李秋實，王次安，王宏大，劉吉林

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某增壓發(fā)動機冷卻系統(tǒng)分析與驗證

李秋實，王次安，王宏大，劉吉林

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于某增壓發(fā)動機冷卻系統(tǒng)布置原理及水套三維流阻邊界，建立匹配該車型的冷卻系統(tǒng)一維模型，進(jìn)行典型工況下的分析，得到系統(tǒng)各支路流量分配情況，并進(jìn)行冷卻系統(tǒng)專項試驗，驗證仿真精度，評估仿真分析在冷卻系統(tǒng)開發(fā)中的意義。

一維；冷卻系統(tǒng)；水套；三維；試驗

CLC NO.:U461.9Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-19-03

前言

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的功用就是對在高溫條件下工作的發(fā)動機零部件進(jìn)行冷卻，保證發(fā)動機在最適宜的溫度下工作[1]，冷卻系統(tǒng)的匹配直接影響發(fā)動機的動力輸出、使用壽命、可靠性和燃油經(jīng)濟性[2]，近年來，渦輪增壓器設(shè)計已成為增壓技術(shù)主要的發(fā)展方向[3]，廢氣渦輪增壓中冷技術(shù)可以進(jìn)一步提高發(fā)動機的有效功率[2]，但渦輪增壓器應(yīng)用的同時對冷卻系統(tǒng)要求也更為嚴(yán)苛，這也對冷卻系統(tǒng)開發(fā)精確性提出更高的要求。

本文首先利用水套分析方法確定水套流阻特性，然后基于冷卻系統(tǒng)原理圖和各邊界流阻數(shù)據(jù)進(jìn)行冷卻系統(tǒng)建模，并進(jìn)行額定工況下系統(tǒng)分析，得到系統(tǒng)流量分配情況，并進(jìn)行冷卻系統(tǒng)臺架專項試驗，對比分析結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)，驗證冷卻系統(tǒng)仿真分析的精度，確定仿真分析在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)開發(fā)中的意義。

1、發(fā)動機水套CFD分析

首先進(jìn)行發(fā)動機水套CFD分析，確定水套流阻特性，水套CFD分析流量如圖1所示。首先進(jìn)行三維模型的處理，為了保證后面裝配步驟的順利進(jìn)行，三份模型必須保證在同一坐標(biāo)系下正確的裝配位置。然后是缸體網(wǎng)格、缸蓋網(wǎng)格和缸墊網(wǎng)格的劃分，完整的發(fā)動機水套包括缸體水套，缸蓋水套，缸墊水孔三個部分，通常將三部分分別劃分網(wǎng)格，組裝后再進(jìn)行計算。當(dāng)組裝得到完整的水套網(wǎng)格模型后進(jìn)行邊界的定義，邊界定義的本質(zhì)是設(shè)定求解方程以及其中的已知量。在進(jìn)行發(fā)動機的水套計算時采用 SIMPLE 算法[4]，二階空間差分格式，一階完全隱式的時間差分格式，紊流模型選用k-ε方程（高雷諾數(shù)），壁面區(qū)域使用Norris和Reynolds方程低雷諾數(shù)模型[5]。

圖1 水套CFD分析流程

對水套進(jìn)出口分別設(shè)置不同的流量邊界，通過水套CFD分析得到水套流阻特性曲線，圖2為該增壓發(fā)動機的水套流線圖，圖中對該水套主要進(jìn)出水口進(jìn)行標(biāo)注，從圖中可以看出主入水口和主出水口流速較大。圖3為各水套支路流阻特性曲線，從圖中可以看出膨脹水壺支路流阻較大，散熱器支路流阻較小。

圖2 水套流線云圖

圖3 發(fā)動機水套流阻特性曲線

2、冷卻系統(tǒng)一維分析

確定水套流阻之后進(jìn)行冷卻系統(tǒng)一維模型建模，該增壓發(fā)動機的系統(tǒng)原理如圖4所示，根據(jù)該原理圖知，前后暖風(fēng)并聯(lián)從缸蓋取水，回水至水泵前端，油冷器從缸體取水并回水至缸體，增壓器從水泵后端取水，回水至散熱器出水口。

圖4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計原理圖

圖5為該機型冷卻系統(tǒng)模型圖，從圖中可以看出后暖風(fēng)管路較長，計算中管路模型采用Colebrook-White模型，該模型在不同雷諾數(shù)時的損失系數(shù)如公式1、2、3所示[6]。

匹配該增壓器機型的冷卻系統(tǒng)各主要部件流阻特性如圖6所示，根據(jù)流阻曲線知散熱器部件流阻較小，主要是因為散熱器部件水側(cè)流通面積大。根據(jù)冷卻系統(tǒng)原理圖、系統(tǒng)三維模型、各流阻邊界進(jìn)行冷卻系統(tǒng)建模，模型如圖7所示，該計算模型包括散熱器循環(huán)水路、暖風(fēng)循環(huán)水路、增壓器循環(huán)水路和油冷器循環(huán)水路。

圖5 該增壓機型冷卻系統(tǒng)模型

圖6 各主要部件流阻特性

圖7 冷卻系統(tǒng)分析模型

計算工況為發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速工況，該工況下系統(tǒng)流量分配情況如表1所示。根據(jù)計算流量結(jié)果知，該增壓發(fā)動機冷卻系統(tǒng)流量分配合理，且根據(jù)系統(tǒng)壓力分布圖可知壓力分布正常。

表1 冷卻系統(tǒng)各支路的流量分配

3、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)臺架試驗

為確定系統(tǒng)流量分配和壓力分布情況，進(jìn)行冷卻系統(tǒng)專項試驗，根據(jù)實際冷卻系統(tǒng)管路布置方案進(jìn)行發(fā)動機臺架的搭建，圖8為冷卻系統(tǒng)試驗中發(fā)動機臺架搭建情況，圖中標(biāo)注散熱器傳感器安裝位置，散熱器傳感器包括流量傳感器和壓力傳感器。其中流量傳感器測量散熱器支路流量分配情況，壓力傳感器測量該支路壓力分布情況。

圖8 冷卻系統(tǒng)專項試驗

表2 仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比

額定轉(zhuǎn)速工況下冷卻系統(tǒng)各支路流量分配情況如表2所示，表2將分析結(jié)果數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，根據(jù)對比結(jié)果知兩者偏差在10%以內(nèi)，考慮計算誤差和測量誤差的必然存在，根據(jù)經(jīng)驗通常認(rèn)為仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)偏差小于10%即可接受，通過對比可知仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)較好符合，這也驗證結(jié)合三維分析和一維分析的冷卻系統(tǒng)仿真方法具有較高的精度，可以應(yīng)用于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)開發(fā)中。

4、結(jié)論

結(jié)合冷卻系統(tǒng)三維和一維聯(lián)合仿真，根據(jù)冷卻系統(tǒng)布置原理建立匹配該增壓發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)分析模型，通過計得到系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速下的流量分配情況，并進(jìn)行冷卻系統(tǒng)專項試驗，將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，根據(jù)偏差對比可知冷卻系統(tǒng)仿真具有較高的精度，可以應(yīng)用與發(fā)動機冷卻系統(tǒng)開發(fā)過程中，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品開發(fā)效率。

[1]劉軍.發(fā)動機冷卻的重要性[J].中國科技博覽,2016.（3）312.

[2]桂樹國，薛飛舞等. 某型汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)開發(fā)試驗研究[J].河南工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015.（4）48-53.

[3]張揚軍,張樹勇,徐建中.內(nèi)燃機流動熱力學(xué)與渦輪增壓技術(shù)研究. [J].內(nèi)燃機學(xué)報，2008,26（增刊）：90-95.

[4]張應(yīng)兵,陳懷望,許濤. CFD技術(shù)在發(fā)動機冷卻水套優(yōu)化設(shè)計中的應(yīng)用[J].汽車工程師.2012(4)：56-58.

[5]張繼春,李興虎等. 壁面函數(shù)對進(jìn)氣歧管CFD計算結(jié)果的影響[J].汽車工程師.2012(4)：56-58. [J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報.2008(39)：47-50.

[6]Flowmaster V7 中文技術(shù)手冊[R]. 27-28.

Analysis and Test of Cooling System for Turbocharged Engine

Li Qiushi, Wang Cian, Wang Hongda, Liu Jilin
( Anhui Jianghuai Automobile Group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

On the basis of engine cooling system layout and press loss of water jacket, 1D analysis model of cooling system is built. The flow distribution of each branches can be got by the simulation at rated power point. In order to verify the accuracy of simulation, the test of cooling system can be carried out ,and compared the data with simulation results.

1D; Cooling system; Water jacket; 3D; Test

U461.9

A

1671-7988(2017)02-19-03

李秋實，（1987.8-)男，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，主要研究底盤總布置設(shè)計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.007