某增压发动机冷却系统分析与验证

李秋实，王次安，王宏大，刘吉林

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某增压发动机冷却系统分析与验证

李秋实，王次安，王宏大，刘吉林

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于某增压发动机冷却系统布置原理及水套三维流阻边界，建立匹配该车型的冷却系统一维模型，进行典型工况下的分析，得到系统各支路流量分配情况，并进行冷却系统专项试验，验证仿真精度，评估仿真分析在冷却系统开发中的意义。

一维；冷却系统；水套；三维；试验

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

前言

发动机冷却系统的功用就是对在高温条件下工作的发动机零部件进行冷却，保证发动机在最适宜的温度下工作[1]，冷却系统的匹配直接影响发动机的动力输出、使用寿命、可靠性和燃油经济性[2]，近年来，涡轮增压器设计已成为增压技术主要的发展方向[3]，废气涡轮增压中冷技术可以进一步提高发动机的有效功率[2]，但涡轮增压器应用的同时对冷却系统要求也更为严苛，这也对冷却系统开发精确性提出更高的要求。

本文首先利用水套分析方法确定水套流阻特性，然后基于冷却系统原理图和各边界流阻数据进行冷却系统建模，并进行额定工况下系统分析，得到系统流量分配情况，并进行冷却系统台架专项试验，对比分析结果与试验数据，验证冷却系统仿真分析的精度，确定仿真分析在发动机冷却系统开发中的意义。

1、发动机水套CFD分析

首先进行发动机水套CFD分析，确定水套流阻特性，水套CFD分析流量如图1所示。首先进行三维模型的处理，为了保证后面装配步骤的顺利进行，三份模型必须保证在同一坐标系下正确的装配位置。然后是缸体网格、缸盖网格和缸垫网格的划分，完整的发动机水套包括缸体水套，缸盖水套，缸垫水孔三个部分，通常将三部分分别划分网格，组装后再进行计算。当组装得到完整的水套网格模型后进行边界的定义，边界定义的本质是设定求解方程以及其中的已知量。在进行发动机的水套计算时采用 SIMPLE 算法[4]，二阶空间差分格式，一阶完全隐式的时间差分格式，紊流模型选用k-ε方程（高雷诺数），壁面区域使用Norris和Reynolds方程低雷诺数模型[5]。

图1 水套CFD分析流程

对水套进出口分别设置不同的流量边界，通过水套CFD分析得到水套流阻特性曲线，图2为该增压发动机的水套流线图，图中对该水套主要进出水口进行标注，从图中可以看出主入水口和主出水口流速较大。图3为各水套支路流阻特性曲线，从图中可以看出膨胀水壶支路流阻较大，散热器支路流阻较小。

图2 水套流线云图

图3 发动机水套流阻特性曲线

2、冷却系统一维分析

确定水套流阻之后进行冷却系统一维模型建模，该增压发动机的系统原理如图4所示，根据该原理图知，前后暖风并联从缸盖取水，回水至水泵前端，油冷器从缸体取水并回水至缸体，增压器从水泵后端取水，回水至散热器出水口。

图4 冷却系统设计原理图

图5为该机型冷却系统模型图，从图中可以看出后暖风管路较长，计算中管路模型采用Colebrook-White模型，该模型在不同雷诺数时的损失系数如公式1、2、3所示[6]。

匹配该增压器机型的冷却系统各主要部件流阻特性如图6所示，根据流阻曲线知散热器部件流阻较小，主要是因为散热器部件水侧流通面积大。根据冷却系统原理图、系统三维模型、各流阻边界进行冷却系统建模，模型如图7所示，该计算模型包括散热器循环水路、暖风循环水路、增压器循环水路和油冷器循环水路。

图5 该增压机型冷却系统模型

图6 各主要部件流阻特性

图7 冷却系统分析模型

计算工况为发动机额定转速工况，该工况下系统流量分配情况如表1所示。根据计算流量结果知，该增压发动机冷却系统流量分配合理，且根据系统压力分布图可知压力分布正常。

表1 冷却系统各支路的流量分配

3、发动机冷却系统台架试验

为确定系统流量分配和压力分布情况，进行冷却系统专项试验，根据实际冷却系统管路布置方案进行发动机台架的搭建，图8为冷却系统试验中发动机台架搭建情况，图中标注散热器传感器安装位置，散热器传感器包括流量传感器和压力传感器。其中流量传感器测量散热器支路流量分配情况，压力传感器测量该支路压力分布情况。

图8 冷却系统专项试验

表2 仿真结果与试验数据对比

额定转速工况下冷却系统各支路流量分配情况如表2所示，表2将分析结果数据与试验数据进行对比，根据对比结果知两者偏差在10%以内，考虑计算误差和测量误差的必然存在，根据经验通常认为仿真结果与试验数据偏差小于10%即可接受，通过对比可知仿真结果与试验数据较好符合，这也验证结合三维分析和一维分析的冷却系统仿真方法具有较高的精度，可以应用于发动机冷却系统开发中。

4、结论

结合冷却系统三维和一维联合仿真，根据冷却系统布置原理建立匹配该增压发动机的冷却系统分析模型，通过计得到系统额定转速下的流量分配情况，并进行冷却系统专项试验，将仿真结果与试验数据进行对比，根据偏差对比可知冷却系统仿真具有较高的精度，可以应用与发动机冷却系统开发过程中，缩短开发周期，提高产品开发效率。

[1]刘军.发动机冷却的重要性[J].中国科技博览,2016.（3）312.

[2]桂树国，薛飞舞等. 某型汽车发动机冷却系统开发试验研究[J].河南工程学院学报（自然科学版），2015.（4）48-53.

[3]张扬军,张树勇,徐建中.内燃机流动热力学与涡轮增压技术研究. [J].内燃机学报，2008,26（增刊）：90-95.

[4]张应兵,陈怀望,许涛. CFD技术在发动机冷却水套优化设计中的应用[J].汽车工程师.2012(4)：56-58.

[5]张继春,李兴虎等. 壁面函数对进气歧管CFD计算结果的影响[J].汽车工程师.2012(4)：56-58. [J].农业机械学报.2008(39)：47-50.

[6]Flowmaster V7 中文技术手册[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

李秋实，（1987.8-)男，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司，主要研究底盘总布置设计。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.007