发动机冷却系统计算

发动机冷却系统计算

发动机冷却系统是汽车的重要组成部分之一，冷却系统的作用是使发动机在各种转速和各种行驶状态下都能有效的控制温度，其中水套是整个冷却系统的关键部分。本文为发动机冷却系设计计算分析，水套计算分析由AVL 公司的FIRE 软件完成。通过CFD 计算，可以得到水套整个流场(速度、压力、温度以及HTC 等)分布。通过速度场可以识别出滞止区、速度梯度大的区域，通过温度分布可以分析可能产生气泡的位置，通过换热系数的分布可以评估水套的冷却性能，通过压力分布可以显示出压力损失大的区域。本文针对功率点进行了计算。

1.散热量的计算

在设计或选用冷却系统的部件时，就是以散入冷却系统的热量Q W

为原始数据，计算冷却系统的循环水量、冷却空气量，以便设计或选用水泵和散热器。

1.1 冷却系统散走的热量

冷却系统散走的热量Q W

,受许多复杂因素的影响,很难精确计算, 因此在计算时，通常采用经验公式或参照类似发动机的实测数据进行估算。在采用经验公式估算时，Q W 估算公式为：)/(3600s kJ A h N g Q n e e W = （1）

式中:A —传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比;

g e

—内燃机燃料消耗率( kg/kW ·h); N e —内燃机功率(kW);

h n —燃料低热值(kJ/kg)。

根据表1CK14发动机总功率实验数据：6000rpm 时，N e =70.2kW, g e =340.8 g/kW ·h,

汽油机热量理论计算一般A=0.23～0.30，但随着发动机燃烧技术的提高，热效率也不断提高，根据同类型机型热平衡试验数据反运算，A 值一般在0.15左右。 汽油低热值h n =43100 kJ/kg, A 选取0.15，故对于CK14发动机标定功率下散热量：

KW Q W 433600

431002.703408.015.0≈⨯⨯⨯=

1.2 冷却水的循环量

根据散入冷却系统的热量，可以算出冷却水的循环量V W ：

)(3s m c t Q V w w w W

W γ∆= （2）

式中：t w ∆—冷却水在内燃机中循环时的容许温升，对现代强制循环冷却系，可取

t w ∆=4℃～8℃，本机初步计算取值7℃；

γ

w —水的比重，可近似取γw =1000m kg 3

c w —水的比热，可近似取c w =4.187kJ/kg ·℃；

Q W

—冷却系统散热量，由（2）式算得Q W =43KW 。 将上述各值代入V W 计算公式，可得CK14发动机标定功率下冷却水循环量为：

V

W ≈0.00147s m 3

=1.47L/s 2. 水泵的选用

2.1 水泵的泵水量选取 水泵主要根据所需的泵水量和泵水压力来选择，泵水量V b 可根据冷却水循环量V W ，按下式初步确定：

)(3s m V V vs

W b η= （4） 式中：V W —冷却水循环量，由（2）式算得CK14发动机V W 为1.47L/s ；

ηvs —水泵的容积效率，主要考虑水泵中冷却水的泄漏，一般ηvs

=0.8～0.9，本次计算ηvs

取值0.8。 计算得CK14发动机所需水泵的泵水量为：V b ≈1.84L/s,所以我们选取水泵的流量在

标定转速时应大于110L/min 。

2.2 水泵的泵水压力选取

确定水泵的泵水压力，应保证其足以克服冷却系中所有的流动阻力，并得到必要的冷却水循环流动速度，同时为了冷却可靠，在工作温度下，水在任一点的压力均应大于此时的饱和蒸汽压力，以免发生气蚀现象。

一般车用发动机中，冷却系管道流动阻力一般为3105.7⨯～a P 3105.12⨯,水套阻力一般

为31013⨯～a P 31015⨯，水散热器阻力一般为31020⨯～a P 31025⨯，总阻力为31040⨯～31053⨯，为安全起见，一般泵水压力取150a KP 。

总上所述，我们确定水泵的选取要求为：在发动机转速为6000rpm 时，水泵转速6720rpm 时，水泵流量应大于110L/min,水泵进出口压力差应大于150a KP 。

3．散热器的设计计算

3.1 散热器需散走的热量

散热器在使用一段时间以后，由于水垢的生成而使少量水管堵塞，散热性能下降10%左右；此外，由于压力盖泄漏以及气流分布不均，也会使其散热能力下降5%～10%；另外，根据以往及AVL 匹配发动机的经验，空调冷凝器前置对前格栅的进风温度将提升10℃-20℃左右。在进行整车热平衡的研究，必须考虑空调对发动机过热的影响。因此，我们选用的散热器的散热能力Q 散应比水套散掉的热量Q W

高出10%～25%。即 Q 散=（1.05～1.25）Q W

取系数为1.1，则散热器的散热量应为47.3kW 。

3.2散热器芯子正面面积Ff

依据《汽车设计手册》提供公式F f =（0.0027-0.0034）Ne max

Ne max =70.2Kw ，发动机散热器正面面积F f =0.1895～0.2523m 2。

3.3散热面积S

散热面积S 为管带的散热面积与散热片面积之和。

依据《汽车设计手册》提供公式S=S 比·Ne max

轿车S 比为0.07m 2/Kw

发动机散热器散热面积S=0.07×70.2=4.914m 2

4.发动机水套CFD 模拟计算

4.1 水套计算模型和网格

图1 水套几何模型

图2 水套网格模型

由于水泵的内部结构非常复杂，完全按照水泵真实模型建模计算比较困难，同时考虑到计算耗时和计算主要所关心的是水套内流动情况，所以本报告计算采用在水套入口加上定转速时的水泵流量进行模拟。

4.2 计算工况及边界条件

计算工况为标定工况，冷却介质为纯水。计算中假定冷却水在水套内的流动是稳定的三维粘性湍流流动，采用稳态计算模式。

进口：质量流量，根据上面水泵参数确定为1.8kg/s，进水温度80℃；

出口：压力边界，取为100000Pa；

壁面：由于没能从实验获得发动机空间壁面温度分布，在计算中采用了假定的壁面温度场，缸盖壁面平均温度120 ℃，缸体壁面平均温度100℃。

4.3 计算结果分析

4.3.1 整体水套压力分布

图3 水套整体压力分布

进口平均压力121270 Pa,出口平均压力101045 Pa,进出口压差即发动机水套压力损失为20.225 KPa，一般水套压力损失在13～15KPa,与同类机型相比较水套压力损失偏大。分析其原因是由于水套数模部分区域(如图4所示)过度不圆滑，下一步需要对样件缸盖与