发动机冷却系统仿真计算分析

赵宏霞 张华磊 任小龙 屈光洪

摘 要：文章针对某型号国V柴油机，应用Flowmaster软件建立发动机一维冷却系统模型，输入各元件流阻特性等边界条件，完成发动机冷却系统不同工况下的系统稳态模拟计算，得到系统和各元件的流量、压力分布和温升等情况，并对冷却系统工作能力进行预测、评价，根据计算分析结果提出改善建议，指导冷却系统的结构设计及试验，大大缩短研发时间，降低研发成本。

关键词：冷却系统;流阻特性;稳态;仿真分析

中图分类号：U464.138  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）16-143-03

Abstract： The  Article  Based on a type of V diesel engine， apply Flowmaster to built 1D model of the cooling system， input each elements boundary conditions such as flow resistance characteristics， to complete steady-state simulation of engine cooling system under different working conditions， get the distribution of flow rate， pressure and temperature etc.， to forecast and evaluation the working ability of the cooling system， provide improvement suggestions according to the result of calculation and analysis， and to guide the structure of the cooling system design and experiment， shorten the development time， reduce research costs.

Keywords： Cooling system; Resistance characteristics; Steady-state; Simulation

CLC NO.： U464.138  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）16-143-03

引言

冷却系统作用是在所有工况下，保证发动机在最适宜的温度下工作，冷却系统匹配是否合适将直接影响到发动机的使用寿命和燃油经济性。发动机工作时，气缸内的气体温度可高达1727～2527℃[1]，若不及时冷却，将造成发动机零部件温度过高，会因受热膨胀影响正常的配合间隙，导致运动件受阻甚至卡死。此外，高温还会造成发动机零部件的机械强度下降，使润滑油失去作用等 [2]。

仿真分析效率和准确度高，可指导冷却系统的开发和设计，提高研发效率，缩短开发周期，在概念设计阶段、试验阶段节省成本，提高冷却循环系统的性能和可靠性。

1 冷却系统基本构成

一般发动机冷却系统主要由发动机、冷却水泵、散热器、膨胀水箱、节温器、暖风设备、管道、空气侧元件等构成。冷却系统结构如图1所示。

系统各元件流量估算经验公式：

Q=Cp*m*ΔT[3]                               （1）

2 某國V柴油机匹配某车型冷却系统分析

2.1 冷却系统设计目标及分析任务

某发动机在某IV重型柴油发动机基础上取消EGR系统，增加SCR系统升级到国V排放，发动机的冷却系统也随之改变，根据要求需对冷却系统重新计算评估。

2.2 分析模型及边界条件输入务

2.2.1 模型描述及系统结构图

2.2.2 输入和边界条件

（1）水泵：水泵冷却液体积流量：120L/min @3570rpm 水泵扬程：9m。

图4为水泵转速在3570rpm时，水泵扬程随流量变化曲线：

（2）管/软管的属性：管道的设计基于实际机体和三维数学模型（包括管道的长度、直径）。

（3）节温器：如图5所示，节温器流量系数随控制阀开度的变化曲线，模型中用一个90度弯头代表节温器壳体的压力降;如图6所示，节温器阀开度随温度的变化曲线。

（4）散热器：对发动机散热器定义为恒定的出水温度。冷却器的性能由Flowmaster软件内部定义。在模型计算中，散热器出口水温度设定为90℃。

（5）水套：在1D模型中，为了反映真实的压力降特性参数，发动机冷却水套的阻力用离散损失表示。根据3D-CFD模型结果校验离散阻值。

（6）主要零部件压降：1D模拟计算中用到元件的压降如表1所示：

（7）膨胀水箱：在发动机的额定功率下，膨胀水箱的绝对压力（稳定压力）为1.5bar。膨胀水箱冷却液体积设定为1L;气体体积1.5L。

（8）冷却液种类：Flowmaster软件中有绝大多数液体的特性参数和经验公式，在此，选定的液体的类型：乙二醇和水等体积混合，即WATER/GLYCOL：50/50。

2.3 仿真结果分析

用Flowmaster搭建冷却系统1D模型，调整后的分析模型计算结果，如下表2：

系统各元件转速-流量曲线如下图7所示：

2.3.1 额定点工况

结果显示，额定点水泵流量128.2L/min，散热器流量79.3L/min，机冷器流量15.65L/min，暖风流量10.75L/min，较原国IV重柴流量都有所下降。新加SCR水路和空压机水路与机冷器并联，且取消了与机冷器串联的EGR冷却水路，系统阻力降低，水泵流量增加。但新加并联水路分流，散热器、机冷器、暖风流量下降。空压机流量11.6L/min，明显高于5L/min的流量要求。喷嘴流量1.75L/min，偏低。额定点散热器温差10.5℃，高于散热器进出口温差小于10℃的规范要求。机冷器温差8.5℃，满足机冷器进出口温差小于10℃的规范要求。

2.3.2 暖风试验工况

发动机转速1775rpm时，暖风流量5.9L/min，较原国IV机同工况流量8.5L/min降低了30%，低于整车该转速下10L/ min的限值要求。

2.3.3 怠速和怠速节温器关闭工况

怠速时暖风流量2L/min，怠速节温器关闭时暖风流量3.1L/min，较原国IV机同工况流，降低了25%，低于整车限值要求。

3 结论

此发动机升级到国V排放后，额定点散热器温差10.5℃，高于散热器进出口温差小于10℃的规范要求;暖风试验工况和怠速工况暖风流量低于整车的限值要求。故此时发动机的冷却系统性能并不能满足要求，需要进行进一步优化分析。

参考文献

[1] 关文达.汽车构造[M].机械工业出版社，1999.

[2] 葛仁礼.汽车新结构新技术及其使用与维修[J].西北大学出版社， 1996.

[3] J.P.Liu，J.F.Bing ham.Effects of Intake System Dimensions on Volu -metric Efficiency Speed Characteristics of Multi-Cylinder Engines [J].内燃机学报，1997，15（3）：257～266.