摩托车水冷系统的设计分析

姜文龙

摘要：本研究综合分析国内外在摩托车水冷系统方面的研究，并基于此对摩托车水冷发动机开展先相关课题研究，进一步探究了250cc 水冷发动机的冷却泵叶轮性能。大多数学者通常借助试验法来分析摩托车发动机冷却泵，存在投入大、设计周期较长以及质量不高等问题，本研究就提出了对于摩托车水冷发动机冷却泵通过仿真分析法进行研究，同时利用实验研究的方式来验证优化设计方案，提高水冷系统的设计效率。

Abstract： On the basis of absorbing domestic and foreign research experiences and achievements， this paper optimizes the performance of cooling pump impeller of 250cc water-cooled engine combined with the project of "increasing water-cooled engine pump capacity of motorcycle". The traditional research method of engine cooling pump is mainly experimental research， which has long design cycle， high cost and poor product quality. In this paper， the design optimization of cooling water flow of water-cooled engine cooling pump is studied by simulation method， and the optimization design scheme is verified by experimental research.

關键词：冷却泵;摩托车;水冷系统

Key words： cooling pump;motorcycle;water cooling system

0  引言

改革开放至今，我国摩托车产业得到了迅猛的发展，特别是在中小排量低端品质方面成为了日本最大的竞争对手。但是这些低端产品的阶段性成功主要是取决于大量经济落后国家的旺盛需求和中国市场完整的摩托车配套体系。面对经济全球化的发展趋势，国内摩托车行业面临着极大的挑战，要想获得进一步的发展，就需要扩大影响力，扩大市场占有量，而关键取决于我国摩企能否制造出高品质的摩托车。现在市场流行的高品质车主要以水冷电喷车为主，水冷技术和电喷技术在摩托车上的应用不仅能够提高摩托车的可靠性、降低油耗，而且会大大提高驾驶的舒适性。

1  摩托车发动机水冷系统的优化设计

优化设计摩托车发动机水冷系统的最终目的为：借助运算和测试的方式，基于转速不变的情况下，对冷却泵叶轮流量性能指标进行分析，分析其符合设计标准，探究二者间的联系。

水冷系统优化设计方案：

开展边界条件数据测试工作，为优化设计奠定基础。试验过程：基于差异化转速下，分别测量冷却泵进水口、出水口的压力值，对CFD仿真模拟的边界条件进行明确。

在掌握运算关键变量的前提下，利用CFD仿真模拟法探索出规律特点，选出优化设计方案。

借助CFD仿真模拟法，对原机模型、优化设计方案模型二者的性能进行对照研究。

为了对优化设计方案的可行性及有效性进行研究，需要针对水泵的水量、扬程开展测试工作。

2  冷却泵 CFD 建模及仿真分析

本研究将国内某品牌摩托车发动机冷却泵作为研究对象，开展CFD 建模及仿真分析工作。

2.1 构建冷却泵模型

可以针对冷却泵模型下的孔洞进行实体简化分析，通过Pro/E三维建模软件对冷却泵三维模型进行构建，但要确保不会在较大程度上干扰仿真研究结果，这样就能够有效减少运算任务[1]。借助step格式对冷却泵三维模型进行保存，并在HYPERMESH 软件下进行导入处理，完成模型表面网格划以及几何操作任务，于ICEM surf软件中对上述结果进行导入，针对模型开展体网格划分操作。

2.2 构建仿真模型

根据冷却泵性能测试法，对CFD仿真模型进行构建，综合分析实际状况做出调整和优化。CFD仿真模型主要由非旋转流体区和旋转流体区构成，其中前者是除后者之外的流体部分，而后者是冷却泵周边部分。在旋转流体区中的计算时加的旋转流体区域的外边界其实就是非旋转流体区中的计算时加的非旋转流体区域的内边界，仿真时，为了使流场在进、出口处比较均匀，对于CFD仿真模型的出口，未完全采用实际模型出口，在其基础上顺输出口管进行了延伸，从而获得最终运算模型出口。

2.3 网格的划分

CFD仿真模型的几何体现即为网格，同时网格也是进行仿真研究的重要载体，CFD仿真运算的效率、准确性都同网格质量存在着紧密的联系。求解流体动力学控制方程的过程中，应用CFD软件所得到的均并未准确数值，因为稀疏的网格根本无法保障方程解的精确性，还会存在错解的问题，导致结果不收敛的状况[2]。但如果将网格设置的比较密集，则计算机硬件可能会达不到规定，使运算耗时延长。所以，在对网格进行划分时，需要要保障网格的密度，但是又要控制数量，以免增大运算总量。对于梯度改变较大的位置，应设置较密的网格，严格控制网格单元的倾斜角度，对梯度变化不大的位置要对网格数量进行科学设置。因为发动机冷却泵仿真模型相对比较繁琐，可以利用网格划分的途径，非旋转流体区、旋转流体区的网格应分别设置为较大网格及较小网格。

2.4 指定边界类型和区域类型

本研究对冷却泵流畅进行仿真运算的过程中，应用到了CFX求解器。该模型涵盖了壁面区域以及进、出口三种边界，根据冷却泵运行途径和CFX边界条件的选取及组合，压力进、出口分别为冷却泵进口以及出口，壁面区域则是流体其它边界[3]。非旋转流体区应处在静止状态，而旋转流体区则应为运动状态，进行仿真分析时应对转速、旋转轴进行明确。

2.5 流场仿真边界条件的设定

开展仿真研究时，要先设置CFX边界条件。大气压力就是于冷却泵进口位置设定流动总压，由于出口位置水流存在较大的阻力，所以也要进行背压支持，要想尽可能的将仿真模型同实际运行状况相一致，结合边界条件检验成果，应将出口位置的压力设定成65000或者是60000Pa。流动雷诺数于通流区中为湍流运动，均大于10000，要借助k-ε模型来研究流场。流动于近壁区不会出现较大改变，呈层流状态，湍流应力完全无效[4]。在处理这一状况的过程中，需要发挥壁面函数法的作用，即CFX软件借助半经验公式整合湍流核心区及壁面的物理量。壁面函数法核心为：借助k-ε模型来运算湍流核心区的流动，对半经验公式进行套用，整合湍流核心区所解答的变量及壁面物理量。由此，针对邻近壁面控制体积，能够对节点变量值进行运算，无需处理壁面流动。对网格进行划分的过程中，壁面密集程度的增加并不必要，仅要在对数律区域中设置首节点即可，需要在湍流发展良好区域中开展设置处理，所以之前并未对近壁区的网格进行密集的划分。通过迭代法，对流场的空间离散方程进行运算，按照收敛准则来开展相关运算工作。本研究的收敛准则为对完成运算之前的控制方程残差进行管控，使其小于0.001，实现稳定并迅速的收敛。

3  优化方案边界条件数据测试

3.1 试验装置

本实验装置主要包括冷却水箱、250cc发动机、冷却水箱、压力表以及连接管等结构。因为250cc水冷发动机的冷却泵的进水口、排水口的压力均在0.07MPa之下。所以在测试过程中应测试0.1MPa压力表。

3.2 压力测试

①测试顺序为：要提前预热发动机十分钟，提高实验精确程度;针对发动机的进水口、出水口的泵压开展测试工作，测试标准为曲轴转速的3000、5000以及7500r/min。

②测试结果：

4  结语

傳统的摩托车水冷技术利用的是曲轴驱动水泵为整个系统提供动力，水泵转速与发动机曲轴转速相关，无法结合冷却液温度对泵水量进行调控，因为摩托车的发动机需要长时间的预热，所以很容易发生过冷或过热的问题。应在摩托车冷却系统内发挥电控水泵的作用，缩短暖机时间，实现对冷却液的有效控温，对系统下的冷却液进行有效的管控，包括管控循环速度、关闭和开启。电控水泵逻辑简图如图1所示，电控水泵直接由ECU控制，ECU根据发动机水温信号输出信号给驱动电路从而控制电子水泵工作。本研究冷却系统具有明显的优势，结合当下控制逻辑，发动机转速不会干扰电控水泵冷却液的循环速度，而是直接由ECU根据冷却液温度调整水泵的转速从而控制冷却液循环的速度来控制冷却液的的温度。比如在发动机需要快速暖机的时候水泵不工作或者低速运转，比传统的小循环更加高效节能。利用电控水泵不仅能够精确控制发动机的工作温度，还可以简化冷却系统，省去小循环和相关零部件，更重要的是能够减少曲轴负载降低能耗，提高发动机工作效率。

参考文献：

[1]冉文清.摩托车水冷系统的设计与应用（2）[J].摩托车技术，2018（04）：29-34.

[2]朱志国.摩托车水冷系统优化研究[D].天津大学，2012.

[3]陈翔.摩托车水冷发动机的冷却泵叶轮优化设计研究[D].天津大学，2011.

[4]李文汇，田淑英，徐丽英.浅谈摩托车水冷发动机的设计[J].山东内燃机，2005（01）：14-16.