一款增压直喷发动机的冷却系统设计

黄昌瑞，程勉宏

（1.华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141；2. 沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136）

一款增压直喷发动机的冷却系统设计

黄昌瑞1，程勉宏2

（1.华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141；2. 沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136）

文章介绍了一款增压直喷发动机冷却系统的设计开发过程。 初步确定零部件参数后，进行了冷却系统1D模拟及整机水套3D-CFD模拟计算。通过冷却系统功能试验与发动机整机温度场试验对冷却系统的冷却性能进行了验证。根据模拟计算结果和试验数据对系统进行了优化。最终的设计结果满足使用要求，能够保证发动机温度在各工况下均处于适当范围内。

增压直喷；冷却系统；模拟计算；CFD；试验研究

CLC NO.:U461.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)08-15-06

前言

增压直喷发动机在开发的过程中，其冷却系统的设计非常重要。由于TGDI发动机将废气涡轮增压与缸内直喷技术相结合，有效提升发动机升功率，使发动机具有较好的动力性、经济性。因此发动机强化程度较高，工作热负荷较大，所以合理地设计发动机冷却系统，使发动机温度在所有工况和环境条件下都处于适当范围内，有利于提升发动机热效率、改善耐久性和可靠性。

本文中的增压直喷发动机冷却系统采用模拟计算与试验相结合的方法[1-3]，以求缩短研制周期、降低开发成本、提高综合效益。

1、发动机冷却系统概述

1.1 发动机冷却系统组成

该增压直喷发动机冷却系统组成如图1。

图1 发动机冷却系统组成

1.2 冷却液循环方式

本文中的冷却系统采用分体冷却方式。冷却液在缸体水套与缸盖水套中循环是相对独立的，冷却液从水泵流出后便分为两路，分别进入缸体和缸盖，完成冷却后两路冷却液汇聚在缸盖一端的总出水口流出发动机。在该系统中，通过控制节温器1和节温器2的开闭可实现如下三种冷却液循环方式：

图2 冷却系统框图

1.2 冷却液循环方式

本文中的冷却系统采用分体冷却方式。冷却液在缸体水套与缸盖水套中循环是相对独立的，冷却液从水泵流出后便分为两路，分别进入缸体和缸盖，完成冷却后两路冷却液汇聚在缸盖一端的总出水口流出发动机。在该系统中，通过控制节温器1和节温器2的开闭可实现如下三种冷却液循环方式：

图3 冷却液循环路径图

（1）循环路径1：节温器1关闭，节温器2关闭

如图3a)，发动机冷启动时，冷却液温度较低，此时节温器1、节温器2均关闭。进入缸体水套的冷却液则停留在缸体中不再参与循环，从而使缸体温度升高。这也是发动机冷却系统的小循环。

（2）循环路径2：节温器1开启，节温器2关闭

如图3b)，随着发动机温度升高，冷却液温度随之上升，节温器1开启，节温器2仍然关闭，进入缸体水套的冷却液则停留在缸体中不参与循环。所以此时缸体内冷却液的温度会持续升高。同时润滑油的温度也随之较快升温。

（3）循环路径3：节温器1开启，节温器2开启

如图3c)，发动机温度较高时，节温器1，节温器2均开启，实现发动机最大程度冷却。这也是发动机冷却系统的大循环。

1.3 缸盖水套冷却液的流动形式

缸盖水套冷却液的流动形式通常可分为纵向流动和横向流动。

本文涉及的缸盖水套采用纵向流动方式，整个水套结构如图4所示。

图4 该增压直喷发动机水套结构

2、冷却系统模拟计算

初步确定零部件功能参数后，进行了冷却系统模拟计算。

2.1 冷却系统的1D模拟计算

模拟计算部分初始输入数据如下：

图5 水泵性能特性曲线

图6 节温器1（开启温度82℃）性能特性曲线

图7 机油冷却器性能特性曲线

计算分三种情况进行：

a）节温器1、节温器2都关闭；

b）节温器1开启、节温器2关闭；

c）节温器1、节温器2都开启；

计算模型如下图8。

图8 冷却系统流量分配1D稳态模拟计算模型

计算结果如下所示：

图9 水泵性能特性

图10 各部件流量特性

图11 冷却系统各管路总压分布

从模拟计算结果可知，各部件流量分配满足零部件对流量的需求。

2.2 冷却性能的1D模拟计算

为了验证冷却系统各工况的冷却性能，检查是否有足够的冷却液通过散热器换热，来保证发动机出水温度在120°C以下。计算模型如图12所示。

图12 冷却性能1D模拟计算模型

图13 冷却性能特性

计算结果如图13，由数据分析可知，在通过散热器的空气流量不小于765L/s且发动机最大散热量为60kw的情况下，发动机出口冷却液温度不超过120°C，冷却系统的冷却能力满足要求。

2.3 发动机水套3D-CFD模拟

运用 STAR-CCM+建立计算模型，如图14，进行发动机水套的CFD流场分析。

图14 水套网格

基于冷却系统1D模拟所获得的发动机转速为5500rpm时的流量分布数据，作为水套进出口边界条件。冷却液成分为水50%，乙二醇50%。计算采用二阶迎风格式、标准k-ε湍流模型、标准壁面函数。

模拟计算结果如下：

图15 1 缸体、缸盖水套流量分配

图16 缸盖水套进气侧、排气侧流量分配

图17 缸盖水套流速分布（从缸盖下表面向上看）

由三维流体模拟计算结果可知，缸体、缸盖水套流量分配比例约为67%:33%，缸盖水套流量进气侧、排气侧分配比例约为1.1:1，因此水套中冷却液流量分配结果合理。缸盖水套和缸体水套内冷却液的流动速度场所示关键部位无流动死区，符合设计意图，各缸流速分布差别较小，流场各指标符合最初的设计要求。

3、冷却系统功能试验

在完成冷却系统仿真模拟分析后，进行冷却系统功能试验进行设计验证。

发动机按两种方式进行试验：

1）采用台架倒拖的方式进行流量分配比例测量；

2）采用点火试验的方式进行温度、压力测量。试验时，模拟了发动机安装两种不同开启温度的节温器2时的工作状态。

流量传感器布置如图18、图19。

图18 流量传感器布置示意图

图19 流量传感器布置

温度传感器和压力传感器布置如图20。

图20 温度、压力传感器布置示意图

发动机转速为5500rpm时流量测量试验结果如下所示：

图22 机油冷却器、缸体水套及缸盖水套流量分配

图23 缸体缸盖水套流量分配

图24 发动机进出水温度对比

图25 缸体、缸盖及发动机出水温度对比

由测量数据分析可知，发动机冷却系统各部分流量测量值总的分配比例与模拟计算值的分配比例相符，由此得出各部件之间分配比例符合设计的目标值，因此流量分配满足设计要求。

图26 增压器水温、油温

图27 机油冷却器油温、水温

图28 冷却系统各部分压力损失

由以上数据可知：

1）发动机进出水温差在10℃左右；

2）机油冷却器进出机油温差在8℃以内，进出水温差在5℃以内，油底壳温度小于125℃；

3）增压器机油温度在80℃至150℃范围内，增压器入口冷却液最高温度小于100℃，出口冷却液最高温度小于125℃。

4）冷却系统各部分压损均满足要求。

由以上分析可知，发动机冷却系统初步各参数满足系统功能要求。各零部件参数初步确定。

4、整机温度场试验

完成冷却系统功能试验，初步确定了系统各部件参数及系统的结构参数，然后进行整机的缸体缸盖温度场试验。

图29 缸盖燃烧室温度传感器布置

图30 缸体温度传感器布置

a）缸体进气侧温度传感器布置 b）缸体排气侧温度传感器布置 c）缸体两缸之间传感器布置 d）缸体温度传感器布置

缸盖燃烧室温度传感器布置见图29。缸体温度传感器布置见图30。

缸盖燃烧室温度数据对比如图31。

图31 缸盖温度数据（各缸平均值）

可见，增压直喷发动机缸盖温度明显高于竞品发动机：

1）进气侧高出温度34℃

2）前后端（进气门与排气门之间），高出温度72℃至80℃

3）排气侧（两排气门之间），高出温度 32℃至64℃，越远离火花塞中心温差越大。

缸体温度场数据如图32、33、34

图32 两缸之间温度场数据

图33 距缸体下平面273.4mm温度场数据

图34 距缸体下平面237.4mm温度场数据

综合以上缸体温度场数据可知：

1）缸体两缸之间温度偏高，达到269-282℃。

2）其他部位温度较低，在130℃以下，并且温差相对较小，均在20℃以内。

5、结论

采用模拟仿真与试验相结合的方法完成了一款增压直喷发动机的冷却系统设计。通过模拟仿真与台架试验确定了系统各零部件的参数并得到验证。

试验过程表明整个冷却系统需要进行设计优化，通过模拟及实测试验数据分析，确定优化水泵性能可以有效地加强冷却效果。因此通过优化水泵叶轮及水泵腔几何参数最终达到了优化目标。最终通过整机温度场试验确定该冷却系统满足设计要求。

[1] Chad Lehner. Design and Development of a Model Based Feedback Controlled Cooling System for Heavy Duty Diesel Truck Applications Using a Vehicle Engine Cooling System Simulation[C]. SAE2001-01-0336.

[2] Brian J. Luptowski. Development of the Enhanced Vehicle and Engine Cooling System Simulation and Application to Active Cooling Control[C]. SAE2005-01-0697.

[3] Jian Y., Jim Covey, Daniel D.Agnew. Coolant-flow Optimization in a Racing Cylinder Block and Head Using CFD Analysis and Testing [C]. SAE2004-01-3542.

[4] 陈家瑞.汽车构造.机械工业出版社[M].2009发动机润滑系统.

[5] 周龙保.内燃机学.机械工业出版社[M].2003发动机的冷却与润滑系统.

Design of Cooling System for TGDI Engine

Huang Changrui1, Cheng Mianhong2
( 1.Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141; 2.Shenyang Aerospace University, Liaoning Shenyang 110136 )

In this article, the design and development process of TGDI engine cooling system was described. With the initially determined components parameters as inlet boundary conditions, 1D simulation of the cooling system and 3D-CFD simulation of water jackets was performed. Performance of cooling system was verified by result of cooling system function test and temperature field test. According to the simulation result and experimental data, the system was improved. Finally, the approach achieved the requirements. The cooling system was able to ensure that the engine temperature is in appropriate range on all operating conditions.

TGDI; Cooling System; Simulation; CFD Calculate; Test analysis

U461.9

A

1671-7988 (2017)08-15-06

黄昌瑞，就职于华晨汽车工程研究院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.08.006