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1、发动机冷却系统计算发动机冷却系统是汽车的重要组成部分之一，冷却系统的作用是使发动机在各种转速和各种行驶状态下都能有效的控制温度，其中水套是整个冷却系统的关键部分。本文为发动机冷却系设计计算分析，水套计算分析由AVL 公司的FIRE 软件完成。通过CFD 计算，可以得到水套整个流场(速度、压力、温度以及HTC 等)分布。通过速度场可以识别出滞止区、速度梯度大的区域，通过温度分布可以分析可能产生气泡的位置，通过换热系数的分布可以评估水套的冷却性能，通过压力分布可以显示出压力损失大的区域。本文针对功率点进行了计算。1.散热量的计算在设计或选用冷却系统的部件时，就是以散入冷却系统的热量为原始数据，计算
2、冷却系统的循环水量、冷却空气量，以便设计或选用水泵和散热器。1.1 冷却系统散走的热量冷却系统散走的热量,受许多复杂因素的影响,很难精确计算, 因此在计算时，通常采用经验公式或参照类似发动机的实测数据进行估算。在采用经验公式估算时，估算公式为： （1）式中:传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比; 内燃机燃料消耗率( kg/kWh);内燃机功率(kW); 燃料低热值(kJ/kg)。表1 发动机总功率试验数据发动机转速(r/min)燃油消耗率(g/kwh)校正有效功率(kw)校正有效扭矩(Nm)2000293.520.296.33200286.537.4111.84400280.853.9116.
3、95200320.763.9117.46000340.870.2111.8根据表1CK14发动机总功率实验数据：6000rpm时，=70.2kW, =340.8 g/kWh,汽油机热量理论计算一般A=0.230.30，但随着发动机燃烧技术的提高，热效率也不断提高，根据同类型机型热平衡试验数据反运算，A值一般在0.15左右。汽油低热值=43100 kJ/kg, 选取0.15，故对于CK14发动机标定功率下散热量：1.2 冷却水的循环量根据散入冷却系统的热量，可以算出冷却水的循环量： （2）式中：冷却水在内燃机中循环时的容许温升，对现代强制循环冷却系，可取=48，本机初步计算取值7；水的比重，可近
4、似取=1000水的比热，可近似取=4.187kJ/kg；冷却系统散热量，由（2）式算得=43KW。将上述各值代入计算公式，可得CK14发动机标定功率下冷却水循环量为：0.00147=1.47L/s2. 水泵的选用2.1 水泵的泵水量选取水泵主要根据所需的泵水量和泵水压力来选择，泵水量可根据冷却水循环量，按下式初步确定： （4）式中：冷却水循环量，由（2）式算得CK14发动机为1.47L/s； 水泵的容积效率，主要考虑水泵中冷却水的泄漏，一般=0.80.9，本次计算取值0.8。计算得CK14发动机所需水泵的泵水量为：1.84L/s,所以我们选取水泵的流量在标定转速时应大于110L/min。2.2
5、 水泵的泵水压力选取确定水泵的泵水压力，应保证其足以克服冷却系中所有的流动阻力，并得到必要的冷却水循环流动速度，同时为了冷却可靠，在工作温度下，水在任一点的压力均应大于此时的饱和蒸汽压力，以免发生气蚀现象。一般车用发动机中，冷却系管道流动阻力一般为,水套阻力一般为，水散热器阻力一般为，总阻力为，为安全起见，一般泵水压力取150。总上所述，我们确定水泵的选取要求为：在发动机转速为6000rpm时，水泵转速6720rpm时，水泵流量应大于110L/min,水泵进出口压力差应大于150。3散热器的设计计算3.1 散热器需散走的热量散热器在使用一段时间以后，由于水垢的生成而使少量水管堵塞，散热性能下降
6、10%左右；此外，由于压力盖泄漏以及气流分布不均，也会使其散热能力下降5%10%；另外，根据以往及AVL匹配发动机的经验，空调冷凝器前置对前格栅的进风温度将提升10-20左右。在进行整车热平衡的研究，必须考虑空调对发动机过热的影响。因此，我们选用的散热器的散热能力应比水套散掉的热量高出10%25%。即=（1.051.25）取系数为1.1，则散热器的散热量应为47.3kW。3.2散热器芯子正面面积Ff依据汽车设计手册提供公式Ff=（0.0027-0.0034）NemaxNemax=70.2Kw，发动机散热器正面面积Ff=0.18950.2523m2。3.3散热面积S散热面积S为管带的散热面积与散
7、热片面积之和。依据汽车设计手册提供公式S=S比Nemax轿车S比为0.07m2/Kw发动机散热器散热面积S=0.0770.2=4.914m2 4.发动机水套CFD模拟计算4.1 水套计算模型和网格图1 水套几何模型图2 水套网格模型由于水泵的内部结构非常复杂，完全按照水泵真实模型建模计算比较困难，同时考虑到计算耗时和计算主要所关心的是水套内流动情况，所以本报告计算采用在水套入口加上定转速时的水泵流量进行模拟。4.2 计算工况及边界条件计算工况为标定工况，冷却介质为纯水。计算中假定冷却水在水套内的流动是稳定的三维粘性湍流流动，采用稳态计算模式。进口：质量流量，根据上面水泵参数确定为1.8kg/s
8、，进水温度80；出口：压力边界，取为100000Pa；壁面：由于没能从实验获得发动机空间壁面温度分布，在计算中采用了假定的壁面温度场 ，缸盖壁面平均温度120，缸体壁面平均温度100。 4.3 计算结果分析4.3.1 整体水套压力分布图3 水套整体压力分布进口平均压力121270 Pa,出口平均压力101045 Pa,进出口压差即发动机水套压力损失为20.225 KPa，一般水套压力损失在1315KPa,与同类机型相比较水套压力损失偏大。分析其原因是由于水套数模部分区域(如图4所示)过度不圆滑，下一步需要对样件缸盖与原机缸盖切割对比分析其是否存在差异。图4 排气侧水套存在尖角区域4.3.2 缸
9、盖水套结果分析4.3.2.1 缸盖鼻梁区域流场分析对于缸盖内部流场需要对其切片观察，分析其速度场，压力场，温度场等。图5 缸盖鼻梁区冷却水速度分布图图6 缸盖鼻梁区域温度场分布图7 缸盖鼻梁区域压力场分布图8 缸盖鼻梁区域压力损失最大处从图5图8缸盖鼻梁区域切片结果看出：（1） 鼻梁区域水流速度平均流速1.016m/s,而且从第一缸至第四缸水流速度呈递增趋势，符合同类型发动机的要求，但一缸流速与其他几缸差异较大。（2） 此切片平均温度359K，最高温度366K，最低温度353K。排气侧温度高于进气侧，最高温度出现在第四缸鼻梁区域。（3） 此切片最高压力127118Pa,最低压力65410Pa,
10、最大压力损失部位如图9所示,此处圆角建议加大。图9 压力损失最大部位4.3.2.2 缸盖底部流场分布图10 缸盖底面速度场整个截面平均速度1.56m/s，大于一般发动机缸盖底面冷却水平均速度，满足冷却要求。但进排气两侧冷却水不均匀，排气侧水流速低于进气侧，和理论设计排气侧流速大于进气侧相反，可以进一步优化。4.3.3缸体水套结果分析4.3.3.1缸体水套压力场分布图11 缸体水套进气侧压力分布图12 缸体水套排气侧压力场分布从图11、图12缸体水套压力场分布图看出，缸体水套进排气两侧压力分布比较均匀，只在水泵进口出存在局部压力损失较大区域，建议增大圆角减小压力损失。4.3.3.2 缸体水套速度
11、场分布图13 缸体水套顶面速度场及流线分布缸体水套顶面冷却水平均流速1.5m/s，远大于一般0.5m/s的冷却要求，从流线分布看缸体水套水流很顺畅。4.4 缸垫孔上水量分析此冷却水套缸垫孔共23个，第一缸分布9个上水孔，第二缸、第三缸、第四缸各分布4个，第四缸末端分布2个上水孔直接流向出水口，具体孔位分布如图14缸盖上水孔分布。图14 缸盖上水孔分布图15缸盖上水孔速度矢量图各个水孔上水量如下表所示：各个水孔流量数据水孔号质量流量(kg/s)占总流量百分比第1缸10.1397.8%25.7%20.190910.7%30.0533%40.0301.7%50.0090.5%60.0050.3%70
12、.0120.7%80.0090.5%90.0080.5%第2缸100.0402.3%7.5%110.0844.7%120.0040.2%130.0050.3%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%通过各个水孔上水量对比看出：（1）一般发动机冷却水套一缸都会布置较多上水孔，以保证约40%的冷却水经第一缸缸盖流向第四缸缸盖，但此款发动机一缸上水量只有25.7%，且第一缸还布置了一
13、小的出水孔，约有10%的冷却水直接由缸体进入缸盖第一缸后流出，从冷却角度考虑有点浪费。（2）第四缸末端靠近出水口布置两较大的上水孔，导致约38.3%的冷却水流经缸体后直接流出缸盖出水口，虽然使得缸体得到了很好的冷却，但降低了缸盖的冷却效果。4.5 冷却系统散走热量校核：模拟计算设定冷却水进口温度353.15K，计算得出口温度359.24K，进出口温差6.74K。模拟计算冷却水套吸收热量Q为：冷却水在发动机水套中的温升水的比重，可近似取=1000水的比热，可近似取=4.187kJ/kg；水泵流量 ， 1.8L/s经计算Q=50.5KW 大于发动机燃烧热量散入冷却水套热量43KW，满足冷却要求。5
14、. 冷却系统总体分析与建议（1）对于发动机本体水套经过计算,认为基本满足冷却要求，但有局部区域可以进行设计改进，在文中都已经指出。（2）对于水泵我们要求在标定功率点时，即水泵转速6720rpm时，流量大于110L/min,进出口压差大于150KPa。目前我们选定的水泵性能在6000rpm时，流量不低于100L/min,经计算在水泵6000rpm时，需要满足流量大于97L/min,水泵6000rpm时刚能满足使用要求。但对于发动机额定功率时水泵性能，水泵供应商提供不了其性能参数,不能确定其在额定功率点时是否满足使用要求。我们需要对原机水泵做性能试验摸底，来验证和确定水泵性能；对水泵样件也需要做全性能试验来检测其是否满足使用要求。（3）对于散热器我们提出要求在发动机6000rpm时，散热量不低于47.3KW; 发动机散热器正面面积不小于0.2523m2 ，供设计参考，具体数值还得根据机舱布置等确定。第 10 页