摘 要：為了給摩托車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配研究提供方法參考，以某摩托車雙缸發(fā)動機冷卻系統(tǒng)為研究對象，從部件流阻性能、冷卻系統(tǒng)流量確定及各部件選型優(yōu)化方面對該發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進(jìn)行匹配研究，搭建完善的冷卻系統(tǒng)仿真分析及實驗測試體系，為同類型摩托車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配研究提供方法參考。結(jié)果表明，采用一維仿真分析獲得的冷卻系統(tǒng)工作流量仿真值與實測值誤差較小，驗證了冷卻系統(tǒng)流量匹配結(jié)果的可靠性。冷卻水套內(nèi)部流速分布較好，不存在流動死區(qū)，可對各缸進(jìn)行較均勻的冷卻。發(fā)動機臺架熱平衡測試結(jié)果顯示，左缸和右缸火花塞墊片溫度在發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速9 000 r/min時分別為185 ℃和187 ℃，溫度可控且不存在明顯差異。建立的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)正向設(shè)計開發(fā)流程可適用于同類型發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計，保證發(fā)動機的高效冷卻。

關(guān)鍵詞：摩托車發(fā)動機；冷卻系統(tǒng)；流阻特性；開發(fā)流程

中圖分類號：U483

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2023-12-19

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（51876109）

作者簡介：譚禮斌，男，工程師，博士，從事發(fā)動機熱管理方面的研究工作；E-mail：1364979930@qq.com

通信作者：袁越錦，教授，博士研究生導(dǎo)師，從事熱能利用與干燥理論研究工作；E-mail： yyjyuan1@163.com

Motorcycle engine cooling system matching research and experimental verification

TAN Libin1， WANG Zhangyu2， YUAN Yuejin1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Shaanxi University of Science amp; Technology， Xi’an 710021， China; 2. Chongqing Wuxi County White Horse Middle School， Chongqing 405800， China）

Abstract： In order to provide a method reference for the matching research of motorcycle engine cooling system， a two cylinder engine cooling system of a certain motorcycle was taken as the research object. The matching research of the engine cooling system was carried out from the aspects of the component flow resistance performance， determining the cooling system flow rate， and optimizing the selection of various components. A comprehensive cooling system simulation analysis and experimental testing system was established， providing a method reference for the matching research of the same type of motorcycle engine cooling system. The results show that the error between the simulated and experimental values of the working flow rate of the cooling system obtained by using the one-dimensional simulation analysis is small， which verifies the reliability of the matching results of the cooling system flow rate. The internal flow velocity distribution of the cooling water jacket is good， and there is no flow dead zone， which can provide more uniform cooling for each cylinder. The results of the engine bench thermal balance test show that the temperature of the spark plug gasket in the left and right cylinders is 185 ℃ and 187 ℃， respectively， at the highest engine speed of 9 000 r/min， which is controllable and there is no significant difference. The established forward design and development process for the engine cooling system can be applied to the design of the same type of engine cooling system， ensuring efficient engine cooling.

Key words： motorcycle engine; cooling system; flow resistance characteristics; development process

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計作為發(fā)動機開發(fā)中的重要環(huán)節(jié)，其合理性及有效性是保證發(fā)動機散熱性能好的關(guān)鍵。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)主要包括冷卻水泵、缸頭冷卻水套、缸體冷卻水套、缸墊上水孔、節(jié)溫器、散熱器、油水交換器及連接管路。發(fā)動機作為摩托車的心臟，在其工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，若熱量不能及時地散熱出去，會嚴(yán)重影響其工作性能［1］。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的匹配設(shè)計最常見的方法是采取經(jīng)驗或工程估算的方法，很難獲得準(zhǔn)確的分析數(shù)據(jù)［2］。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用計算流體力學(xué)分析方法（computational fluid dynamics，CFD）對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析及匹配研究，可有效縮短冷卻系統(tǒng)設(shè)計周期，降低設(shè)計難度［3-4］。如陽焱屏等［5］對電子水泵與發(fā)動機間的匹配性能進(jìn)行了研究，評估了溫控模塊是否達(dá)到設(shè)計要求。黃旭等［6］通過整車熱平衡試驗對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)提出了優(yōu)化建議，為提高發(fā)動機冷卻性能和增強整車散熱性提供了參考。江武等［7］建立了一種基于發(fā)動機冷卻需求的熱管理控制模型，實現(xiàn)了發(fā)動機溫度動態(tài)可控，減小了發(fā)動機水溫振蕩。張博等［8］開展了變冷卻液流量熱平衡試驗，分析了冷卻液流量對柴油機綜合性能的影響規(guī)律。由此可見，CFD分析技術(shù)已成為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化中的重要手段［9-10］。

目前，針對摩托車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的研究主要集中在單個部件性能分析及優(yōu)化為主，系統(tǒng)地對摩托車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行匹配研究的工作相對較少［11］。因此，本文以某摩托車雙缸發(fā)動機冷卻系統(tǒng)為研究對象，從冷卻系統(tǒng)流量確定、部件流阻性能及各部件選型優(yōu)化方面對該發(fā)動機冷卻系統(tǒng)進(jìn)行匹配研究，搭建完善的冷卻系統(tǒng)仿真分析及實驗測試體系，為同類型摩托車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配研究提供方法參考。

1 冷卻系統(tǒng)阻力特性測試設(shè)備及實驗測試

為研究不同溫度、不同流量下冷卻系統(tǒng)各阻力部件的流阻特性，自主設(shè)計了一種具備控溫、控壓和控流量功能的冷卻潤滑介質(zhì)供給設(shè)備。通過該設(shè)備給發(fā)動機冷卻潤滑工作循環(huán)回路輸送冷卻液或機油，實現(xiàn)發(fā)動機冷卻潤滑系統(tǒng)實驗中介質(zhì)溫度、流量及壓力的精準(zhǔn)控制，從而有利于研究不同溫度或不同流量、不同壓力下的發(fā)動機冷卻潤滑系統(tǒng)各參數(shù)及發(fā)動機性能參數(shù)表現(xiàn)。圖1為精準(zhǔn)控溫控壓的冷卻潤滑介質(zhì)供給設(shè)備工作原理圖。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)循環(huán)回路主要包括冷卻液循環(huán)泵、流量三通控制閥和熱交換器。冷卻液升溫時，冷卻液直接流過冷卻液加熱循環(huán)箱，通過控制加熱功率使得待測發(fā)動機的冷卻液溫度達(dá)到設(shè)定工況值，同時，冷卻液循環(huán)泵恒速運行。為實現(xiàn)不同流量參數(shù)，可通過調(diào)節(jié)冷卻循環(huán)泵功率，使冷卻循環(huán)達(dá)到設(shè)定流量值。冷卻系統(tǒng)降溫時，流量三通控制閥控制部分冷卻液流過熱交換器，冷卻器內(nèi)部持續(xù)不斷地通過制冷機從試驗間抽取冷水進(jìn)行制冷循環(huán)，使冷卻液溫度降低至所需的溫度。

圖2為冷卻潤滑介質(zhì)供給設(shè)備實物圖。圖3為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中各部件流動阻力測試原理圖。該循環(huán)測試系統(tǒng)的綜合控制系統(tǒng)可控制測試循環(huán)中的壓力、溫度及流量，由此可測得不同溫度和不同流量下的流動阻力值。對于發(fā)動機冷卻系統(tǒng)部件（散熱器、水套和油水熱交換器等）的流動阻力測試，壓力測點位于被測部件的進(jìn)出口附近。通過部件流阻特性實驗測試獲得各部件的流阻特性，為后續(xù)發(fā)動機一維仿真提供邊界參數(shù)。

2 冷卻系統(tǒng)流量確定

冷卻系統(tǒng)工作流量由冷卻系統(tǒng)中各阻力部件的阻力與水泵性能間匹配獲得。圖4為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)流量一維仿真分析模型。該模型通過GT-SUITE軟件中Cooling System模塊搭建。冷卻系統(tǒng)中發(fā)動機水套流阻、節(jié)溫器流阻和散熱器流阻通過冷卻系統(tǒng)阻力特性測試設(shè)備開展零部件流阻特性實驗測取。水泵性能則通過水泵性能測試實驗臺獲?。?2］。設(shè)置不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速，對一維仿真模型進(jìn)行計算求解即可獲得該發(fā)動機不同轉(zhuǎn)速下的工作流量。圖5為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)流量計算結(jié)果。該發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速為9 000 r/min時的冷卻液流量約為76.83 L/min（質(zhì)量流量為1.3 kg/s）。該質(zhì)量流量可作為后續(xù)冷卻水套流動分析的入口邊界條件。

針對全新開發(fā)的發(fā)動機，可通過競品發(fā)動機部件流阻特性測試、系統(tǒng)流阻特性及水泵性能測試搭建一維仿真分析模型確定競品發(fā)動機工作流量，再結(jié)合新開發(fā)發(fā)動機的功率扭矩值與競品發(fā)動機間的功率扭矩值類比，可確定出新開發(fā)發(fā)動機的系統(tǒng)流量控制范圍。在一維仿真分析模型中，可通過降低各部件的流阻來提升冷卻系統(tǒng)流量、提高水泵轉(zhuǎn)速（改傳動比）或提升泵自身性能來達(dá)到提升冷卻系統(tǒng)工作流量的目的。

3 冷卻水套內(nèi)冷卻液流速分析

圖6為發(fā)動機冷卻水套計算域模型。入口邊界為質(zhì)量流量入口，質(zhì)量流量為1.3 kg/s；出口邊界為壓力出口，壓力為0。冷卻水套流場采用流體分析軟件STAR-CCM+進(jìn)行數(shù)值模擬分析［13］。圖7為發(fā)動機冷卻水套內(nèi)冷卻液流線圖。從圖7可以看出，冷卻水套內(nèi)冷卻液流動不存在流動死區(qū)。圖8為發(fā)動機排氣鼻梁區(qū)域截面速度云圖。從圖8可以看出，排氣鼻梁區(qū)域截面最大速度約為3.6 m/s，滿足鼻梁區(qū)域附近區(qū)域冷卻液流速大于1.5 m/s的冷卻設(shè)計需求［14］，冷卻水套內(nèi)冷卻液流速分布合理。圖9為發(fā)動機缸頭上鼻梁區(qū)域截面速度云圖。發(fā)動機左缸缸頭上鼻梁區(qū)域流速優(yōu)于右缸缸頭上鼻梁區(qū)域流速，右缸缸頭上鼻梁區(qū)域流速較低區(qū)域的平均流速約為0.4 m/s。左缸和右缸鼻梁區(qū)域流速的差異反映到發(fā)動機缸頭火花塞墊片溫度層面即為左缸溫度會略低于右缸溫度。圖10為發(fā)動機缸體水套截面速度云圖。整個缸體水套流動不存在流動死區(qū)，流速最低為0.1 m/s，位于發(fā)動機進(jìn)氣側(cè)；流速最高為2.7 m/s，主要位于發(fā)動機排氣側(cè)，有利于高溫區(qū)域的冷卻。

4 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)實驗驗證

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)驗證主要包括冷卻系統(tǒng)流量驗證、水泵工作性能驗證和缸頭火花塞墊片溫度驗證等。冷卻系統(tǒng)驗證實驗在發(fā)動機臺架熱平衡測試中開展，主要測試?yán)鋮s系統(tǒng)流量及溫度。圖11為發(fā)動機臺架實驗原理圖，在節(jié)溫器與油水交換器間串接一個流量計，可測得流經(jīng)油水交換器的流量；在散熱器出水串接一個流量計，可測得流經(jīng)散熱器的流量。油水交換器流量和散熱器流量之和即為冷卻系統(tǒng)的總流量。若冷卻系統(tǒng)中無油水交換器或油水交換器回路串聯(lián)于水套內(nèi)部流動，則測得流經(jīng)散熱器的流量即為冷卻系統(tǒng)的總流量。

圖11 發(fā)動機臺架實驗原理圖

Fig.11 Experimental principle of the engine stand

表1為冷卻系統(tǒng)流量實測值與仿真值對比。冷卻系統(tǒng)流量實測值與仿真值間的最大誤差約為7.44%，表明前期冷卻系統(tǒng)仿真預(yù)測的系統(tǒng)流量具有較高的精度。圖12為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中水泵性能與系統(tǒng)阻力曲線間的匹配結(jié)果。從圖12可以看出，發(fā)動機冷卻系統(tǒng)流量最大時水泵的工作點位于水泵性能的高效區(qū)，表明該冷卻系統(tǒng)匹配較好，冷卻水泵一直在最佳工作區(qū)間工作。圖13為缸頭火花塞墊片溫度及機油溫度測試結(jié)果。從圖13可以看出，左缸火花塞墊片溫度和右缸火花塞墊片溫度基本一致，兩者間的溫度最大差異約為3 ℃，說明兩缸冷卻較均勻。左缸和右缸火花塞墊片溫度在發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速9 000 r/min時分別為185 ℃和187 ℃，在溫度可控范圍（lt;250 ℃）；機油溫度為128 ℃，在溫度可控范圍（lt;140 ℃）。左缸火花塞墊片溫度低于右缸火花塞墊片溫度的趨勢與冷卻水套內(nèi)左缸和右缸流速差異的趨勢一致。由此可見，該發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配研究后發(fā)動機缸頭火花塞墊片溫度及油溫可控，表明該發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻性能較好，可滿足該雙缸發(fā)動機極限工況下的冷卻。

5 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)性能開發(fā)及驗證流程

結(jié)合該發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配研究過程，可總結(jié)出從競品解析、布局設(shè)計、詳細(xì)優(yōu)化、方案輸出、工程化方案、樣機驗證、產(chǎn)品量產(chǎn)及一致性審查等全面的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)開發(fā)流程。圖14為摩托車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)流程。依據(jù)該流程分步完成競品解析、冷卻系統(tǒng)布局設(shè)計、水套詳細(xì)優(yōu)化、阻力匹配及部件選型、水泵設(shè)計及工作流量匹配、系統(tǒng)級方案輸出及樣機驗證等工作，實現(xiàn)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)正向設(shè)計與開發(fā)，為摩托車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導(dǎo)和仿真數(shù)據(jù)支撐。

6 結(jié)論

以雙缸發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計為研究對象，對冷卻系統(tǒng)匹配及實驗驗證進(jìn)行了全面的研究，結(jié)論如下：

1）從流阻部件測試臺搭建及阻力部件流阻特性測試、冷卻系統(tǒng)流量確定、冷卻水套內(nèi)冷卻液流動分析、冷卻系統(tǒng)實驗驗證等對該發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配進(jìn)行了研究，精準(zhǔn)匹配后發(fā)動機冷卻系統(tǒng)流量最大時水泵的工作點位于水泵性能的高效區(qū)。發(fā)動機轉(zhuǎn)速為9 000 r/min時冷卻系統(tǒng)工作流量仿真值為76.83 L/min，實測值為75.86 L/min，誤差為1.26%。數(shù)值預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好。

2）該發(fā)動機冷卻水套內(nèi)冷卻液流動較好，不存在流動死區(qū)。排氣鼻梁區(qū)域截面最大速度約為3.6 m/s，缸體水套流速最低為0.1 m/s，流速最高為2.7 m/s。經(jīng)驗證，左缸和右缸火花塞墊片溫度在發(fā)動機最高轉(zhuǎn)速9 000 r/min時為185 ℃和187 ℃，機油溫度為128 ℃。

3）結(jié)合冷卻系統(tǒng)匹配研究過程建立了摩托車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)匹配研究及實驗驗證流程，用于指導(dǎo)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)正向設(shè)計與開發(fā)。研究結(jié)果為同類型發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計提供規(guī)范的流程方法指導(dǎo)。

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