摩托車水冷系統的設計分析

姜文龍

摘要：本研究綜合分析國內外在摩托車水冷系統方面的研究，并基于此對摩托車水冷發動機開展先相關課題研究，進一步探究了250cc 水冷發動機的冷卻泵葉輪性能。大多數學者通常借助試驗法來分析摩托車發動機冷卻泵，存在投入大、設計周期較長以及質量不高等問題，本研究就提出了對于摩托車水冷發動機冷卻泵通過仿真分析法進行研究，同時利用實驗研究的方式來驗證優化設計方案，提高水冷系統的設計效率。

Abstract： On the basis of absorbing domestic and foreign research experiences and achievements， this paper optimizes the performance of cooling pump impeller of 250cc water-cooled engine combined with the project of "increasing water-cooled engine pump capacity of motorcycle". The traditional research method of engine cooling pump is mainly experimental research， which has long design cycle， high cost and poor product quality. In this paper， the design optimization of cooling water flow of water-cooled engine cooling pump is studied by simulation method， and the optimization design scheme is verified by experimental research.

關鍵詞：冷卻泵;摩托車;水冷系統

Key words： cooling pump;motorcycle;water cooling system

0 ?引言

改革開放至今，我國摩托車產業得到了迅猛的發展，特別是在中小排量低端品質方面成為了日本最大的競爭對手。但是這些低端產品的階段性成功主要是取決于大量經濟落后國家的旺盛需求和中國市場完整的摩托車配套體系。面對經濟全球化的發展趨勢，國內摩托車行業面臨著極大的挑戰，要想獲得進一步的發展，就需要擴大影響力，擴大市場占有量，而關鍵取決于我國摩企能否制造出高品質的摩托車。現在市場流行的高品質車主要以水冷電噴車為主，水冷技術和電噴技術在摩托車上的應用不僅能夠提高摩托車的可靠性、降低油耗，而且會大大提高駕駛的舒適性。

1 ?摩托車發動機水冷系統的優化設計

優化設計摩托車發動機水冷系統的最終目的為：借助運算和測試的方式，基于轉速不變的情況下，對冷卻泵葉輪流量性能指標進行分析，分析其符合設計標準，探究二者間的聯系。

水冷系統優化設計方案：

開展邊界條件數據測試工作，為優化設計奠定基礎。試驗過程：基于差異化轉速下，分別測量冷卻泵進水口、出水口的壓力值，對CFD仿真模擬的邊界條件進行明確。

在掌握運算關鍵變量的前提下，利用CFD仿真模擬法探索出規律特點，選出優化設計方案。

借助CFD仿真模擬法，對原機模型、優化設計方案模型二者的性能進行對照研究。

為了對優化設計方案的可行性及有效性進行研究，需要針對水泵的水量、揚程開展測試工作。

2 ?冷卻泵 CFD 建模及仿真分析

本研究將國內某品牌摩托車發動機冷卻泵作為研究對象，開展CFD 建模及仿真分析工作。

2.1 構建冷卻泵模型

可以針對冷卻泵模型下的孔洞進行實體簡化分析，通過Pro/E三維建模軟件對冷卻泵三維模型進行構建，但要確保不會在較大程度上干擾仿真研究結果，這樣就能夠有效減少運算任務[1]。借助step格式對冷卻泵三維模型進行保存，并在HYPERMESH 軟件下進行導入處理，完成模型表面網格劃以及幾何操作任務，于ICEM surf軟件中對上述結果進行導入，針對模型開展體網格劃分操作。

2.2 構建仿真模型

根據冷卻泵性能測試法，對CFD仿真模型進行構建，綜合分析實際狀況做出調整和優化。CFD仿真模型主要由非旋轉流體區和旋轉流體區構成，其中前者是除后者之外的流體部分，而后者是冷卻泵周邊部分。在旋轉流體區中的計算時加的旋轉流體區域的外邊界其實就是非旋轉流體區中的計算時加的非旋轉流體區域的內邊界，仿真時，為了使流場在進、出口處比較均勻，對于CFD仿真模型的出口，未完全采用實際模型出口，在其基礎上順輸出口管進行了延伸，從而獲得最終運算模型出口。

2.3 網格的劃分

CFD仿真模型的幾何體現即為網格，同時網格也是進行仿真研究的重要載體，CFD仿真運算的效率、準確性都同網格質量存在著緊密的聯系。求解流體動力學控制方程的過程中，應用CFD軟件所得到的均并未準確數值，因為稀疏的網格根本無法保障方程解的精確性，還會存在錯解的問題，導致結果不收斂的狀況[2]。但如果將網格設置的比較密集，則計算機硬件可能會達不到規定，使運算耗時延長。所以，在對網格進行劃分時，需要要保障網格的密度，但是又要控制數量，以免增大運算總量。對于梯度改變較大的位置，應設置較密的網格，嚴格控制網格單元的傾斜角度，對梯度變化不大的位置要對網格數量進行科學設置。因為發動機冷卻泵仿真模型相對比較繁瑣，可以利用網格劃分的途徑，非旋轉流體區、旋轉流體區的網格應分別設置為較大網格及較小網格。

2.4 指定邊界類型和區域類型

本研究對冷卻泵流暢進行仿真運算的過程中，應用到了CFX求解器。該模型涵蓋了壁面區域以及進、出口三種邊界，根據冷卻泵運行途徑和CFX邊界條件的選取及組合，壓力進、出口分別為冷卻泵進口以及出口，壁面區域則是流體其它邊界[3]。非旋轉流體區應處在靜止狀態，而旋轉流體區則應為運動狀態，進行仿真分析時應對轉速、旋轉軸進行明確。

2.5 流場仿真邊界條件的設定

開展仿真研究時，要先設置CFX邊界條件。大氣壓力就是于冷卻泵進口位置設定流動總壓，由于出口位置水流存在較大的阻力，所以也要進行背壓支持，要想盡可能的將仿真模型同實際運行狀況相一致，結合邊界條件檢驗成果，應將出口位置的壓力設定成65000或者是60000Pa。流動雷諾數于通流區中為湍流運動，均大于10000，要借助k-ε模型來研究流場。流動于近壁區不會出現較大改變，呈層流狀態，湍流應力完全無效[4]。在處理這一狀況的過程中，需要發揮壁面函數法的作用，即CFX軟件借助半經驗公式整合湍流核心區及壁面的物理量。壁面函數法核心為：借助k-ε模型來運算湍流核心區的流動，對半經驗公式進行套用，整合湍流核心區所解答的變量及壁面物理量。由此，針對鄰近壁面控制體積，能夠對節點變量值進行運算，無需處理壁面流動。對網格進行劃分的過程中，壁面密集程度的增加并不必要，僅要在對數律區域中設置首節點即可，需要在湍流發展良好區域中開展設置處理，所以之前并未對近壁區的網格進行密集的劃分。通過迭代法，對流場的空間離散方程進行運算，按照收斂準則來開展相關運算工作。本研究的收斂準則為對完成運算之前的控制方程殘差進行管控，使其小于0.001，實現穩定并迅速的收斂。

3 ?優化方案邊界條件數據測試

3.1 試驗裝置

本實驗裝置主要包括冷卻水箱、250cc發動機、冷卻水箱、壓力表以及連接管等結構。因為250cc水冷發動機的冷卻泵的進水口、排水口的壓力均在0.07MPa之下。所以在測試過程中應測試0.1MPa壓力表。

3.2 壓力測試

①測試順序為：要提前預熱發動機十分鐘，提高實驗精確程度;針對發動機的進水口、出水口的泵壓開展測試工作，測試標準為曲軸轉速的3000、5000以及7500r/min。

②測試結果：

4 ?結語

傳統的摩托車水冷技術利用的是曲軸驅動水泵為整個系統提供動力，水泵轉速與發動機曲軸轉速相關，無法結合冷卻液溫度對泵水量進行調控，因為摩托車的發動機需要長時間的預熱，所以很容易發生過冷或過熱的問題。應在摩托車冷卻系統內發揮電控水泵的作用，縮短暖機時間，實現對冷卻液的有效控溫，對系統下的冷卻液進行有效的管控，包括管控循環速度、關閉和開啟。電控水泵邏輯簡圖如圖1所示，電控水泵直接由ECU控制，ECU根據發動機水溫信號輸出信號給驅動電路從而控制電子水泵工作。本研究冷卻系統具有明顯的優勢，結合當下控制邏輯，發動機轉速不會干擾電控水泵冷卻液的循環速度，而是直接由ECU根據冷卻液溫度調整水泵的轉速從而控制冷卻液循環的速度來控制冷卻液的的溫度。比如在發動機需要快速暖機的時候水泵不工作或者低速運轉，比傳統的小循環更加高效節能。利用電控水泵不僅能夠精確控制發動機的工作溫度，還可以簡化冷卻系統，省去小循環和相關零部件，更重要的是能夠減少曲軸負載降低能耗，提高發動機工作效率。

參考文獻：

[1]冉文清.摩托車水冷系統的設計與應用（2）[J].摩托車技術，2018（04）：29-34.

[2]朱志國.摩托車水冷系統優化研究[D].天津大學，2012.

[3]陳翔.摩托車水冷發動機的冷卻泵葉輪優化設計研究[D].天津大學，2011.

[4]李文匯，田淑英，徐麗英.淺談摩托車水冷發動機的設計[J].山東內燃機，2005（01）：14-16.