利用FLOWMASTER改进增压汽油发动机冷却系统的分析研究

【摘 要】原汽油发动机冷却系统管路设计的结构较为复杂，需要对冷却系统管路布置进行重新设计。本文主要针对这种改进后的冷却系统管路设计结构进行计算分析，利用FLOWMATER软件建立了发动机冷却系统1D的模拟仿真模型。着重分析计算两种方案的流量、压力分布和流经零件的温度升高等情况。通过分析对比，确定方案1冷却液流量分布更均衡，能满足各零件的冷却需求，采用方案1作为冷却系统的结构改进方案。

【关键词】冷却系统；增压汽油机；FLOWMASTER仿真

Analysis and Research on the Improvements of the Coolant System of Turbo Gasoline Engine Utilized with FLOWMASTER

LIU Feng1 WEI Pi-yong2 LU Zi-ping2

（1.Allianz Assistance Management and Service（Beijing）Co.， Ltd.， Beijing 100020，China；

2.BAIC Foton Automobile Inc.， Beijing 102206，China）

【Abstract】For the reasons of the primary coolant system frame’s complexities，it needs for the redesign of the coolant system frame distribution.This thesis is about the calculations and analysises of the improved coolant system’s pipes’ frame.It established a one-dimension engine coolant simulated model utilized with the software named FLOWMASTER..Emphazised on analysis and calculate the two schemes which are about the rate of flow，pressure distribution and conditions of the temperature additional of the units.Through the contrasts of the analysis results，it confirms the flow rate is more balanced in scheme 1，and it can easily satisfy the needs of each unit， can be adopted in the improved coolant system scheme.

【Key words】Coolant system；Turbo gasoline engine；FLOWMASTER simulation

原汽油发动机冷却系统的管路结构较为复杂，管路多且长、有多处管路盘绕发动机机体，发动机整机表面繁杂、不简洁，直接影响到发动机NVH和可靠性等。为此本文对冷却系统进行了改进。改进后的管路系统得到了较大的简化，发动机整机表面显得较为整洁。但由于系统结构的变化，为此需要重新设计和计算评估发动机的冷却系统的工作情况，通过计算分析，确定参数，并且提出设计方案。

1 冷却系统模型的建立

本文研发工作是在BJ486ZLEQ4型汽油机上进行的，汽油机相关参数如表1所示：

表1 发动机技术参数

1.1 发动机冷却系统模型

发动机冷却系统主要由以下几方面构成：主要包括水泵、节温器、前后暖风、机冷器、增压器等。图1中a图代表原机型，原机型从缸盖取水，冷却液分为两路，一路经散热器（小循环除外）、机冷器、节温器回到水泵，另一路流经增压器和暖风的并联结构后，不经过节温器、散热器直接流回到水泵；其中机冷器与主水路采用并联结构，为了控制机冷器的水的流量，在机冷器的出口设置了节流孔的结构。

图1-b代表改进后的机型。改进后的水路分成三路：一路从缸盖取水经散热器、节温器回到水泵入口；另一路也从缸盖取水，经暖风回到水泵入口；再一路从缸体中间取水，经机冷器和增压器后，不经过节温器，直接回到水泵入口，机冷器与增压器水路采用并联形式，并在机冷器出口设置了节流孔的结构，以控制机冷器的冷却水量。通过上述改进，可使发动机冷却系统的管路得到简化。

1.2 冷却系统模型

模型假设：

1）忽略零件安装位置不同高度差引起的压差；

2）水泵采用SUTER的模型预测水泵流量与转速的关系。

2 冷却系统参数

如图2所示，为根据改进后冷却系统建立的FLOWMASTER模型。

图2 改进后的冷却系统FLOWMASTER模型

模型各个零器件的参数和输入数据：

2.1 水泵

水泵转速在6000rpm时，额定流量为195L/min，额定扬程为16.8m。

图3为水泵在额定转速下的扬程随流量变化曲线。

图3 水泵额定转速时扬程随流量变化曲线

2.2 节温器

模型中增加一个90度弯头代表节温器壳体的压力降，节温器阀开度随温度的变化曲线已写入程序，如图4所示，在标定工况冷却液流动模拟计算节温器是全开状态。散热器的出口温度为88℃@节温器全开，节温器全闭温度76℃

2.3 增压器

图4 节温器阀开度随温度变化曲线

增压器在模型中用一个换热零件模拟。换热功率为2kW。如图5所示。

图5 增压器及涡轮外壳及内部剖面

2.4 机油冷却器

在一维模型设计的总体结构中，机冷器出口处增加了一个节流孔的结构，其主要目的在于调节冷却液在机冷器中的流量。本报告分别对孔径比为6mm/20mm、16mm/20mm进行对比计算。

2.5 散热器

对发动机散热器定义为恒定的出水温度。冷却器的性能由FLOWMASTER软件内部定义，即不管散热器进口水温如何，出口温度保持恒定。在模型计算中，散热器出口水温度设定为100℃，小循环时散热器出口温度定为80℃。

2.6 发动机阻力系数

在1D模型中，为了反映真实的压力降特性参数，发动机冷却水套的阻力用离散损失表示。离散损失在软件网络中用阻值表示。根据3D-CFD模型结果校验离散阻值。

2.7 管/软管的属性

管道的设计基于实际机体和三维数学模型（包括管道的长度、直径），主要回路的水管内径如下表2：

表2 水管内径

机冷器节流孔直径的设计方案有两个：

（1）6mm/20mm；（2）16mm/20mm。

2.8 膨胀水箱规格

在发动机的额定功率下，膨胀水箱的绝对压力（稳定压力）为1.5bar。

膨胀水箱冷却液体积设定为10L；气体体积1.5L。

2.9 主要零部件压降和其他参数

1D模拟计算中用到的全部零件的压降如表3所示。

表3 模型中的参数

2.10 冷却液种类

FLOWMASTE软件中有绝大多数液体的特性参数和经验公式，在此，选定的液体的类型：乙二醇和水等体积混合，即WATER/GLYCOL =50/50 。

3 冷却系统的设计计算方案

方案1：机冷器节流孔孔径比为（6mm/20mm）

方案2：机冷器节流孔孔径比为（16mm/20mm）

方案3：原机冷却系统

4 冷却系统计算结果

4.1 方案1：机冷器节流孔孔径比为（6mm/20mm）

4.1.1 标定工况（发动机转速5000rpm，水泵转速6000rpm）

1）节温器全开，大循环

（1）流量分布

水泵的总的冷却液流量为228L/min。其中通过暖风的水流量为47.4L/min， 占总流量的20.79 %；通过增压器水流量为12L/min，占总水量的5.2%；通过机冷器的水流量为26L/min，占总水量的11.4%，满足额定转速时大于25L/min的要求。

（2）压力分布

在节温器全开时，水泵转速6000rpm，水泵进水口的压力为1.31bar，出口压力为2.86bar。通过发动机机体冷却水的压降为743mbar，散热器压降为362.4mbar，机冷器压降为330mbar，节温器压降为4.5mbar。增压器压降为378mbar， 暖风压降为216mbar。

（3）温升

缸体入口至缸盖出口冷却液温升为4.42°C，机冷器温升3.85°C，增压器温升10.8°C，散热器冷却液温度降低8.9°C。小于10°C，满足设计规范。

标定工况下的具体情况如图6，图7。

图7 流量分布情况

2）节温器全闭，小循环

（1）流量分布：水泵的总的泵水流量为240L/min。其中通过机油冷却器的水量为28.4L/min，占总水量的29%；通过暖风的水流量为56.3L/min， 占总流量的57%；通过增压器水流量为13.2L/min，占总水量的13%。

（2）压降：在节温器全闭时（小循环），水泵转速6000rpm，系统各处的压力分布情况见图15、16所示。水泵进水口的压力为1.35bar，出口压力为2.83bar。通过发动机机体冷却水的压降为982.0mbar，水箱压降为156.5mbar，机冷器压降为283.9mbar，节温器压降为2.3mbar。增压器压降为327mbar， 暖风压降为150.5mbar。

标定工况小结：

流经各零件的温升统计数值如表4所示。

表4 方案1各零件的温升情况

4.1.2 最大扭矩工况（发动机转速2200rpm，水泵转速2640rpm）

水泵在最大扭矩转速2640rpm，机冷器节流孔孔径比为（6mm/20mm），散热器出口水温为100℃，节温器全开，大循环；

1）流量

水泵的总的泵水流量101.0L/min。其中通过机油冷却器的水量为11.5L/min，占总水量的11%；散热器为60.8L/min，占总水量的60%；通过暖风的水流量为20.7L/min， 占总流量的20%；通过增压器流量为11.6L/min，占总水量的9%。

2）压降

水泵进水口的压力为1.46bar，出口压力为1.77bar。通过发动机机体冷却水的压降为137.5mbar，水箱压降为37.1mbar，机冷器压降为63.5mbar，节温器压降为0.9mbar。增压器压降为70.9mbar， 暖风压降为43.1mbar。

3）温升

水泵的出口冷却液温度为110.1℃，冷却液缸体入口和缸盖出口的温升为9.9℃；机冷器温升为8.7℃，散热器温升为20.0℃。

4.1.3 暖风校核点：（发动机转速1200rpm，水泵转速1440rpm）

根据整车需求，要求对1200rpm时经过暖风水的流量进行特别校核，要求该转速的暖风流量不小于10L/min。工况：节温器全开，大循环。

1）流量

水泵的总的泵水流量为54.2L/min。其中通过机油冷却器的水量为6.3L/min，占总水量的11.5%；散热器为32.8L/min，占总水量的60.5%；通过暖风的水流量为11.3L/min， 占总流量的20.7%，满足整车10.0L/min的要求；通过增压器流量为2.9L/min，占总水量的5.0%。

2）压力

水泵进水口的压力为1.495 bar，出口压力为1.583bar。通过发动机机体冷却水的压降为42.3mbar，水箱压降为11.1mbar，机冷器压降为18.8mbar，节温器压降为0.3mbar。增压器压降为20.4mbar， 暖风压降为13.2mbar。

4.1.4 怠速工况

发动机转速800rpm，水泵转速960rpm，节温器全开，大循环。

1）流量

怠速时，水泵的总的泵水流量为36.1L/min。其中通过机油冷却器的水量为4.2L/min，占总水量的11.5%；散热器为21.7L/min，占总水量的62.0%；通过暖风的水流量为7.1L/min， 占总流量的20.7%，满足6.0L/min的要求；通过增压器流量为1.9L/min，占总水量的5.0%。

2）压力

水泵进水口的压力为1.50bar，出口压力为1.54bar。通过发动机机体冷却水的压降为18.6mbar，水箱压降为4.9mbar，机冷器压降为8.3mbar，节温器压降为0.1mbar。增压器压降为8.7mbar， 暖风压降为5.9mbar。

4.2 机冷器节流孔孔径比为（16mm/20mm）

标定工况，发动机转速5000rpm，水泵转速6000rpm

4.2.1 节温器全开，大循环

1）流量

水泵的总的泵水流量为237.1L/min。其中通过机油冷却器的水量为41.8L/min，占总水量的18%；散热器为134.8L/min，占总水量的57%；通过暖风的水流量为45.8L/min， 占总流量的20%；通过增压器流量为11.6L/min，占总水量的5%。

2）压降

节温器全开，大循环，水泵进水口的压力为1.32bar，出口压力为2.83bar。通 过发动机机体冷却水的压降为756.2mbar，水箱压降为183.6mbar，机冷器压降为837.3mbar，节温器压降为4.1mbar。增压器压降为335.1mbar， 暖风压降为202.7mbar。

3）温升

水泵的出口冷却液温度为105.40℃，冷却液缸体入口和缸盖出口的温升为4.26℃；机冷器温升为2.40℃，散热器温升为9.25℃。

4.2.2 节温器全闭，小循环

1）流量

水泵的总的泵水流量为207.8L/min。其中通过机油冷却器的水量为23.9L/min，占总水量的32%；通过暖风的水流量为38.8L/min， 占总流量的52%；通过增压器流量为11.5L/min，占总水量的15%，通过暖风的水流量为0.8L/min，占总水量的1%。

2）压降

水泵在最大扭矩转速2640rpm，机冷器节流孔孔径比为（16mm/20mm），散热器出口水温为80℃，节温器全闭，小循环，水泵在扭矩点转速2640rpm，机冷器节流孔孔径比为（16mm/20mm），散热器出口水温为80℃，节温器全闭，小循环，水泵进水口的压力为1.32bar，出口压力为2.83bar。通过发动机机体冷却水的压降为756.2mbar，水箱压降为183.6mbar，机冷器压降为837.3mbar，节温器压降为4.1mbar。增压器压降为335.0mbar， 暖风压降为202.7mbar。

原机冷却系统

为了验证模型的正确性，对原机冷却系统进行建模型和分析计算，并与原机试验数据进行对比，计算结果与试验结果（关于BJ486ZLEQ4热平衡试验的报告所提供数据）如表5所示。

值得注意的是由于原机试验时没有带电子风扇，为方便比较，故原机冷却系统建模时也没有考虑电子风扇，而改进方案建模时带了电子风扇。

通过计算，发现水泵流量的计算值与实测值差距较大，可能水泵流量试验数据有误，需通过实验核查。

表5 原机校核计算结果与实测结果对比

由于缺乏一些零件的流体特性参数，有些参数参考了其他发动机的模型数据，但计算与试验结果对比表明，除流量参数外，其他参数的最大误差为31%，说明仿真计算模型基本可信。

5 结论

5.1 本文主要完成了BJ486ZLEQ4汽油机冷却系统两种方案的一维流场的模拟计算分析研究。

5.2 对原机模型和两个改进方案在额定工况、大循环下的计算结果进行对比，与原机相比，改进方案的机冷器流量大幅度提高，其它零件流量也有所增加，但增加幅度较小。

5.3 机冷器节流孔径比对流经机冷器的冷却液流量影响很大，采用节流零件16mm/20mm时流经机冷器的流量41.82L/min，较6mm/20mm时的25.9L/min大15.92 L/min，增加61.5%。但如果流经机冷器的冷却水的流量过大，会导致机油温升过慢，影响车辆的使用。建议采用6mm/20mm方案。

5.4 原机相比，改进方案的机冷器温升大幅度降低，其它零件温升变化不大。

5.5 怠速节温器阀打开时，暖风流量为每分钟7.4L/min，能满足整车提出的怠速时最低暖风流量6L/min的要求。其它工况各零件的流量均满足整车要求。

5.6 通过对原机模型进行校核计算，并与原机试验数据进行对比，确定了仿真计算模型的基本正确。

5.7 计算是基于冷却系统零件的流动阻力特性的假设条件下完成的。如果实际零件的流动阻力特性与计算假设不同，那么仿真计算结果与实验结果也会不同。在试验时必须考虑零件特性变化对整个系统的影响，并在开发实验中安排专项试验对模型加以验证。

【参考文献】

[1]FLOWMASTER Reference Version Help 6.5.0[Z].

[2]FLOWMASTER V7软件模块及其新功能[J].CAD/CAM与制造业信息化，2006（12）.

[3]成晓北，潘立，周祥军.车用发动机冷却系统工作过程与匹配计算[J].内燃机，2008（9）.

[责任编辑：王静]

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