9、度100C。4.3 計(jì)算結(jié)果分析4.3.1 整體水套壓力分布1.2258*005Case_2:lT_35ilFtawAbsfllutePreswrelPal1.2&e*OD51.175b+0051.156*0051.DT5+00511.喀EM1.1256005le-fl£>5圖3水套整體壓力分布進(jìn)口平均壓力121270Pa,出口平均壓力101045Pa,進(jìn)出口壓差即發(fā)動機(jī)水套壓力損失為20.225KPa,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

10、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1.2&+O051.1*00510MQ51H口51.12e*D05i.u*ooi1Oh0*OOi1口M口口耳1044+D0S1.020*0051e*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

11、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。的B：rr_然if*他舊制皿耳圖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(jì)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

12、場分布圖11缸體水套進(jìn)氣側(cè)壓力分布CMS®IT_?tlG，F(xiàn)a(hM岫應(yīng)皿后g弱I1.131+0051rw3512121+DD51兩川旗1.2&le+0D51%時$蜘+。的1g篦+口口51蝌山。51.1d+DD51事沖聞5壓力損失較大圖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。4.3.3.2 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(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。

13、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%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%130.005

14、0.3%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(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(diǎn)浪費(fèi)。(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

15、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(jì)算設(shè)定冷卻水進(jìn)口溫度353.15K,計(jì)算得出口溫度359.24K,進(jìn)出口溫差6.74K。模擬計(jì)算冷卻水套吸收熱量Q為：Q二twwCwVwtw冷卻水在發(fā)動機(jī)水套中的溫升手w一水的比重，可近似取>w=i000kg/m3Cw一水的比熱，可近似取Cw=4.187kJ/kg；VW水泵流量,1.8L/S經(jīng)計(jì)算Q=50.5KW大于發(fā)動機(jī)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(jī)本體水套經(jīng)過計(jì)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(jì)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(diǎn)時，即水泵轉(zhuǎn)速6720rpm時，流量大于110L/min,進(jìn)出口壓差大于150KP3目前我們選定的水泵性能在6000rpm時，流量不低于100L/min