發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是汽車的重要組成部分之一，冷卻系統(tǒng)的作用是使發(fā)動(dòng)機(jī)在各種轉(zhuǎn)速和各種行駛狀態(tài)下都能有效的控制溫度，其中水套是整個(gè)冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。本文為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系設(shè)計(jì)計(jì)算分析，水套計(jì)算分析由AVL公司的FIRE軟件完成。通過CFD計(jì)算，可以得到水套整個(gè)流場(chǎng)(速度、壓力、溫度以及HTC等)分布。通過速度場(chǎng)可以識(shí)別出滯止區(qū)、速度梯度大的區(qū)域，通過溫度分布可以分析可能產(chǎn)生氣泡的位置，通過換熱系數(shù)的分布可以評(píng)估水套的冷卻性能，通過壓力分布可以顯示出壓力損失大的區(qū)域。本文針對(duì)功率點(diǎn)進(jìn)行了計(jì)算。

1.散熱量的計(jì)算

在設(shè)計(jì)或選用冷卻系統(tǒng)的部件時(shí)，就是以散入冷卻系統(tǒng)的熱量為原始數(shù)據(jù)，計(jì)算冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水量、冷卻空氣量，以便設(shè)計(jì)或選用水泵和散熱器。

1.1冷卻系統(tǒng)散走的熱量

冷卻系統(tǒng)散走的熱量,受許多復(fù)雜因素的影響,很難精確計(jì)算,因此在計(jì)算時(shí)，通常采用經(jīng)驗(yàn)公式或參照類似發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算。在采用經(jīng)驗(yàn)公式估算時(shí)，估算公式為：（1）

式中:—傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比;

—內(nèi)燃機(jī)燃料消耗率(kg/kW·h);

—內(nèi)燃機(jī)功率(kW);

—燃料低熱值(kJ/kg)。

表1發(fā)動(dòng)機(jī)總功率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)

燃油消耗率(g/kw．h)

校正有效功率(kw)

校正有效扭矩(Nm)

2000

293.5

20.2

96.3

3200

286.5

37.4

111.8

4400

280.8

53.9

116.9

5200

320.7

63.9

117.4

6000

340.8

70.2

111.8

根據(jù)表1CK14發(fā)動(dòng)機(jī)總功率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：6000rpm時(shí)，=70.2kW,=340.8g/kW·h,

汽油機(jī)熱量理論計(jì)算一般A=0.23～0.30，但隨著發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒技術(shù)的提高，熱效率也不斷提高，根據(jù)同類型機(jī)型熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)反運(yùn)算，A值一般在0.15左右。

汽油低熱值=43100kJ/kg,選取0.15，故對(duì)于CK14發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率下散熱量：

1.2冷卻水的循環(huán)量

根據(jù)散入冷卻系統(tǒng)的熱量，可以算出冷卻水的循環(huán)量：

（2）

式中：—冷卻水在內(nèi)燃機(jī)中循環(huán)時(shí)的容許溫升，對(duì)現(xiàn)代強(qiáng)制循環(huán)冷卻系，可取=4℃～8℃，本機(jī)初步計(jì)算取值7℃；

—水的比重，可近似取=1000

—水的比熱，可近似取=4.187kJ/kg·℃；

—冷卻系統(tǒng)散熱量，由（2）式算得=43KW。

將上述各值代入計(jì)算公式，可得CK14發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率下冷卻水循環(huán)量為：

≈0.00147=1.47L/s

2.水泵的選用

2.1水泵的泵水量選取

水泵主要根據(jù)所需的泵水量和泵水壓力來選擇，泵水量可根據(jù)冷卻水循環(huán)量，按下式初步確定：

（4）

式中：—冷卻水循環(huán)量，由（2）式算得CK14發(fā)動(dòng)機(jī)為1.47L/s；

—水泵的容積效率，主要考慮水泵中冷卻水的泄漏，一般=0.8～0.9，本次計(jì)算取值0.8。

計(jì)算得CK14發(fā)動(dòng)機(jī)所需水泵的泵水量為：≈1.84L/s,所以我們選取水泵的流量在標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)應(yīng)大于110L/min。

2.2水泵的泵水壓力選取

確定水泵的泵水壓力，應(yīng)保證其足以克服冷卻系中所有的流動(dòng)阻力，并得到必要的冷卻水循環(huán)流動(dòng)速度，同時(shí)為了冷卻可靠，在工作溫度下，水在任一點(diǎn)的壓力均應(yīng)大于此時(shí)的飽和蒸汽壓力，以免發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。

一般車用發(fā)動(dòng)機(jī)中，冷卻系管道流動(dòng)阻力一般為～,水套阻力一般為～，水散熱器阻力一般為～，總阻力為～，為安全起見，一般泵水壓力取150。

總上所述，我們確定水泵的選取要求為：在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為6000rpm時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速6720rpm時(shí)，水泵流量應(yīng)大于110L/min,水泵進(jìn)出口壓力差應(yīng)大于150。

3．散熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1散熱器需散走的熱量

散熱器在使用一段時(shí)間以后，由于水垢的生成而使少量水管堵塞，散熱性能下降10%左右；此外，由于壓力蓋泄漏以及氣流分布不均，也會(huì)使其散熱能力下降5%～10%；另外，根據(jù)以往及AVL匹配發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，空調(diào)冷凝器前置對(duì)前格柵的進(jìn)風(fēng)溫度將提升10℃-20℃左右。在進(jìn)行整車熱平衡的研究，必須考慮空調(diào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)過熱的影響。因此，我們選用的散熱器的散熱能力應(yīng)比水套散掉的熱量高出10%～25%。即

=（1.05～1.25）

取系數(shù)為1.1，則散熱器的散熱量應(yīng)為47.3kW。

3.2散熱器芯子正面面積Ff

依據(jù)《汽車設(shè)計(jì)手冊(cè)》提供公式Ff=（0.0027-0.0034）Nemax

Nemax=70.2Kw，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器正面面積Ff=0.1895～0.2523m2。

3.3散熱面積S

散熱面積S為管帶的散熱面積與散熱片面積之和。

依據(jù)《汽車設(shè)計(jì)手冊(cè)》提供公式S=S比·Nemax

轎車S比為0.07m2/Kw

發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器散熱面積S=0.07×70.2=4.914m2

4.發(fā)動(dòng)機(jī)水套CFD模擬計(jì)算

4.1水套計(jì)算模型和網(wǎng)格

圖1水套幾何模型

圖2水套網(wǎng)格模型

由于水泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，完全按照水泵真實(shí)模型建模計(jì)算比較困難，同時(shí)考慮到計(jì)算耗時(shí)和計(jì)算主要所關(guān)心的是水套內(nèi)流動(dòng)情況，所以本報(bào)告計(jì)算采用在水套入口加上定轉(zhuǎn)速時(shí)的水泵流量進(jìn)行模擬。

4.2計(jì)算工況及邊界條件

計(jì)算工況為標(biāo)定工況，冷卻介質(zhì)為純水。計(jì)算中假定冷卻水在水套內(nèi)的流動(dòng)是穩(wěn)定的三維粘性湍流流動(dòng)，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算模式。

進(jìn)口：質(zhì)量流量，根據(jù)上面水泵參數(shù)確定為1.8kg/s，進(jìn)水溫度80℃；

出口：壓力邊界，取為100000Pa；

壁面：由于沒能從實(shí)驗(yàn)獲得發(fā)動(dòng)機(jī)空間壁面溫度分布，在計(jì)算中采用了假定的壁面溫度場(chǎng)，缸蓋壁面平均溫度120 ℃，缸體壁面平均溫度100℃。

4.3計(jì)算結(jié)果分析

4.3.1整體水套壓力分布

圖3水套整體壓力分布

進(jìn)口平均壓力121270Pa,出口平均壓力101045Pa,進(jìn)出口壓差即發(fā)動(dòng)機(jī)水套壓力損失為20.225KPa，一般水套壓力損失在13～15KPa,與同類機(jī)型相比較水套壓力損失偏大。分析其原因是由于水套數(shù)模部分區(qū)域(如圖4所示)過度不圓滑，下一步需要對(duì)樣件缸蓋與原機(jī)缸蓋切割對(duì)比分析其是否存在差異。

圖4排氣側(cè)水套存在尖角區(qū)域

4.3.2缸蓋水套結(jié)果分析

4.3.2.1缸蓋鼻梁區(qū)域流場(chǎng)分析

對(duì)于缸蓋內(nèi)部流場(chǎng)需要對(duì)其切片觀察，分析其速度場(chǎng)，壓力場(chǎng)，溫度場(chǎng)等。

圖5缸蓋鼻梁區(qū)冷卻水速度分布圖

圖6缸蓋鼻梁區(qū)域溫度場(chǎng)分布

圖7缸蓋鼻梁區(qū)域壓力場(chǎng)分布

圖8缸蓋鼻梁區(qū)域壓力損失最大處

從圖5～圖8缸蓋鼻梁區(qū)域切片結(jié)果看出：

鼻梁區(qū)域水流速度平均流速1.016m/s,而且從第一缸至第四缸水流速度呈遞增趨勢(shì)，符合同類型發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，但一缸流速與其他幾缸差異較大。

此切片平均溫度359K，最高溫度366K，最低溫度353K。排氣側(cè)溫度高于進(jìn)氣側(cè)，最高溫度出現(xiàn)在第四缸鼻梁區(qū)域。

此切片最高壓力127118Pa,最低壓力65410Pa,最大壓力損失部位如圖9所示,此處圓角建議加大。

圖9壓力損失最大部位

4.3.2.2缸蓋底部流場(chǎng)分布

圖10缸蓋底面速度場(chǎng)

整個(gè)截面平均速度1.56m/s，大于一般發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋底面冷卻水平均速度，滿足冷卻要求。但進(jìn)排氣兩側(cè)冷卻水不均勻，排氣側(cè)水流速低于進(jìn)氣側(cè)，和理論設(shè)計(jì)排氣側(cè)流速大于進(jìn)氣側(cè)相反，可以進(jìn)一步優(yōu)化。

4.3.3缸體水套結(jié)果分析

4.3.3.1缸體水套壓力場(chǎng)分布

圖11缸體水套進(jìn)氣側(cè)壓力分布

圖12缸體水套排氣側(cè)壓力場(chǎng)分布

從圖11、圖12缸體水套壓力場(chǎng)分布圖看出，缸體水套進(jìn)排氣兩側(cè)壓力分布比較均勻，只在水泵進(jìn)口出存在局部壓力損失較大區(qū)域，建議增大圓角減小壓力損失。

4.3.3.2缸體水套速度場(chǎng)分布

圖13缸體水套頂面速度場(chǎng)及流線分布

缸體水套頂面冷卻水平均流速1.5m/s，遠(yuǎn)大于一般0.5m/s的冷卻要求，從流線分布看缸體水套水流很順暢。

4.4缸墊孔上水量分析

此冷卻水套缸墊孔共23個(gè)，第一缸分布9個(gè)上水孔，第二缸、第三缸、第四缸各分布4個(gè)，第四缸末端分布2個(gè)上水孔直接流向出水口，具體孔位分布如圖14缸蓋上水孔分布。

圖14缸蓋上水孔分布

圖15缸蓋上水孔速度矢量圖

各個(gè)水孔上水量如下表所示：

各個(gè)水孔流量數(shù)據(jù)

水孔號(hào)

質(zhì)量流量(kg/s)

占總流量百分比

第1缸

1

0.139

7.8%

25.7%

2

0.1909

10.7%

3

0.053

3%

4

0.030

1.7%

5

0.009

0.5%

6

0.005

0.3%

7

0.012

0.7%

8

0.009

0.5%

9

0.008

0.5%

第2缸

10

0.040

2.3%

7.5%

11

0.084

4.7%

12

0.004

0.2%

13

0.005

0.3%

第3缸

14

0.092

5.2%

11.8%

15

0.095

5.3%

16

0.01

0.6%

17

0.013

0.7%

第4缸

18

0.122

6.9%

16.9%

19

0.138

7.8%

20

0.017

1%

21

0.020

1.2%

22

0.336

18.9%

38.3%

23

0.344

19.4%

通過各個(gè)水孔上水量對(duì)比看出：

（1）一般發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套一缸都會(huì)布置較多上水孔，以保證約40%的冷卻水經(jīng)第一缸缸蓋流向第四缸缸蓋，但此款發(fā)動(dòng)機(jī)一缸上水量只有25.7%，且第一缸還布置了一小的出水孔，約有10%的冷卻水直接由缸體進(jìn)入缸蓋第一缸后流出，從冷卻角度考慮有點(diǎn)浪費(fèi)。

（2）第四缸末端靠近出水口布置兩較大的上水孔，導(dǎo)致約38.3%的冷卻水流經(jīng)缸體后直接流出缸蓋出水口，雖然使得缸體得到了很好的冷卻，但降低了缸蓋的冷卻效果。

4.5冷卻系統(tǒng)散走熱量校核：

模擬計(jì)算設(shè)定冷卻水進(jìn)口溫度353.15K，計(jì)算得出口溫度359.24K，進(jìn)出口溫差6.74K。

模擬計(jì)算冷卻水套吸收熱量Q為：

—冷卻水在發(fā)動(dòng)機(jī)水套中的溫升

—水的比重，可近似取=1000

—水的比熱，可近似取=4.187kJ/kg·℃；

—水泵流量，1.8L/s

經(jīng)計(jì)算Q=50.5KW大于發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒熱量散入冷卻水套熱量43KW，滿足冷卻要求。

5.冷卻系統(tǒng)總體分析與建議

（1）對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)本體水套經(jīng)過計(jì)算,認(rèn)為基本滿足冷卻要求，但有局部區(qū)域可以進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，在文中都已經(jīng)指出。

（2）對(duì)于水泵我們要求在標(biāo)定功率點(diǎn)時(shí)，即水泵轉(zhuǎn)速6720rpm時(shí)，流量大于110L/min,進(jìn)出口壓差大于150KPa。目前我們選定的水泵性能在6000rpm時(shí)，流量不低于100L/min,經(jīng)計(jì)算在水泵6000rpm時(shí)，需要滿足流量大于97L/min,水泵6000rpm時(shí)剛能滿足使用要求。

但對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率時(shí)水泵性能，水泵供應(yīng)商提供不了其性能參數(shù),不能確定其在額定功率點(diǎn)時(shí)是否滿足使用要求。我們需要對(duì)原機(jī)水泵做性能試驗(yàn)摸底，來驗(yàn)證和確定水泵性能；對(duì)水泵樣件也需要做全性能試驗(yàn)來檢測(cè)其是否滿足使用要求。

（3）對(duì)于散熱器我們提出要求在發(fā)動(dòng)機(jī)6000rpm時(shí)，散熱量不低于47.3KW;

發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器正面面積不小于0.2523m2，供設(shè)計(jì)參考，具體數(shù)值還得根據(jù)機(jī)艙布置等確定。附錄資料：不需要的可以自行刪除

機(jī)械制圖標(biāo)注常用符號(hào)

序號(hào)

符號(hào)名稱

符號(hào)繪制標(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)用示例

1

GB/T1182-2008

基準(zhǔn)符號(hào)。

涂黑三角形及中軸線可任意變換位置，方框和字母只允許水平放置不允許歪斜；方框外邊的連線也只允許在水平或鉛垂兩個(gè)方向畫出。

2

GB/T4458.4-2003；

標(biāo)注正方形結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)在尺寸前面加注正方形符號(hào)。

高度h=3.5mm

3

GB/T4458.4-2003；

標(biāo)注弧長(zhǎng)時(shí)在尺寸前面加注弧長(zhǎng)符號(hào)。

高度h=R=3.5mm

4

GB/T4458.4-2003；GB/T16675.2-1996

尺寸注法；

沉孔或锪平符號(hào)。

高度h=3.5mm

5

GB/T4458.4-2003；

GB/T16675.2-1996

尺寸注法；

沉孔或锪平深度符號(hào)。

高度h=3.5mm

6

GB/T4458.4-2003；

GB/T16675.2-1996

尺寸注法；

埋頭孔符號(hào)。

高度h=3.5mm

機(jī)械制圖尺寸標(biāo)注常用標(biāo)準(zhǔn)符號(hào)

序號(hào)

符號(hào)名稱

符號(hào)繪制標(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)用示例

7

GB/T15754-1995

錐度符號(hào)或莫氏錐度注法。

高度h=3.5mm

8

JB/T5061-2006

定位支撐符號(hào)。

高度h=3.5mm

9

JB/T5061-2006

輔助支撐符號(hào)。

高度h=3.5mm

10

JB/T5061-2006

輔助支撐符號(hào)。

高度h=5mm

11

GB/T4459.5-1999

中心孔符號(hào)。

高度h=3.5mm；

高度H1=5mm。

12

JB/T8555-2008熱處理技術(shù)要求在零件圖樣上的表示方法。粗糙度符號(hào)的三角形部分為測(cè)量點(diǎn)符號(hào)。可隨圖形進(jìn)行縮放。

匯編人：質(zhì)管辦標(biāo)準(zhǔn)化管理員鄭家貴2011年8月25日

機(jī)械制圖基礎(chǔ)知識(shí)

一、.圖線GB/T4457.4-2002GB/T17450-1998

注：粗虛線和粗點(diǎn)畫線的選用

兩種粗線都用來指示零件上的某一部分有特殊要求。但應(yīng)用場(chǎng)合不盡相同。粗虛線專門用于指示該表面有表面處理要求。（表面處理包括鍍（涂）覆、化學(xué)處理和冷作硬化處理。）

粗點(diǎn)畫線是限定范圍的表示線常見于以下場(chǎng)合：

限定局部熱處理的范圍（如上圖）

限定不鍍（涂）范圍（如下左圖）

限定形位公差的被測(cè)要素和基準(zhǔn)要素的范圍（如下右圖）

二、視圖GB/T17451-1998GB/T4458.1-2002

1.按第一角法配置的六個(gè)基本視圖

2.局部視圖

1）按基本視圖的配置形式配置

2）按向視圖的配置形式配置

不要“向”字

三、剖視圖及剖面區(qū)域的表示法GB/T17452～17453-1998GB/T4458.6-2002

圖形不對(duì)稱時(shí)，移出斷面不得畫在中斷處

四、簡(jiǎn)化畫法GB/T16675.1-1996

1.管子

1）可僅在端部畫出部分形狀，其余用細(xì)點(diǎn)畫線畫出其中心線

2）可用與管子中心線重合的單根粗實(shí)線表示。

2.

五、螺紋及螺紋緊固件表示法GB/T4459.1-1995GB/T197-2003

無論是外螺紋或內(nèi)螺紋，在剖視或剖面圖中的剖面線都應(yīng)畫到粗實(shí)線。

根據(jù)GB/T197-2003的規(guī)定，將普通螺紋的標(biāo)記方法介紹如下：

六、彈簧表示法GB/T4459.4-2003

七、尺寸注法GB/T4458.4-2003GB/T19096-2003

1.在光滑過渡處標(biāo)注尺寸時(shí)，應(yīng)用細(xì)實(shí)線將輪廓