發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)仿真計(jì)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(jī)，應(yīng)用Flowmaster軟件建立發(fā)動機(jī)一維冷卻系統(tǒng)模型，輸入各元件流阻特性等邊界條件，完成發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)不同工況下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，得到系統(tǒng)和各元件的流量、壓力分布和溫升等情況，并對冷卻系統(tǒng)工作能力進(jìn)行預(yù)測、評價(jià)，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果提出改善建議，指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，大大縮短研發(fā)時(shí)間，降低研發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：冷卻系統(tǒng);流阻特性;穩(wěn)態(tài);仿真分析

中圖分類號：U464.138 ?文獻(xiàn)標(biāo)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(tǒng)作用是在所有工況下，保證發(fā)動機(jī)在最適宜的溫度下工作，冷卻系統(tǒng)匹配是否合適將直接影響到發(fā)動機(jī)的使用壽命和燃油經(jīng)濟(jì)性。發(fā)動機(jī)工作時(shí)，氣缸內(nèi)的氣體溫度可高達(dá)1727～2527℃[1]，若不及時(shí)冷卻，將造成發(fā)動機(jī)零部件溫度過高，會因受熱膨脹影響正常的配合間隙，導(dǎo)致運(yùn)動件受阻甚至卡死。此外，高溫還會造成發(fā)動機(jī)零部件的機(jī)械強(qiáng)度下降，使?jié)櫥褪プ饔玫?[2]。

仿真分析效率和準(zhǔn)確度高，可指導(dǎo)冷卻系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì)，提高研發(fā)效率，縮短開發(fā)周期，在概念設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)階段節(jié)省成本，提高冷卻循環(huán)系統(tǒng)的性能和可靠性。

1 冷卻系統(tǒng)基本構(gòu)成

一般發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)、冷卻水泵、散熱器、膨脹水箱、節(jié)溫器、暖風(fēng)設(shè)備、管道、空氣側(cè)元件等構(gòu)成。冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)各元件流量估算經(jīng)驗(yàn)公式：

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

2 某國V柴油機(jī)匹配某車型冷卻系統(tǒng)分析

2.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及分析任務(wù)

某發(fā)動機(jī)在某IV重型柴油發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)上取消EGR系統(tǒng)，增加SCR系統(tǒng)升級到國V排放，發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)也隨之改變，根據(jù)要求需對冷卻系統(tǒng)重新計(jì)算評估。

2.2 分析模型及邊界條件輸入務(wù)

2.2.1 模型描述及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(yáng)程：9m。

圖4為水泵轉(zhuǎn)速在3570rpm時(shí)，水泵揚(yáng)程隨流量變化曲線：

（2）管/軟管的屬性：管道的設(shè)計(jì)基于實(shí)際機(jī)體和三維數(shù)學(xué)模型（包括管道的長度、直徑）。

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

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

（5）水套：在1D模型中，為了反映真實(shí)的壓力降特性參數(shù)，發(fā)動機(jī)冷卻水套的阻力用離散損失表示。根據(jù)3D-CFD模型結(jié)果校驗(yàn)離散阻值。

（6）主要零部件壓降：1D模擬計(jì)算中用到元件的壓降如表1所示：

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

（8）冷卻液種類：Flowmaster軟件中有絕大多數(shù)液體的特性參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)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(jié)果分析

用Flowmaster搭建冷卻系統(tǒng)1D模型，調(diào)整后的分析模型計(jì)算結(jié)果，如下表2：

系統(tǒng)各元件轉(zhuǎn)速-流量曲線如下圖7所示：

2.3.1 額定點(diǎn)工況

結(jié)果顯示，額定點(diǎn)水泵流量128.2L/min，散熱器流量79.3L/min，機(jī)冷器流量15.65L/min，暖風(fēng)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(jī)水路與機(jī)冷器并聯(lián)，且取消了與機(jī)冷器串聯(lián)的EGR冷卻水路，系統(tǒng)阻力降低，水泵流量增加。但新加并聯(lián)水路分流，散熱器、機(jī)冷器、暖風(fēng)流量下降?？諌簷C(jī)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(diǎn)散熱器溫差10.5℃，高于散熱器進(jìn)出口溫差小于10℃的規(guī)范要求。機(jī)冷器溫差8.5℃，滿足機(jī)冷器進(jìn)出口溫差小于10℃的規(guī)范要求。

2.3.2 暖風(fēng)試驗(yàn)工況

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1775rpm時(shí)，暖風(fēng)流量5.9L/min，較原國IV機(jī)同工況流量8.5L/min降低了30%，低于整車該轉(zhuǎn)速下10L/ min的限值要求。

2.3.3 怠速和怠速節(jié)溫器關(guān)閉工況

怠速時(shí)暖風(fēng)流量2L/min，怠速節(jié)溫器關(guān)閉時(shí)暖風(fēng)流量3.1L/min，較原國IV機(jī)同工況流，降低了25%，低于整車限值要求。

3 結(jié)論

此發(fā)動機(jī)升級到國V排放后，額定點(diǎn)散熱器溫差10.5℃，高于散熱器進(jìn)出口溫差小于10℃的規(guī)范要求;暖風(fēng)試驗(yàn)工況和怠速工況暖風(fēng)流量低于整車的限值要求。故此時(shí)發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)性能并不能滿足要求，需要進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化分析。

參考文獻(xiàn)

[1] 關(guān)文達(dá).汽車構(gòu)造[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[2] 葛仁禮.汽車新結(jié)構(gòu)新技術(shù)及其使用與維修[J].西北大學(xué)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(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，1997，15（3）：257～266.