摩托车发动机冷却水套设计及改进

摩托车发动机冷却水套设计及改进

摘要：在水冷式摩托车的发动机中，冷却系统的性能和发动机的可靠性有着

直接的关系，而水套设计作为冷却系统的重要部分，设计效果关系着冷却系统的

冷却效能，因此深入分析发动机冷却水套的设计尤为关键。本文以某型号摩托车

发动机冷却水套模型为例，从冷却水套仿真分析、优化方案、仿真模型验证和冷

却水套散热性能3个方面进行介绍，以供参考。

关键词：摩托车；发动机；冷却水套

引言

我国是摩托车制作大国，但不是强国，在高端摩托车的制作上仍和国外有差异。伴随着国内消费水平的提高，以往的摩托车，特别是风冷式摩托车，受发动

机温度的影响，无法有效解决热负荷问题，影响摩托车的性能。随着摩托车技术

的不断发展，高端摩托车采用使用水冷形式，再加上市场发展和环境保护的需求，水冷式摩托车更加符合发展趋势。因此，对于发动机冷却水套的研究、设计，一

直备受社会各界的关注。有学者表明，由于发动机水套结构相对复杂，单纯的试

验只能获得水套内的个别数据，应借助数值仿真技术分析，并依据结果进行改善，进而提高发动机冷却水套的散热性能。

1、发动机冷却水套仿真分析

1.1建立冷却水套原始模型

分析冷却水套的流场、温度场，了解高温分布区。以此为依据，在缸体水套

和缸头水套间设置小通道，促使冷却液流动。在入口对面设置直径比较大的通道，促进水套内的冷却液流动，提高换热效率。

1.2原始模型的冷却水套仿真

第一，建立网格。几何模型的数值越详细，仿真结果越精准。但对于比较细

微的特征，在划分网格时，要想对其进行准确的模拟，需要使用大量小型网格单元。而且，导入的数据（曲面）也会存在诸多缺陷，如错位、缝隙等，导致网格

扭曲，甚至影响求解质量。对此，应在不影响原始模型的基础上，对多余的面、

点等进行处理，从而得到表面光滑的模型，并进行网格划分[1]。

第二，计算模型和求解。数学模型包括k方程、连续性方程、N-S动量方程，湍流使用k-ε模型，用有限容积法对方程进行离散处理。使用SIMPLE算法求解，在边界条件下，缸头出口、冷却液入口分别为压力出口和质量出口。冷却水循环

量为：

式中Q表示冷却介质应带走的热量，用kJ/s表示；△tw表示冷却水循环于

发动机的容许温升；pw表示水密度；cw表示水比热。额定功率下，发动机的转

速为每分钟6000r，油耗为355.08g/kWh。每小时产生热值174443.7kJ，每分钟

产生热值2907.4kJ，冷却水每分钟应带走热量581.5kJ，冷却水循环量每分钟

11.6-23.1L。因此，当冷却水流量为每分钟20L时，每秒0.3kg。由于冷却水和

水的性质比较相似，故而将Fluent中的材料定为水，入口温度为85℃。冷却水

套壁面为定壁温，大约115℃。

第三，仿真结果。基于原水套的压力云图，发现缸体、缸头的水套压差比较大，缸头水套出口处的压力低，压损严重，说明该部位的压力梯度和阻力损失大，功耗多，冷却液的流动速度也较快，受水套位置的限制，冷却液入口无法置于排

气口的对岸。所以，在这种方案下，若排气口一侧的冷却液流动缓慢，发动机运

行期间排气口温度较高，应提高周围的流速。结合温度云图，假设缸头壁温为定

壁温，排气侧的温度高，这和发动机的运行需求不相符，可以通过对缸体、缸头

水套通道大小的调节，对水流速度进行调整，尽量在排气口周围开些大孔，来保

证缸头正常排气。

2、优化方案

2.1方案一

改进缸体、缸头水套之间的通道，由于该通道决定了缸头的冷却效果，开孔大小和位置决定了冷却液的流速，带走既定热量，若缸头排气口、缸体上止点周围的温度较高，大部分冷却液会经过排气口，并围绕缸体流动[2]。具体做法：开大排气口一侧的通道，使冷却液从排气口周围流过。

改进后发现，水套总压和原始模型相比较小，压差、压损也发生了变化，减少了阻力损失和水泵功耗。由于压损减小，最大速度也得到了降低；由于通道变化，速度的最大区域也得以变化，既满足了速度均匀的需求，又带走了排气口周围的热量。另外，在边界条件相同时，改进后的壁面温度也随之降低，且温度分布的也比较均匀。当然，仍有个别部分有涡流区、流速低，需要进一步改进。

2.2方案二

通过分析冷却液的流速发现，进气口的流速较低，有涡流，虽然该部位具备冷却作用，但是为充分冷却缸头，应尽量减少涡流区，使进气口周围保持较低流速，无死区。结合冷却水套内部的流场分布情况，改进局部通道，将靠近中央的通道改至边缘，边缘通道改至中央，和大通道相近的小圆通道则靠边。

改进后发现，最大压力降低，流速、压损有所改善；缸体、缸头的温度分布均匀，局部高温区明显减少，仅出口部位有个别高温区，这是因为在发动机运转期间，燃烧室的热量会在最后达到冷却液出口，由于冷却液出口无热源，又远离热源，可以在定壁温下得知高温区域，而排气口（热源高）周围的温度低，可以满足冷却液的散热需求。此外，改进后的速度集中于排气口侧，涡流消失于进气口，流速低，既提高了冷却水套的最低流速，也有效解决了死区问题。

3、仿真模型检验和散热性能

3.1仿真模型检验

模型仿真和优化，依靠的是现有的经验和模拟结果，需要进行反复的实验分析，才能将偶然性排除。故而，建议基于数值仿真，对冷却水套的设计、仿真结果的正确性进行检验[3]。将其用于某发动机水套，验证过程：6000r/min时，标

定功率16kW，最大功率17kW，最低燃油消耗率在354g/kWh以内。冷却水循环量28.8L/min，每小时产生热值260544kJ，每分钟产生热值4342.4kJ，冷却水带走

热量868.48kJ/min，冷却水进出口温差7.2℃。

针对强制循环冷却水套，冷却水的进出口温差为6-12℃，符合要求。实验结

果显示，温差为9.6℃，可以带走20%的热量，在误差允许的范围内，提示模拟

分析可以为优化设计提供指标。因此，最后的模型也是符合标准的。

3.2发动机冷却水套的散热性能

发动机冷却水套的散热性能，应确保发动机在各种条件下运行中，都能靠地

工作。结合各种转速下的油耗，可以产生20%-30%的热量。冷却液水泵的能量由

发动机提供，转速不同，动能也不同，其流量会发生波动，但不会超过规定限值。转速为6000转时，可以带走20%-30%的热量；为6500转时，可以带走30%以上

的热量，冷却液流速快，不利于发动机的运转。比较方案一、二发现，方案二的

热量较好，即便是在高速运转下，带走的热量也不会超过总热量的30%。

4、结语

综上所述，通过建立冷却水套原始模型，改进水套内的通道布局，进行仿真

模型检验，得出结论如下：原冷却水套的通道设计，虽然可以降低排气口周围的

温度，但受发动机结构限制，排气口一侧的流速较小，不利于散热；提出了2种

改进方案，方案一可以改善冷却效果，但存在涡流区，需要进行优化。方案二改

善了死区问题；边界条件一致时，对不同流量下冷却液的带走热量进行分析，发

现方案一可以带走20%-30%的热量（转速不高时），在转速为每分钟6500r时，

方案二能够满足冷却液的散热需求，可以采用。

参考文献：

[1]王萍,谭礼斌,黄灿.摩托车发动机冷却水套流场特性及结构改进[J].科技

和产业,2021,21(9):160-165.

[2]刘伟.某型号摩托车发动机冷却水套设计及改进研究[J].内燃机与配

件,2019(15):7-11.