发动机冷却系统计算Word文档下载推荐.docx
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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
根据表1CK14发动机总功率实验数据：
6000rpm时，
=70.2kW,
=340.8g/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
=43100kJ/kg,
选取0.15，故对于CK14发动机标定功率下散热量：
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
：
（2）
式中：
—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
=4℃～8℃，本机初步计算取值7℃；
—水的比重，可近似取
=1000
—水的比热，可近似取
=4.187kJ/kg·
℃；
—冷却系统散热量，由
（2）式算得
=43KW。
将上述各值代入
计算公式，可得CK14发动机标定功率下冷却水循环量为：
≈0.00147
=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
可根据冷却水循环量
，按下式初步确定：
（4）
—冷却水循环量，由
（2）式算得CK14发动机
为1.47L/s；
—水泵的容积效率，主要考虑水泵中冷却水的泄漏，一般
=0.8～0.9，本次计算
取值0.8。
计算得CK14发动机所需水泵的泵水量为：
≈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
～
水套阻力一般为
，水散热器阻力一般为
，总阻力为
，为安全起见，一般泵水压力取150
。
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150
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
应比水套散掉的热量
高出10%～25%。
即
=（1.05～1.25）
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Ff=（0.0027-0.0034）Nemax
Nemax=70.2Kw，发动机散热器正面面积Ff=0.1895～0.2523m2。
3.3散热面积S
散热面积S为管带的散热面积及散热片面积之和。
依据《汽车设计手册》提供公式S=S比·
Nemax
轿车S比为0.07m2/Kw
发动机散热器散热面积S=0.07×
70.2=4.914m2
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121270Pa,出口平均压力101045Pa,进出口压差即发动机水套压力损失为20.225KPa，一般水套压力损失在13～15KPa,及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及原机缸盖切割对比分析其是否存在差异。
图4排气侧水套存在尖角区域
4.3.2缸盖水套结果分析
4.3.2.1缸盖鼻梁区域流场分析
对于缸盖内部流场需要对其切片观察，分析其速度场，压力场，温度场等。
图5缸盖鼻梁区冷却水速度分布图
图6缸盖鼻梁区域温度场分布
图7缸盖鼻梁区域压力场分布
图8缸盖鼻梁区域压力损失最大处
从图5～图8缸盖鼻梁区域切片结果看出：
（1）鼻梁区域水流速度平均流速1.016m/s,而且从第一缸至第四缸水流速度呈递增趋势，符合同类型发动机的要求，但一缸流速及其他几缸差异较大。
（2）此切片平均温度359K，最高温度366K，最低温度353K。
排气侧温度高于进气侧，最高温度出现在第四缸鼻梁区域。
（3）此切片最高压力127118Pa,最低压力65410Pa,最大压力损失部位如图9所示,此处圆角建议加大。
图9压力损失最大部位
4.3.2.2缸盖底部流场分布
图10缸盖底面速度场
整个截面平均速度1.56m/s，大于一般发动机缸盖底面冷却水平均速度，满足冷却要求。
但进排气两侧冷却水不均匀，排气侧水流速低于进气侧，和理论设计排气侧流速大于进气侧相反，可以进一步优化。
4.3.3缸体水套结果分析
4.3.3.1缸体水套压力场分布
图11缸体水套进气侧压力分布
图12缸体水套排气侧压力场分布
从图11、图12缸体水套压力场分布图看出，缸体水套进排气两侧压力分布比较均匀，只在水泵进口出存在局部压力损失较大区域，建议增大圆角减小压力损失。
4.3.3.2缸体水套速度场分布
图13缸体水套顶面速度场及流线分布
缸体水套顶面冷却水平均流速1.5m/s，远大于一般0.5m/s的冷却要求，从流线分布看缸体水套水流很顺畅。
4.4缸垫孔上水量分析
此冷却水套缸垫孔共23个，第一缸分布9个上水孔，第二缸、第三缸、第四缸各分布4个，第四缸末端分布2个上水孔直接流向出水口，具体孔位分布如图14缸盖上水孔分布。
图14缸盖上水孔分布
图15缸盖上水孔速度矢量图
各个水孔上水量如下表所示：
各个水孔流量数据
水孔号
质量流量（kg/s）
占总流量百分比
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
9
0.008
第2缸
10
0.040
2.3%
7.5%
11
0.084
4.7%
12
0.004
0.2%
13
第3缸
14
0.092
5.2%
11.8%
15
0.095
5.3%
16
0.01
0.6%
17
0.013
第4缸
18
0.122
6.9%
16.9%
19
0.138
20
0.017
1%
21
0.020
1.2%
22
0.336
18.9%
38.3%
23
0.344
19.4%
通过各个水孔上水量对比看出：
（1）一般发动机冷却水套一缸都会布置较多上水孔，以保证约40%的冷却水经第一缸缸盖流向第四缸缸盖，但此款发动机一缸上水量只有25.7%，且第一缸还布置了一小的出水孔，约有10%的冷却水直接由缸体进入缸盖第一缸后流出，从冷却角度考虑有点浪费。
（2）第四缸末端靠近出水口布置两较大的上水孔，导致约38.3%的冷却水流经缸体后直接流出缸盖出水口，虽然使得缸体得到了很好的冷却，但降低了缸盖的冷却效果。
4.5冷却系统散走热量校核：
模拟计算设定冷却水进口温度353.15K，计算得出口温度359.24K，进出口温差6.74K。
模拟计算冷却水套吸收热量Q为：
—冷却水在发动机水套中的温升
—水泵流量，1.8L/s
经计算Q=50.5KW大于发动机燃烧热量散入冷却水套热量43KW，满足冷却要求。
5.冷却系统总体分析及建议
（1）对于发动机本体水套经过计算,认为基本满足冷却要求，但有局部区域可以进行设计改进，在文中都已经指出。
（2）对于水泵我们要求在标定功率点时，即水泵转速6720rpm时，流量大于110L/min,进出口压差大于150KPa。
目前我们选定的水泵性能在6000rpm时，流量不低于100L/min,经计算在水泵6000rpm时，需要满足流量大于97L/min,水泵6000rpm时刚能满足使用要求。
但对于发动机额定功率时水泵性能，水泵供应商提供不了其性能参数,不能确定其在额定功率点时是否满足使用要求。
我们需要对原机水泵做性能试验摸底，来验证和确定水泵性能；
对水泵样件也需要做全性能试验来检测其是否满足使用要求。
（3）对于散热器我们提出要求在发动机6000rpm时，散热量不低于47.3KW;
发动机散热器正面面积不小于0.2523m2，供设计参考，具体数值还得根据机舱布置等确定。
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