车用发动机冷却系统匹配计算研究

水 泵 流 量／ （ｍ３ ·ｓ－１ ）
０．００５ １３ ０．００５ ０５ １．５８
热器才能达到热 平 衡．冷 却 水 流 经 发 动 机 温 升 并 不大，仅为７．１３ ℃，但 由 于 发 动Байду номын сангаас机 冷 却 水 入 口 温 度较高，发动机冷却水出口温度超过１００ ℃，接近
冷却水的沸点１１０ ℃．在 比 标 定 工 况 稍 恶 劣 的 工 况 条 件 下 ，冷 却 水 容 易 出 现 “开 锅 ”现 象 ，冷 却 系 统
第３５卷 第２期 ２０１１ 年 ４ 月
武 汉 理 工 大 学 学 报 （交 通 科 学 与 工 程 版 ）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ （Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）
Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１１
收 稿 日 期 ：２０１０－１２－１８ 邓义斌（１９７９－ ）：男，硕士，讲师，主要研究领域为热流控制与管理
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武 汉 理 工 大 学 学 报 （交 通 科 学 与 工 程 版 ）
２０１１ 年 第 ３５ 卷
１．２ 研 究 对 象 及 边 界 条 件 研究对象为某 型 重 载 车 用 柴 油 机，主 要 参 数
表 １ 标 定 工 况 下 计 算 值 与 试 验 值
发动机参数
计算值
试验值 误差／％
冷却液入口 温 度／℃
９５．８７
９３．１
２．９８
冷却液入口 压 力／ｋＰａ
１７８．１３
１７０
４．７８
冷却液出口
温 度／℃
１０３
９９．４
３．６２
冷却液出口
压 力／ｋＰａ
１１３．２７
１１４
－０．６４
１ Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ 下 冷 却 系 统 模 型 的 建立
１．１ 冷 却 系 统 模 型 的 建 立 车用水冷式发动机通常都采用闭式强制循环
冷却系统，即利用 水 泵 强 制 冷 却 液 在 发 动 机 机 体
图 １ Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ冷 却 系 统 计 算 模 型
在 Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ软件中，将冷却系统的主要部 件 定 义 为 压 损 元 件 ，同 时 将 水 套 、散 热 器 、中 冷 器 、 机油冷却器等定 义 为 换 热 元 件，换 热 元 件 的 换 热 面积或换热效率等参数作为边界条件输入 ． ［３－５］
发 动 机 冷 却 液 出 口 温 度／℃
１０３
发 动 机 冷 却 液 出 口 压 力／ｋＰａ 散 热 器 散 热 量／ｋＷ
１１３．２７ １３６．３５
节温器开度 水 泵 流 量／（ｍ３·ｓ－１） 风 扇 风 量／（ｍ３·ｓ－１）
１００％ 大 循 环 ０．００５ １３ ３．７９３
冷却系 统 大 循 环 的 沿 程 节 点 温 度 如 图 ２ 所 示 ．由 图 ２ 可 知 ，发 动 机 冷 却 水 的 温 升 主 要 是 在 发 动机水套内，而机 油 冷 却 器 放 热 量 相 对 水 套 放 热 量要小得多，所以 机 油 冷 却 器 的 冷 却 水 进 出 口 温 度 变 化 很 小 ，温 降 则 主 要 在 散 热 器 内 ，因 为 发 动 机 水套和机油冷却器的放热量主要由散热器带走． 由于节温器关闭 了 冷 却 水 小 循 环，所 以 从 散 热 器 出口到大小循环 汇 合 处 的 温 度 几 乎 不 变．冷 却 系 统大循环的沿程节 点 压 力 如 图 ３ 所 示．由 图 ３ 可 见 ，水 泵 提 供 的 压 头 主 要 在 发 动 机 水 套 、机 油 冷 却 器 、节 温 器 和 散 热 器 处 损 耗 ，其 中 在 发 动 机 水 套 的 压力损失最大．冷 却 系 统 大 循 环 的 沿 程 流 速 如 图 ４所示．由图 ４ 可 见 冷 却 水 流 速 在 发 动 机 水 套 处 达 到 最 大 ，主 要 是 因 为 相 对 其 他 流 动 管 路 和 元 件 ， 水 套 内 流 道 较 狭 窄 ，在 流 量 相 同 的 情 况 下 ，流 速 较 高 ，压 力 损 失 也 较 大 ．
３ 不同条件下的冷却系统匹配分析
３．１ 散 热 器 散 热 效 率 的 影 响
散热器换热效率是影响整个冷却系统性能的 重 要 因 素 ．根 据 发 动 机 试 验 数 据 ，标 定 点 时 水 泵 流 量 为 ０．００５ １４ ｍ３／ｓ，水 套 散 热 量 为 １４０ｋＷ，进 风 温度为３５ ℃，取散热效率 ０．５，０．５４，０．５８，０．６２， ０．６６，０．７０，０．７４，０．７８ 进 行 计 算，发 动 机 进 出 口 水 温 度 随 散 热 效 率 变 化 如 图 ５ 所 示 ．由 图 ５ 可 知 ， 发动机进出口水温随散热器散热效率的增大而降 低 ，而 进 出 口 水 温 温 差 基 本 保 持 不 变 ，当 散 热 效 率 较低时，由于热量 不 能 及 时 散 发 导 致 发 动 机 水 温 过高易 出 现 开 锅 现 象，在 散 热 效 率 ０．６６ 以 上，发 动机进出口水温均 低 于 １００ ℃，基 本 满 足 使 用 要 求 ，考 虑 到 适 用 于 更 恶 劣 的 工 况 ，应 选 用 散 热 效 率 在０．７以上的散 热 器．散 热 器 散 热 量 随 散 热 效 率 变 化 如 图 ６ 所 示 ，由 图 ６ 可 见 ，散 热 器 的 散 热 量 随 散热效率的增大而增大． ３．２ 水 泵 转 速 的 影 响
车用发动机冷却系统匹配计算研究
邓义斌
（武 汉 理 工 大 学 能 源 与 动 力 工 程 学 院 武 汉 ４３００６３）
摘要：运用 Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ商业软件，建立了 车 用 发 动 机 冷 却 系 统 的 一 维 计 算 模 型；针 对 一 台 车 用 发
动机，以冷却系统主要部件的性能参 数 和 曲 线 作 为 边 界 条 件，在 所 建 的 模 型 中 进 行 了 标 定 点 工 况
第２期
邓 义 斌 ：车 用 发 动 机 冷 却 系 统 匹 配 计 算 研 究
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图 ２ 沿 程 节 点 温 度 曲 线 （大 循 环 ）
图 ５ 发 动 机 进 出 口 水 温 随 散 热 效 率 变 化 图
图 ３ 沿 程 节 点 压 力 曲 线 （大 循 环 ）
图 ４ 沿 程 流 速 曲 线 （大 循 环 ）
为 ：发 动 机 型 式 为 四 冲 程 、四 气 门 、直 列 六 缸 、共 轨 直喷、水冷；缸径× 行 程 为 １２３ ｍｍ×１５６ ｍｍ；发 动机排量为１１．１２Ｌ；进 气 方 式 为 增 压 中 冷；压 缩 比为１６．４∶１；额 定 功 率 为 ２６６ｋＷ；额 定 转 速 为 １ ９００ｒ／ｍｉｎ．
ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－２８２３．２０１１．０２．０４０
随着现代车用发动机采用更加紧凑的设计和 具 有 更 大 的 升 功 率 ，强 化 程 度 越 来 越 高 ，使 发 动 机 的热负荷有较大 提 高，对 车 用 发 动 机 的 冷 却 系 统 提出更高的要 求［１］．传 统 的 冷 却 系 统 设 计 是 根 据 相似车辆积累的 经 验 进 行 的，相 关 的 热 力 学 参 数 和技术参数是在 一 定 的 经 验 范 围 内 来 选 择，但 是 影响这些参数的 因 素 相 当 复 杂，不 仅 受 到 设 计 要 求、换 热 元 件 特 性 （阻 力 特 性、热 力 特 性、几 何 特 性 ）等 确 定 因 素 的 影 响 ，而 且 还 受 待 定 参 数 相 互 之 间甚至人为因 素 等 不 确 定 因 素 的 影 响［２］．设 计 人 员把大量的时间 和 精 力 用 于 繁 重 的 计 算 中，而 且 经 过 若 干 次 试 算 ，最 后 不 一 定 能 取 得 满 意 的 结 果 ． 因此，建立一个可 以 对 各 部 件 的 匹 配 性 能 进 行 预 测分析且方便快捷的发动机冷却系统模拟计算平 台是很有意义的．本 文 运 用 一 维 流 体 系 统 仿 真 分 析软件 Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ建 立 车 用 发 动 机 冷 却 系 统 的 计 算 模 型 ，预 测 分 析 系 统 的 匹 配 性 能 ．
将不能满足使用 要 求．由 此 可 见 当 前 冷 却 系 统 配 置 不 合 理 ，应 选 用 散 热 效 率 更 高 的 散 热 器 ．
表 ２ 标 定 工 况 下 计 算 结 果
名称
计算值
发 动 机 冷 却 液 入 口 温 度／℃
９５．８７
发 动 机 冷 却 液 入 口 压 力／ｋＰａ
１７８．１３
的计 算 分 析，指 出 冷 却 系 统 存 在 的 问 题 ．调 整 发 动 机 冷 却 系 统 的 部 分 参 数 ，通 过 模 拟 计 算 和 对 比，
对影响该型发动机冷却性能的各因素进行了分析．
关 键 词 ：发 动 机 ；冷 却 系 统 ；仿 真 计 算 ；匹 配 ；Ｆｌｏｗｍａｓｔｅｒ
中 图 法 分 类 号 ：ＴＫ４２２
边界条件有系统参数和元件参数． １）系 统 参 数 冷 却 水 为 乙 二 醇／水 （５０％／ ５０％ ）；计 算 类 型 为 汽 车 热 管 理 传 热 稳 态 计 算 ． ２） 元 件 参 数 水 泵 参 数 其 额 定 流 量 ０．００６ ９ｍ３／ｓ，额 定 压 头 １８ ｍ，额 定 转 速２ ７００ ｒ／ｍｉｎ，模 型 计 算 需 要 水 泵 流 量 压 头 Ｓｕｔｅｒ曲 线； 机油冷却器参数其水侧入口截面积为 ０．０００ ７０７ｍ２，滑油 侧 截 面 积 为０．０００ １７７ｍ２，机 油冷却器效率为０．０８（根据厂家 提 供 性 能 数 据 计 算），模型计算需 要 水 侧 流 阻 特 性 曲 线；发 动 机 水 套参数其 水 套 入 口 截 面 积 为０．０００ ３１４ｍ２，传 热 面积 为３．７８ｍ２，标 定 点 表 面 传 热 系 数 为８ ４６７ Ｗ／（ｍ２·Ｋ）（ＨＴＣ 通过对整个 水 套 进 行 ＣＦＤ 计 算得到），模型计 算 需 要 水 套 流 阻 特 性 曲 线；节 温 器参数其时间常数 为 ３ｓ，温 度 滞 后 值 为 ５ ℃，模 型计算需要节温 器 的 温 升 曲 线；散 热 器 参 数 其 水 侧入口截面积为 ０．００２ ８２６ ｍ２，空 气 侧 截 面 积 为 ０．６８４ ６４ｍ２，换热效 率 为 ０．６１，水 侧 和 空 气 侧 流 阻特性曲线；其 风 扇 参 数 外 径 为 ０．６８ ｍ，扫 掠 面 积为０．２９４ ｍ２，额 定 转 速 为 ２ ６００ｒ／ｍｉｎ，模 型 计 算需要风扇流量 压 差 曲 线；中 冷 器 参 数 其 增 压 空 气侧入口截面积 为 ０．００５ ０２４ ｍ２，冷 却 空 气 侧 截 面积为０．４８６ ８５ｍ２，中冷器效率 为 ０．７４，模 型 计 算需要冷却空气侧流阻特性曲线． １．３ 模 型 的 标 定 模型的标定是通过发动机热平衡试验和冷却 液循环管路特性 试 验 进 行 的．在 标 定 工 况 下 模 型 计算值与试验值如 表 １ 所 列．由 表 １ 可 见 模 型 计 算值与试验值比较接近，其 误 差 均 不 超 过 ５％，说 明该模型可用于冷却系统的预测分析．
和缸盖中的水套等组成的封闭循环通路中流动， 冷却水温的控制主要由节温器调节流向散热器的 冷却水流量来实 现．闭 式 强 制 循 环 冷 却 系 统 主 要 由水泵、散 热 器、冷 却 风 扇、节 温 器、机 油 冷 却 器、 发动机机体和气缸盖中的水套以及循环管路等组 成．根 据 汽 车 发 动 机 冷 却 系 统 的 结 构，在 Ｆｌｏｗ－ ｍａｓｔｅｒ建 立 的 冷 却 系 统 计 算 模 型 如 图 １ 所 示， 图中Ｐ 为压力元件；Ｆ 为 流 量 元 件；ω 为 转 速 控 制 元件．
２ 标定工况下计算结果分析
在环境温度３５ ℃、散热效率０．６１时，标定工 况下模拟实际热 平 衡 计 算 结 果 收 敛，主 要 元 件 参 数计算结果见表２．由表２ 可 知，由 于 发 动 机 传 递 给 冷 却 系 统 的 热 流 量 较 大 ，冷 却 水 温 比 较 高 ，所 以 节 温器关闭小循环 ，使所有的 高 温 冷 却 水 流 向 散