利用FLOWMASTER改進(jìn)增壓汽油發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的分析研究

劉 峰 魏丕勇 陸子平

（1.安援救援管理服務(wù)〈北京〉有限公司，中國 北京 100020；2.北汽福田汽車股份有限公司，中國 北京 102206）

原汽油發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的管路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，管路多且長、有多處管路盤繞發(fā)動機(jī)機(jī)體，發(fā)動機(jī)整機(jī)表面繁雜、不簡潔，直接影響到發(fā)動機(jī)NVH和可靠性等。為此本文對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的管路系統(tǒng)得到了較大的簡化，發(fā)動機(jī)整機(jī)表面顯得較為整潔。但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化，為此需要重新設(shè)計和計算評估發(fā)動機(jī)的冷卻系統(tǒng)的工作情況，通過計算分析，確定參數(shù)，并且提出設(shè)計方案。

1 冷卻系統(tǒng)模型的建立

本文研發(fā)工作是在BJ486ZLEQ4型汽油機(jī)上進(jìn)行的，汽油機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示：

表1 發(fā)動機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.1 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)模型

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由以下幾方面構(gòu)成：主要包括水泵、節(jié)溫器、前后暖風(fēng)、機(jī)冷器、增壓器等。圖1中a圖代表原機(jī)型，原機(jī)型從缸蓋取水，冷卻液分為兩路，一路經(jīng)散熱器（小循環(huán)除外）、機(jī)冷器、節(jié)溫器回到水泵，另一路流經(jīng)增壓器和暖風(fēng)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)后，不經(jīng)過節(jié)溫器、散熱器直接流回到水泵；其中機(jī)冷器與主水路采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，為了控制機(jī)冷器的水的流量，在機(jī)冷器的出口設(shè)置了節(jié)流孔的結(jié)構(gòu)。

圖1-b代表改進(jìn)后的機(jī)型。改進(jìn)后的水路分成三路：一路從缸蓋取水經(jīng)散熱器、節(jié)溫器回到水泵入口；另一路也從缸蓋取水，經(jīng)暖風(fēng)回到水泵入口；再一路從缸體中間取水，經(jīng)機(jī)冷器和增壓器后，不經(jīng)過節(jié)溫器，直接回到水泵入口，機(jī)冷器與增壓器水路采用并聯(lián)形式，并在機(jī)冷器出口設(shè)置了節(jié)流孔的結(jié)構(gòu)，以控制機(jī)冷器的冷卻水量。通過上述改進(jìn)，可使發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的管路得到簡化。

圖1 冷卻系統(tǒng)管路結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 冷卻系統(tǒng)模型

模型假設(shè)：

1）忽略零件安裝位置不同高度差引起的壓差；

2）水泵采用SUTER的模型預(yù)測水泵流量與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

2 冷卻系統(tǒng)參數(shù)

如圖2所示，為根據(jù)改進(jìn)后冷卻系統(tǒng)建立的FLOWMASTER模型。

圖2 改進(jìn)后的冷卻系統(tǒng)FLOWMASTER模型

模型各個零器件的參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)：

2.1 水泵

水泵轉(zhuǎn)速在6000rpm時，額定流量為195L/min，額定揚程為16.8m。

圖3為水泵在額定轉(zhuǎn)速下的揚程隨流量變化曲線。

圖3 水泵額定轉(zhuǎn)速時揚程隨流量變化曲線

2.2 節(jié)溫器

模型中增加一個90度彎頭代表節(jié)溫器殼體的壓力降，節(jié)溫器閥開度隨溫度的變化曲線已寫入程序，如圖4所示，在標(biāo)定工況冷卻液流動模擬計算節(jié)溫器是全開狀態(tài)。散熱器的出口溫度為88℃@節(jié)溫器全開，節(jié)溫器全閉溫度76℃

2.3 增壓器

圖4 節(jié)溫器閥開度隨溫度變化曲線

增壓器在模型中用一個換熱零件模擬。換熱功率為2kW。如圖5所示。

圖5 增壓器及渦輪外殼及內(nèi)部剖面

2.4 機(jī)油冷卻器

在一維模型設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)中，機(jī)冷器出口處增加了一個節(jié)流孔的結(jié)構(gòu)，其主要目的在于調(diào)節(jié)冷卻液在機(jī)冷器中的流量。本報告分別對孔徑比為6mm/20mm、16mm/20mm進(jìn)行對比計算。

2.5 散熱器

對發(fā)動機(jī)散熱器定義為恒定的出水溫度。冷卻器的性能由FLOWMASTER軟件內(nèi)部定義，即不管散熱器進(jìn)口水溫如何，出口溫度保持恒定。在模型計算中，散熱器出口水溫度設(shè)定為100℃，小循環(huán)時散熱器出口溫度定為80℃。

2.6 發(fā)動機(jī)阻力系數(shù)

在1D模型中，為了反映真實的壓力降特性參數(shù)，發(fā)動機(jī)冷卻水套的阻力用離散損失表示。離散損失在軟件網(wǎng)絡(luò)中用阻值表示。根據(jù)3D-CFD模型結(jié)果校驗離散阻值。

2.7 管/軟管的屬性

管道的設(shè)計基于實際機(jī)體和三維數(shù)學(xué)模型（包括管道的長度、直徑），主要回路的水管內(nèi)徑如下表2：

表2 水管內(nèi)徑

機(jī)冷器節(jié)流孔直徑的設(shè)計方案有兩個：

（1）6mm/20mm；（2）16mm/20mm。

2.8 膨脹水箱規(guī)格

在發(fā)動機(jī)的額定功率下，膨脹水箱的絕對壓力 （穩(wěn)定壓力）為1.5bar。

膨脹水箱冷卻液體積設(shè)定為10L；氣體體積1.5L。

2.9 主要零部件壓降和其他參數(shù)

1D模擬計算中用到的全部零件的壓降如表3所示。

表3 模型中的參數(shù)

2.10 冷卻液種類

FLOWMASTE軟件中有絕大多數(shù)液體的特性參數(shù)和經(jīng)驗公式，在此，選定的液體的類型：乙二醇和水等體積混合，即WATER/GLYCOL=50/50。

3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計計算方案

方案1：機(jī)冷器節(jié)流孔孔徑比為（6mm/20mm）

計算工況 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 節(jié)溫器狀態(tài) 散熱器出口水溫標(biāo)定工況5000rpm 全開 100℃5000rpm 全閉 80℃扭矩點 2200 rpm 全開 100℃暖風(fēng)校核點 1200 rpm 全開 100℃怠速 800 rpm 全開 100℃

方案2：機(jī)冷器節(jié)流孔孔徑比為（16mm/20mm）

計算工況 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 節(jié)溫器狀態(tài) 散熱器出口水溫標(biāo)定工況5000rpm 全開 100℃5000rpm 全閉 80℃

方案3：原機(jī)冷卻系統(tǒng)

計算工況 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速 節(jié)溫器狀態(tài) 散熱器出口水溫標(biāo)定工況 5000rpm 全開 100℃

4 冷卻系統(tǒng)計算結(jié)果

4.1 方案1：機(jī)冷器節(jié)流孔孔徑比為（6mm/20mm）

4.1.1 標(biāo)定工況（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速5000rpm，水泵轉(zhuǎn)速6000rpm）

1）節(jié)溫器全開，大循環(huán)

（1）流量分布

水泵的總的冷卻液流量為228L/min。其中通過暖風(fēng)的水流量為47.4L/min,占總流量的20.79%；通過增壓器水流量為12L/min，占總水量的5.2%；通過機(jī)冷器的水流量為26L/min，占總水量的11.4%，滿足額定轉(zhuǎn)速時大于25L/min的要求。

（2）壓力分布

圖6 標(biāo)定工況，水泵6000rpm，節(jié)溫器全開，冷卻液的流量分布

在節(jié)溫器全開時，水泵轉(zhuǎn)速6000rpm，水泵進(jìn)水口的壓力為1.31bar，出口壓力為2.86bar。通過發(fā)動機(jī)機(jī)體冷卻水的壓降為743mbar，散熱器壓降為 362.4mbar，機(jī)冷器壓降為 330mbar，節(jié)溫器壓降為 4.5mbar。增壓器壓降為378mbar,暖風(fēng)壓降為216mbar。

（3）溫升

缸體入口至缸蓋出口冷卻液溫升為 4.42°C，機(jī)冷器溫升 3.85°C，增壓器溫升 10.8°C，散熱器冷卻液溫度降低 8.9°C。 小于 10°C，滿足設(shè)計規(guī)范。

標(biāo)定工況下的具體情況如圖6，圖7。

圖7 流量分布情況

2）節(jié)溫器全閉，小循環(huán)

（1）流量分布：水泵的總的泵水流量為240L/min。其中通過機(jī)油冷卻器的水量為28.4L/min，占總水量的29%；通過暖風(fēng)的水流量為56.3L/min,占總流量的57%；通過增壓器水流量為13.2L/min，占總水量的13%。

（2）壓降：在節(jié)溫器全閉時（小循環(huán)），水泵轉(zhuǎn)速6000rpm，系統(tǒng)各處的壓力分布情況見圖15、16所示。水泵進(jìn)水口的壓力為1.35bar，出口壓力為2.83bar。通過發(fā)動機(jī)機(jī)體冷卻水的壓降為982.0mbar，水箱壓降為 156.5mbar，機(jī)冷器壓降為 283.9mbar，節(jié)溫器壓降為 2.3mbar。增壓器壓降為327mbar,暖風(fēng)壓降為150.5mbar。

標(biāo)定工況小結(jié)：

流經(jīng)各零件的溫升統(tǒng)計數(shù)值如表4所示。

表4 方案1各零件的溫升情況

4.1.2 最大扭矩工況（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2200rpm，水泵轉(zhuǎn)速2640rpm）

水泵在最大扭矩轉(zhuǎn)速2640rpm，機(jī)冷器節(jié)流孔孔徑比為（6mm/20mm），散熱器出口水溫為100℃，節(jié)溫器全開，大循環(huán)；

1）流量

水泵的總的泵水流量101.0L/min。其中通過機(jī)油冷卻器的水量為11.5L/min，占總水量的 11%；散熱器為 60.8L/min，占總水量的 60%；通過暖風(fēng)的水流量為20.7L/min,占總流量的20%；通過增壓器流量為11.6L/min，占總水量的 9%。

2）壓降

水泵進(jìn)水口的壓力為1.46bar，出口壓力為1.77bar。通過發(fā)動機(jī)機(jī)體冷卻水的壓降為137.5mbar，水箱壓降為37.1mbar，機(jī)冷器壓降為63.5mbar，節(jié)溫器壓降為 0.9mbar。 增壓器壓降為 70.9mbar, 暖風(fēng)壓降為 43.1mbar。

3）溫升

水泵的出口冷卻液溫度為110.1℃，冷卻液缸體入口和缸蓋出口的溫升為 9.9℃；機(jī)冷器溫升為 8.7℃，散熱器溫升為 20.0℃。

4.1.3 暖風(fēng)校核點：（發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1200rpm，水泵轉(zhuǎn)速1440rpm）

根據(jù)整車需求，要求對1200rpm時經(jīng)過暖風(fēng)水的流量進(jìn)行特別校核，要求該轉(zhuǎn)速的暖風(fēng)流量不小于10L/min。工況：節(jié)溫器全開，大循環(huán)。

1）流量

水泵的總的泵水流量為54.2L/min。其中通過機(jī)油冷卻器的水量為 6.3L/min， 占總水量的 11.5%； 散熱器為 32.8L/min， 占總水量的60.5%；通過暖風(fēng)的水流量為 11.3L/min,占總流量的 20.7%，滿足整車10.0L/min 的要求；通過增壓器流量為 2.9L/min，占總水量的 5.0%。

2）壓力

水泵進(jìn)水口的壓力為 1.495 bar，出口壓力為 1.583bar。 通過發(fā)動機(jī)機(jī)體冷卻水的壓降為42.3mbar，水箱壓降為 11.1mbar，機(jī)冷器壓降為 18.8mbar，節(jié)溫器壓降為 0.3mbar。 增壓器壓降為 20.4mbar,暖風(fēng)壓降為 13.2mbar。

4.1.4 怠速工況發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速800rpm，水泵轉(zhuǎn)速960rpm，節(jié)溫器全開，大循環(huán)。

1）流量

怠速時，水泵的總的泵水流量為36.1L/min。其中通過機(jī)油冷卻器的水量為 4.2L/min，占總水量的 11.5%；散熱器為 21.7L/min，占總水量的62.0%；通過暖風(fēng)的水流量為7.1L/min,占總流量的20.7%，滿足6.0L/min 的要求；通過增壓器流量為 1.9L/min，占總水量的 5.0%。

2）壓力

水泵進(jìn)水口的壓力為1.50bar，出口壓力為1.54bar。通過發(fā)動機(jī)機(jī)體冷卻水的壓降為18.6mbar，水箱壓降為4.9mbar，機(jī)冷器壓降為8.3mbar，節(jié)溫器壓降為 0.1mbar。 增壓器壓降為 8.7mbar,暖風(fēng)壓降為5.9mbar。

4.2 機(jī)冷器節(jié)流孔孔徑比為（16mm/20mm）

標(biāo)定工況，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速5000rpm，水泵轉(zhuǎn)速6000rpm

4.2.1 節(jié)溫器全開，大循環(huán)

1）流量

水泵的總的泵水流量為237.1L/min。其中通過機(jī)油冷卻器的水量為41.8L/min，占總水量的18%；散熱器為134.8L/min，占總水量的57%；通過暖風(fēng)的水流量為45.8L/min,占總流量的20%；通過增壓器流量為11.6L/min，占總水量的5%。

2）壓降

節(jié)溫器全開，大循環(huán)，水泵進(jìn)水口的壓力為1.32bar，出口壓力為2.83bar。 通 過發(fā)動機(jī)機(jī)體冷卻水的壓降為756.2mbar， 水箱壓降為183.6mbar，機(jī)冷器壓降為 837.3mbar，節(jié)溫器壓降為 4.1mbar。 增壓器壓降為 335.1mbar,暖風(fēng)壓降為 202.7mbar。

3）溫升

水泵的出口冷卻液溫度為105.40℃，冷卻液缸體入口和缸蓋出口的溫升為 4.26℃；機(jī)冷器溫升為 2.40℃，散熱器溫升為 9.25℃。

4.2.2 節(jié)溫器全閉，小循環(huán)

1）流量

水泵的總的泵水流量為207.8L/min。其中通過機(jī)油冷卻器的水量為23.9L/min，占總水量的32%；通過暖風(fēng)的水流量為38.8L/min,占總流量的52%；通過增壓器流量為11.5L/min，占總水量的15%，通過暖風(fēng)的水流量為0.8L/min，占總水量的1%。

2）壓降

水泵在最大扭矩轉(zhuǎn)速2640rpm，機(jī)冷器節(jié)流孔孔徑比為（16mm/20mm），散熱器出口水溫為80℃，節(jié)溫器全閉，小循環(huán)，水泵在扭矩點轉(zhuǎn)速2640rpm，機(jī)冷器節(jié)流孔孔徑比為（16mm/20mm），散熱器出口水溫為80℃，節(jié)溫器全閉，小循環(huán)，水泵進(jìn)水口的壓力為1.32bar，出口壓力為2.83bar。通過發(fā)動機(jī)機(jī)體冷卻水的壓降為756.2mbar，水箱壓降為 183.6mbar，機(jī)冷器壓降為 837.3mbar，節(jié)溫器壓降為 4.1mbar。 增壓器壓降為 335.0mbar,暖風(fēng)壓降為 202.7mbar。

原機(jī)冷卻系統(tǒng)

為了驗證模型的正確性，對原機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行建模型和分析計算，并與原機(jī)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，計算結(jié)果與試驗結(jié)果 （關(guān)于BJ486ZLEQ4熱平衡試驗的報告所提供數(shù)據(jù)）如表5所示。

值得注意的是由于原機(jī)試驗時沒有帶電子風(fēng)扇，為方便比較，故原機(jī)冷卻系統(tǒng)建模時也沒有考慮電子風(fēng)扇，而改進(jìn)方案建模時帶了電子風(fēng)扇。

通過計算，發(fā)現(xiàn)水泵流量的計算值與實測值差距較大，可能水泵流量試驗數(shù)據(jù)有誤，需通過實驗核查。

表5 原機(jī)校核計算結(jié)果與實測結(jié)果對比

由于缺乏一些零件的流體特性參數(shù)，有些參數(shù)參考了其他發(fā)動機(jī)的模型數(shù)據(jù)，但計算與試驗結(jié)果對比表明，除流量參數(shù)外，其他參數(shù)的最大誤差為31%，說明仿真計算模型基本可信。

5 結(jié)論

5.1 本文主要完成了BJ486ZLEQ4汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)兩種方案的一維流場的模擬計算分析研究。

5.2 對原機(jī)模型和兩個改進(jìn)方案在額定工況、大循環(huán)下的計算結(jié)果進(jìn)行對比，與原機(jī)相比，改進(jìn)方案的機(jī)冷器流量大幅度提高，其它零件流量也有所增加，但增加幅度較小。

5.3 機(jī)冷器節(jié)流孔徑比對流經(jīng)機(jī)冷器的冷卻液流量影響很大，采用節(jié)流零件 16mm/20mm時流經(jīng)機(jī)冷器的流量 41.82L/min，較 6mm/20mm 時的 25.9L/min 大 15.92 L/min，增加 61.5%。 但如果流經(jīng)機(jī)冷器的冷卻水的流量過大，會導(dǎo)致機(jī)油溫升過慢，影響車輛的使用。建議采用6mm/20mm方案。

5.4 原機(jī)相比，改進(jìn)方案的機(jī)冷器溫升大幅度降低，其它零件溫升變化不大。

5.5 怠速節(jié)溫器閥打開時，暖風(fēng)流量為每分鐘7.4L/min,能滿足整車提出的怠速時最低暖風(fēng)流量6L/min的要求。其它工況各零件的流量均滿足整車要求。

5.6 通過對原機(jī)模型進(jìn)行校核計算，并與原機(jī)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，確定了仿真計算模型的基本正確。

5.7 計算是基于冷卻系統(tǒng)零件的流動阻力特性的假設(shè)條件下完成的。如果實際零件的流動阻力特性與計算假設(shè)不同，那么仿真計算結(jié)果與實驗結(jié)果也會不同。在試驗時必須考慮零件特性變化對整個系統(tǒng)的影響，并在開發(fā)實驗中安排專項試驗對模型加以驗證。

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