某增壓發動機冷卻系統分析與驗證

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）

某增壓發動機冷卻系統分析與驗證

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）

基于某增壓發動機冷卻系統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一維模型，進行典型工況下的分析，得到系統各支路流量分配情況，并進行冷卻系統專項試驗，驗證仿真精度，評估仿真分析在冷卻系統開發中的意義。

一維；冷卻系統；水套；三維；試驗

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

前言

發動機冷卻系統的功用就是對在高溫條件下工作的發動機零部件進行冷卻，保證發動機在最適宜的溫度下工作[1]，冷卻系統的匹配直接影響發動機的動力輸出、使用壽命、可靠性和燃油經濟性[2]，近年來，渦輪增壓器設計已成為增壓技術主要的發展方向[3]，廢氣渦輪增壓中冷技術可以進一步提高發動機的有效功率[2]，但渦輪增壓器應用的同時對冷卻系統要求也更為嚴苛，這也對冷卻系統開發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，然后基于冷卻系統原理圖和各邊界流阻數據進行冷卻系統建模，并進行額定工況下系統分析，得到系統流量分配情況，并進行冷卻系統臺架專項試驗，對比分析結果與試驗數據，驗證冷卻系統仿真分析的精度，確定仿真分析在發動機冷卻系統開發中的意義。

1、發動機水套CFD分析

首先進行發動機水套CFD分析，確定水套流阻特性，水套CFD分析流量如圖1所示。首先進行三維模型的處理，為了保證后面裝配步驟的順利進行，三份模型必須保證在同一坐標系下正確的裝配位置。然后是缸體網格、缸蓋網格和缸墊網格的劃分，完整的發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格，組裝后再進行計算。當組裝得到完整的水套網格模型后進行邊界的定義，邊界定義的本質是設定求解方程以及其中的已知量。在進行發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），壁面區域使用Norris和Reynolds方程低雷諾數模型[5]。

圖1 水套CFD分析流程

對水套進出口分別設置不同的流量邊界，通過水套CFD分析得到水套流阻特性曲線，圖2為該增壓發動機的水套流線圖，圖中對該水套主要進出水口進行標注，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 發動機水套流阻特性曲線

2、冷卻系統一維分析

確定水套流阻之后進行冷卻系統一維模型建模，該增壓發動機的系統原理如圖4所示，根據該原理圖知，前后暖風并聯從缸蓋取水，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 冷卻系統設計原理圖

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

匹配該增壓器機型的冷卻系統各主要部件流阻特性如圖6所示，根據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流通面積大。根據冷卻系統原理圖、系統三維模型、各流阻邊界進行冷卻系統建模，模型如圖7所示，該計算模型包括散熱器循環水路、暖風循環水路、增壓器循環水路和油冷器循環水路。

圖5 該增壓機型冷卻系統模型

圖6 各主要部件流阻特性

圖7 冷卻系統分析模型

計算工況為發動機額定轉速工況，該工況下系統流量分配情況如表1所示。根據計算流量結果知，該增壓發動機冷卻系統流量分配合理，且根據系統壓力分布圖可知壓力分布正常。

表1 冷卻系統各支路的流量分配

3、發動機冷卻系統臺架試驗

為確定系統流量分配和壓力分布情況，進行冷卻系統專項試驗，根據實際冷卻系統管路布置方案進行發動機臺架的搭建，圖8為冷卻系統試驗中發動機臺架搭建情況，圖中標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 冷卻系統專項試驗

表2 仿真結果與試驗數據對比

額定轉速工況下冷卻系統各支路流量分配情況如表2所示，表2將分析結果數據與試驗數據進行對比，根據對比結果知兩者偏差在10%以內，考慮計算誤差和測量誤差的必然存在，根據經驗通常認為仿真結果與試驗數據偏差小于10%即可接受，通過對比可知仿真結果與試驗數據較好符合，這也驗證結合三維分析和一維分析的冷卻系統仿真方法具有較高的精度，可以應用于發動機冷卻系統開發中。

4、結論

結合冷卻系統三維和一維聯合仿真，根據冷卻系統布置原理建立匹配該增壓發動機的冷卻系統分析模型，通過計得到系統額定轉速下的流量分配情況，并進行冷卻系統專項試驗，將仿真結果與試驗數據進行對比，根據偏差對比可知冷卻系統仿真具有較高的精度，可以應用與發動機冷卻系統開發過程中，縮短開發周期，提高產品開發效率。

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

[2]桂樹國，薛飛舞等. 某型汽車發動機冷卻系統開發試驗研究[J].河南工程學院學報（自然科學版），2015.（4）48-53.

[3]張揚軍,張樹勇,徐建中.內燃機流動熱力學與渦輪增壓技術研究. [J].內燃機學報，2008,26（增刊）：90-95.

[4]張應兵,陳懷望,許濤. CFD技術在發動機冷卻水套優化設計中的應用[J].汽車工程師.2012(4)：56-58.

[5]張繼春,李興虎等. 壁面函數對進氣歧管CFD計算結果的影響[J].汽車工程師.2012(4)：56-58. [J].農業機械學報.2008(39)：47-50.

[6]Flowmaster V7 中文技術手冊[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計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.007