（环境工程专业论文）高功率密度发动机冷却系统的仿真计算分析.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t ：a tp r e s e n t , t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fp r o p u l s i o ns y s t e mi nv e h i c l e si s h i g h - c o m p a c t ，h i g h - p e r f o r m a n c e ，a n dh i g h - r e l i a b i l i t y t h ee n g i n eh e a tl o a di si n c r e a s i n g w i t ht h ei n c r e a s i n go fe n g i n es p e e da n dp o w e r d e n s i t y , t h i sr e q u i r e st h ec o o l i n gs y s t e m s h a v i n gh i g hp e r f o r m a n c e v e h i c l e sc o o l i n gt e c i m o l o g yi so n e o ft h ec o r et e c l m o l o g i e so f a u x i l i a r ys y s t e mi nt h ee n g i n e s o ，s e a r c h i n gf o rh i g h - c o m p a c t , h i g he f f i c i e n c yc o o l i n g s y s t e m sh a sb e c o m et h ek e yb u td i f f i c u l tp l d c c s so fd e v e l o p i n gan e wg e n e r a t i o no f e n g i n e a ac o n v e n i e n ta n de f f i c i e n ts i m u l a t i o np l a t f o r mf o re n g i n ec o o l i n gs y s t e m sw a s e s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r t h es i m u l a t i o nc o m p u t i n gp l a t f o r mi n c l u d e st h e 西n c c o o l i n gs y s t e ms i m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n dt h ed a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e t h es i m u l a t i o n c o m p u t i n gp l a t f o r mm a i n l yi n c l u d e st h ed e s i g np a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n , t h er e s e a r c ha n d s e to ft h ec o o l i n gs y s t e mw o r k i n gp r i n c i p l es c h e m a t i c s ，s i m u l a t i o n ，p e r f o r m a n c e p r e d i c t i o n ，e n g i n e e r i n gc o m p o n e n t ss e l e c t i o na n dd a t as t o r a g e 1 nt h i s p a p e r , ah i g hp o w e rd e n s i t ye n g i n ec o o l i n g s y s t e ms c h e m a t i c sw a s i m p r o v e d ，s i m u l a t i o n a n dp e r f o r m a n c ep r e d i c t i o nw a sc a r r i e do u tb yu s i n gt h e g t - c o o ls o f t w a r e ，p a r a m e t e r sm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t so fh p dc o o l i n gs y s t e m s w e r ed e t e r m i n e da n dt h ec o o l i n gs y s t e m sa d a p t a b i l i t yt ot h ee n v i r o n m e n tw a sa n a l y z e d a c c o r d i n gt oac e r t a i nt y p eo fe n g i n ec o o l i n gs y s t e m ，s i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n sw e r e c a r r i e do u t t h ea g r e e m e n to ft h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w s t h a tt h es i m u l a t i o np l a t f o r mf o rt h ec o o l i n gs y s t e mi sc r e d i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y k e y w o r d s ：h i g hp o w e rd e n s i t ye n g i n e ；c o o l i n gs y s t e m ；s i m u l a t i o n ；g t - c o o l c i a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：南i 伤 签字醐：峒引胡f 1 日 导师签名：暗孚参 导师签名：i 下j 。 签字日期：2 7 一年，2 ，月扩日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名。南l 恬 签字日期： 跏1 年协月7 1 日 致谢 本学位论文是在徐宇工教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、方案论证、 研究内容和方法的确立，直到论文结构编排的整个过程，都倾注了导师大量的心 血。导师渊博丰厚的学识、严谨科学的治学态度、启发诱导式的指导方式以及对 人对事极负责任的态度，都使作者终生受益。两年半来，导师不仅在科研、学业 上给作者提出了殷切的期望和严格的要求，而且在生活上给予了极大的关心和帮 助。作者跟导师不仅学到了丰富的专业知识，而且学会了如何思考问题，如何开 展科研工作，如何做人。在此论文收稿之际，谨向导师表示深深的敬意和衷心的 感谢! 特别感谢乔国辉同学，在论文的整个实施期间，乔国辉同学都给予作者很多 具体细致的指导工作和帮助。向乔国辉同学表示诚挚的感谢! 在程序编制过程中，王元同学耐心地和作者进行了一些具体细节的讨论，给 作者以很大的帮助。作者在此向她表示诚挚的谢意l 在论文的完成过程中，还得到了实验室王灵芝师姐、郭冬冬师弟和戴鑫鑫师 妹的大力帮助和支持，在与他们的每一次交流中，都使作者受益匪浅。向他们表 示感谢! 感谢北京交通大学曾给予作者关怀、指导和帮助的各位老师。感谢机电研0 5 0 2 班全体同学，特别是同宿舍的各位兄弟。他们和作者共同营造了良好的学习和生 活环境，他们在学习、生活等各方面都曾给予作者极大的帮助和支持。作者向他 们表示由衷的感谢和良好的祝愿! 最后，感谢我的家人，是他们的理解和支持使得我能够在学校专心完成我的 学业。 1 绪论 1 1 选题的背景和意义 二次世界大战以后，由于东西方两大阵营的军备竞赛，使各国主战坦克的发 展进入了“黄金时期”。战后到2 0 世纪踯年代，各主战坦克生产国先后研制了三 代主战坦克并装备了部队，在海湾、科索沃、阿富汗、伊拉克等局部战争中，都 有一些先进的三代主战坦克投入实战使用，并发挥了决定性的作用。 目前，世界各国根据对未来战争的预测和各自的国情，对未来坦克f 或称战斗 系统) 及其动力的发展提出了各种不同的见解，确定了自己的发展计划，并开始付 诸实施。其中的共同点是：为适应未来立体战争需要，坦克将不再向大吨位方向 继续发展1 1 , 2 。 未来坦克与现役的三代主战坦克相比，体积和质量将会有不同程度的下降， 为获得更高的机动性，坦克的单位质量功率将会有较大幅度的增加，动力的功率 会随着坦克吨位的下降幅度或保持现有水平，或有所下降，但其下降的幅度远比 坦克吨位的下降幅度小得多，这将对坦克动力的功率密度要求上升到一个新的水 平。主战坦克既需要降低吨位提高机动性，又需要提高战场生存能力有效打击敌 人，两者之间形成了突出的矛盾，而研制先进的高功率密度( h i g hp o w e rd e n s i t y ， 简称h p d ) 发动机则是解决这一矛盾的关键1 3 ，4 】。因此，h p d 发动机已成为各国研 制的重点。 一般而言，坦克发动机体积的2 2 左右被发动机的冷却系统所占用【5 l 。因此， 研制体积小、重量轻的冷却系统对于缩小坦克外形尺寸、减轻坦克战斗全重具有 至关重要的意义。尤其是随着数字化立体作战体系的形成，对未来坦克的机动性 提出了更高的要求，更加促进了新一代高效率、高紧凑性冷却系统的研制【6 1 。 结合我国国情来讲，积极探索和研究h p d 发动机的冷却系统同样具有至关重 要的现实意义和长远的战略意义，h p d 发动机冷却系统研究成果的应用前景也将 十分广阔。一方面可以利用h p d 发动机冷却系统研究成果实现对现有坦克装备的 冷却系统进行改进，提高冷却效率，改善发动机工作性能，保证坦克车辆更加安 全、可靠地工作；另一方面可以为新型动力冷却系统工程研制奠定坚实的技术基 础，以满足未来轻量化、高机动突击坦克对冷却系统的需求，解决我国陆军装备 的瓶颈问题。此外，还可以实现高新技术成果向民用市场的转化，对现有民用柴 油机冷却系统进行改进。如：可以应用h p d 发动机冷却系统高温冷却技术的研究 成果，把民用柴油机冷却水温提高1 0 ，冷却水吸收的热量将减少6 8 ，机油温 北京交通大学硕士学位论文 升将增加2 3 ( 2 1 5 1 ，这将大大改善燃油的燃烧环境和减少摩擦阻力，既节约了燃料 又减少了功率损耗，同时也可改善尾气排放对大气环境的污染。 长期以来，对发动机冷却系统所采取的计算方法通常是类比试算法嘲。即根据 设计要求，参考一些较成熟的设计，凭借经验和理论判断来选取设计参数，然后 进行必要的校核计算。如果参数选择不当，则需调整参数，修改设计，如此多次 反复，直到最后满足设计要求为止这种方法不仅让设计人员把大量的时间和精 力消耗于繁重的计算中，而且所得结果往往只是一个认可的方案。一旦设计出产 品，再进行改进就很困难，既浪费入力资源又浪费物力资源。 随着计算机技术的高速发展及其应用的普及，计算机辅助设计已广泛地应用 到各个领域。采用数字化设计手段进行发动机冷却系统的研制开发是改善上述情 况的有效手段。不仅有利于提高设计质量，而且能够缩短研制时闻和降低研制成 本因此，实现发动机冷却系统数字化设计具有十分明显的学术价值和应用价值 但是，迄今为止国内有关具有工程意义的工作系统数字化设计的研究工作尚很少 见，对于发动机冷却系统的数字化设计研究更是鲜有见著r ”。 本文以发动机冷却系统为研究对象，建立了针对这一系统的仿真计算平台， 该仿真计算平台涉及到发动机冷却系统研究设计过程中的理论计算、工作原理的 研究与改进、仿真计算、性能预测分析、部件工程选型和数据存储利用等内容， 较大程度地覆盖了发动机冷却系统在研究设计过程中所涉及到的问题，并对其中 的关键问题进行了研究和分析，该发动机冷却系统的仿真计算平台极具先期研究 的价值。同时，本文以h p d 发动机冷却系统作为具体研究对象，对其进行仿真计 算与性能预测分析。希望透过本文研究能为未来h p d 发动机冷却系统具体方案的 确定提供参考；为未来h p d 发动机冷却系统的设计提供合理的设计参数；为未来 h p d 发动机冷却系统的研制提供方便快捷的模拟计算平台：为未来h p d 发动机冷 却系统优化匹配和部件选型提供依据和帮助。 1 2 冷却系统的历史、现状及发展趋势 1 2 ，1冷却系统的发展历史 冷却系统的发展经历了自然冷却系和强制冷却系两大阶段。自然冷却系，是 利用冷却液的自然对流，实现冷却液的循环，从而适度地对发动机实现冷却的系 统。这种冷却系的循环强度小，不易保证发动机有足够的冷却强度，只适用于小 排量的汽车发动机使用。强制冷却系，是利用水泵等强制手段使冷却液在冷却系 中进行循环流动，从而使发动机得到适度地冷却，这种冷却系能使冷却液从发动 2 机外吸入并加压，使冷却液将发动机的燃烧热量均匀地吸收并带到散热器，通过 风扇引起的空气流动将热量散走。这种冷却系可以保证发动机有足够的冷却强度， 目前应用比较广泛。同时，强制冷却系又分为开式强制冷却系和闭式强制冷却系。 散热器上的加水口，平时用盖严密盖住，以防冷却液溅出，但如果冷却系中蒸汽 过多，将使冷却系内压力过大，可能导致系统漏水或散热器破裂。因此，必须在 加水口处设置排出水蒸汽的通道，若冷却系由此通道与大气相通，称为开式强制 冷却系。这种冷却系易使冷却液溢失和蒸发逸出。目前汽车多用闭式强制冷却系， 这种冷却系的散热器盖具有自动阀门，发动机正常工作时，阀门关闭，冷却系与 外界隔开，防止蒸汽逸出，保证冷却系内的压力稍高于大气压力，从而增高冷却 液的沸点，这一性能对于在热带和高原地区行驶的汽车尤为有利。在冷却系内压 力过高或过低时，自动阀门则开启，以使冷却系与大气相通，保证系统安全工作。 闭式冷却系又分为闭环式冷却系和半闭环式冷却系，半闭环式冷却系是自动阀门 在高压的作用下打开后，逸出的水蒸汽或冷却液直接排入大气，不予回收的冷却 系，这种冷却系在高温、高原等地区使用时，也经常会造成冷却系亏水；闭环式， 冷却系是当自动阀门在高压的作用下打开后，逸出的水蒸汽或冷却液进入一个补 偿容器内，这个容器会将水蒸汽液化。当车辆停止工作或负荷较正常时，冷却系 内压力低于大气压时，补偿容器内的冷却液会进入冷却系内作补偿。闭环式冷却t 系使冷却液几乎不散失。 1 2 2国外研究现状 近年来，国外在发动机冷却系统改进方面作了大量研究工作，其中包括：研 制高效散热器、采用高温冷却技术、增大工质的对数平均温差、采用高效风扇形 式、改进冷却通路的布置方式等1 8 j 。 日本从提高传热的观点出发，积极开展带“百叶窗”散热器的研究工作。该 散热器优点在于随着边界层的发展，其局部传热系数不是向下游方向降低，而是 仍能维持很高的水平。这种散热片具有较高的换热系数，美国和日本己普遍使用1 9 l 。 苏联从2 t 3 1 1 6 m 和t 3 1 1 7 0 型柴油机起，在所有国产中等功率和大功率柴油机 上都采用了高温冷却技术。美国g e 公司提供给我国的n d 5 型柴油机出口温度最 大允许为1 1 5 ，机油出口最大允许温度为1 2 1 c 1 1 0 l 。在d a s h 7 和d a s h 一8 系列柴 油机上也采用了高温冷却技术。提高冷却水温不仅能提高传热能力而且还在很大 程度上决定着传入冷却系统的热量。研究表明：冷却水温每提高1 0 c ，冷却水从 柴油机带走的热量将减少8 - 1 0 。在润滑油品质得到保证及运动副之自j 密封允许 的情况下，润滑油温度每上升1 0 c ，向机油的散热将减少3 - 4 。油的黏度降低， 3 北京交通大学硕士学位论文 润滑性好，大大降低了摩擦系数，活塞相对于气缸套、曲轴轴承的摩擦功率下降。 因此，冷却水温可以适当提高，资料表明冷却水温提高到1 2 0 1 2 是比较合理的，最 大不超过1 4 0 c 1 5 , “j 。 美国在发动机冷却系统改进方面进行了大量的研究与试验，为了在空间十分 狭小的情况下散掉发动机和传动系产生的大量热量，美匡提出在发动机冷却系统 设计过程中，一方面尽可能提高散热器内冷却液的进、出口温差；另一方面在冷 却装置中安装两个并联的环形散热器，从离心式风扇进来的冷却空气穿过环形散 热器的外缘后，再转到内侧，通过增加散热面积来提高散热效果【1 2 1 。 德国在发动机研究领域处于世界领先地位，m t u 公司研制的m t u 8 8 0 系列柴 油机及新型m t u 8 9 0 柴油机就是先进h p d 发动机的成功范例。其冷却系统采用了 高温冷却技术，该技术主要包括高温润滑油技术、高低温双循环回路冷却系统、 热管散热技术等。这一概念使散热器的尺寸大为减小，并允许发动机下游冷却液 温度高达1 3 0 c ，提高了发动机的温度均衡能力，减少了流入冷却液的热量，改善 了发动机燃烧环境【4 t 1 3 1 1 2 3国内研究现状 国内在冷却系统研究方面可以从军用和民用两方面讨论。在军用方面，研究 的重点是装甲车辆的冷却系统。我国坦克装甲车辆冷却系统的发展，基本经历了 两个阶段：第一阶段是简单的冷却系统设计( 只包括散热器和风扇) ；第二阶段是 大功率发动机冷却系统设计。经过几十年的努力，现如今三代坦克的冷却技术已 达到了发达国家2 0 世纪8 0 年代末的列装水平，已不再是最简单的设计，而是发 展到了能够进行相当复杂设计( 包括水散热器、油散热器、水泵、油泵等) 的阶 段。我国三代坦克的冷却系统仍存在体积大、功率消耗大、效率低等不足之处。 对此提出了双泵双循环的冷却系统方案，其体积小、效率高的特点正受到越来越 多的国内外设计者的关注f 矧。现在双泵双循环方案在国外已较为普及，如t b d 柴 油机就是采用双泵双循环冷却方案的一个较为典型的例子。国内也正对此冷却方 式进行研究，如：中国北方发动机研究所针对大功率发动机正对双泵双循环冷却 方式进行研究；内蒙古一机厂针对大功率柴油机冷却系统研制的工作重点也是解 决大功率发动机及其传动装置的冷却问题1 5 。 在民用方面，研究的重点一般集中在冷却系统的部件( 如风扇、教热器等) 效率性能的提高。如长春汽车研究所对散热器和冷却风扇进行了研究，北京汽车 工业技术丌发中心对冷却风扇进行了研究。冷却系统的驱动装置也逐渐被改进。 传统冷却系统中，风扇和水泵一起由曲轴皮带轮通过v 型皮带以定传动比驱动， 4 风扇系统常按最大热负荷工况设计。这种驱动方式使发动机启动转矩大，预热时 间长，冷却不合理，车辆在低转速、高负荷时散热不足而在高速低负荷时冷却过 度。冷却系统在冷却发动机的同时还担负着对润滑系统、空调散热系统、液压系 统等的冷却，风扇的安装位置受限，同时也就限制了散热器的安装位置。国内外 发动机冷却风扇驱动系统研究主要集中在离合式风扇、电动冷却式风扇、液压驱 动式风扇等几方面。其中，液压驱动式风扇冷却系统正在成为冷却设计中的一种 新方法【1 6 i 切。 在发动机冷却系统研究设计过程中，由于冷却系统结构复杂了，不仅要考虑 每个部件，而且要考虑部件间的相互影响。南京理工大学王玉林在车辆热系统 模型分析与设计方法一文中i 埔】，不仅考虑了冷却系统，同时还考虑了空调系统， 建立了车辆模型、发动机模型、传动装置模型、冷却系统模型、空调系统模型。 综合考虑太阳、天空和地面背景的辐射传热、环境的对流换热、舱室壁面的导热、 舱室壁面与舱室内空气的对流换热、发动机的散热、舱室内表面之间相互的辐射 换热、舱室内热源( 如人员、电子仪器设备、空调装置等) 散热以及空气通风换 热，建立了一维瞬态温度场的计算模型，并用内节点的隐式有限差分法进行数值 求解，最终的求解结果更加符合实际情况。 1 2 4冷却系统的发展趋势 近年来国内外为了满足动力系统的冷却要求并降低冷却系统的功率消耗采 取了许多有效措施。根据己知的理论和试验研究，冷却系统的主要改进方向有以 下五个方面： ( 1 ) 研制具有最佳传热性能( 即最大传热系数足) 、空气动力学特性( 最小空 气阻力a p ) 、几何参数( 最大有效传热面积爿) 等指标的商效散热器1 1 9 1 。 ( 2 ) 通过提高传热介质和冷却空气的温差来增大传热的对数平均温差，从而减 少散热器体积和冷却装置的重量，降低有色金属消耗和冷却风扇的功率。提高传 热介质温度除了可以使冷却装置直接受益外，还可以提高柴油机的热效率和机械 效率。因为传热介质温度提高后，有利于改善柴油机的燃烧( 尤其是在部分负荷 工况下) ，同时也提高了润滑油膜的温度，减少了机械摩擦阻力和摩擦功耗，在一 定程度上提高了柴油机的机械效率例。 ( 3 ) 采用高效的风扇形式。近年来，混流式风扇( 亦称斜流式风扇) 应用较广 泛。它是介于离心式风扇和轴流式风扇之间的一种风机形式，兼有轴流风扇大流 量系数、高效率及离心风扇高压力系数、工作范围广的优点。同时，混流式风扇 在比转速1 和2 4 范围内有低噪声特性【2 。另外，积极研制坦克冷却系统专用通风 5 北京交通大学硕士学位论文 装置，以使冷却风扇及其传动装置在所有风量调节范围内都有较高的效率。 ( 4 ) 通过采用具有合理的几何参数关系的新式布冕来改进气水通路的空气动 力学特性。国外一些公司的研究表明，用加压式冷却装置代替传统的吸入式冷却 装置可以获得较好的效果。例如：德国在研制单节功率3 帖3 8 k w 的柴油机时， 设计和试用了两种冷却装置：吸入循环式和加压循环式。结果表明：加压循环式 冷却系统较前者的冷却表面减小了2 5 ，所需功率降低了3 3 1 2 2 1 。 ( 5 ) 目前，国外正在大力推行装甲车辆先进整体式推进系统1 1 驯( a d v a n c e d i n t e g r a t e dp r o p u l s i o ns y s t e m s ，简称a i p s ) 的研究，以使动力系统更加紧凑，占用 空间小、可以整体拆装，有效地提高坦克装甲车辆的机动性能及可维修性能。而 发动机冷却系统占整个发动机2 2 左右的体积，风扇消耗的功率占整个发动机功 率的1 0 左右在这个意义上，a i p s 的研究重点偏向于以冷却系统为核心的整体 结构设计，对冷却部件进行选取、匹配、空间布置一体化设计，使得整个坦克的 功率大、体积小、散热能力强，同时又能体现结构紧凑，便于在装备、维护时达 到整体拆装的总体性能。 1 2 5存在的问题 在当今日益重视环境保护、提倡节能和舒适性的情况下，发动机的结构、性 能和车辆整体性能都有很大的发展，冷却系统作为发动机的重要辅助系统，也正 朝着轻型化、紧凑化和智能化的方向发展【埘。冷却系统的冷却效果是否好，功率 消耗是否低，可以从如下三个方面来衡量：一是发动机本身结构的合理性，是否 能在保证发动机可靠性与性能的前提下，尽可能减少对散热的要求，包括发动机 冷却水套的结构，冷却气流的通风条件，排气管的安装位置等；二是冷却系统各 部件选型设计是否效率高，研究工作包括散热器结构的改进，水泵叶片结构的改 进，风扇效率的提高等；三是冷却系统各部件间的匹配是否合理。前两类工作的 意义是无可置疑的，国内外学者在这方面己付出了艰辛的劳动并获得了成果，然 而第三类工作由于难度大，进行全面实用性研究的人很少，而这部分恰恰对冷却 系统性能具有很大影响【1 0 , 2 4 1 。 车用发动机的冷却问题，不仅仅是发动机本身及各部件的设计问题，即使上 述两方面设计的非常完善，如果各部件匹配不合理，同样不能取得较好的冷却效 果。匹配问题包括两大类：一是冷却系统各主要部件性能参数及结构参数间的匹 配。这些参数包括风扇流量、水泵流量、散热器芯子厚度和翅片间距掣2 5 , 2 6 。比 如说：衡量散热器性能好坏的是散热系数k 的大小，而k 大小又与空气流量、水 泵流量以及散热器结构有关。当散热器结构一定时，随着风量和水流量变大，k 6 值会增加，散热效果变好；但相应的空气阻力、水流阻力也会增加，因而消耗功 率也将加大。另外，如果散热器芯子厚度、翅片间距改变，那么风阻大小、传热 面积大小也都将随之改变，散热效果也将会受到影响网。 匹配问题的第二类是冷却系统各部件结构设计与整体布置上的合理匹配。例 如：风扇叶轮前后的流动情况在发动机上与不在发动机上大不一样，另外还要考 虑风扇与风罩的间隙大小，间隙较大将会造成流动损失增加，以及风扇是设计成 吹风式还是吸风式等各种因素。 因此在设计冷却系统时必须寻求它们之间的合理匹配。传统上，对于一辆新 车，冷却系统的设计是根据相似车辆积累的经验进行的。选择主要的冷却设备安 装在车上，然后不断重复试验、调整，直到冷却性能满足运行要求。在这种传统 的设计方法中，有若干热力参数和技术参数是在一定的经验范围内来选择，这些 范围是人们长期设计经验和综合各方面因素的总结，有一定的道理【捌。但是影响 这些参数的因素相当复杂。它不仅受到设计要求、换热元件特性( 阻力特性、热 力特性、几何特性) 确定因素的影响，而且还受待定参数相互之阃甚至人为因素 等不确定因素的影响。如果参数选择不当，则调整参数，修改设计，如此多次反 复，直到最后满足设计要求为止。这种方法不仅让设计人员把大量的时间和精力 消耗于繁重的计算中，而且所得结果往往只是一个认可的方案，并不一定是最终 确定的方案。 鉴于上述问题，建立一个方便快捷的发动机冷却系统仿真计算平台是解决问 题的有效途径。既可以对发动机冷却系统各部件进行结构设计又可以对各部件间 的匹配性能进行预测分析，根据分析结果可以为冷却系统的改进提供依据和参考。 1 3 主要研究内容和方法 本文将建立一个方便快捷的发动机冷却系统仿真计算平台，该仿真计算平台 包括发动机冷却系统仿真计算数据处理软件和仿真计算分析两部分内容。主要涉 及发动机冷却系统研究设计的参数计算、工作原理的研究与改进、仿真计算、性 能预测分析、部件工程选型和数据存储利用等内容，旨在为发动机冷却系统的研 究和设计提供方便快捷的计算平台。 本文以h p d 发动机为具体研究对象，对其冷却系统工作原理进行研究与改进， 应用g t - c o o l 软件对其进行仿真计算模拟与性能预测分析，确定满足h p d 发动 机冷却要求的性能参数组合，为未来h p d 发动机冷却系统的研究设计及部件选型 提供依据和参考。并对某相似机型的冷却系统进行仿真计算，通过仿真计算结果 与试验实测数据进行对比，验证应用该仿真计算平台进行冷却系统性能预测分析 7 北京交通大学硕士学位论文 的准确性与可信性。 为此，本文傲了如下工作： ( 1 ) 开发发动机冷却系统仿真计算数据处理软件 本文应用v b 语言开发发动机冷却系统仿真计算数据处理软件，该软件主要包 括针对计算数据进行前、后处理的四个模块：发动机热平衡计算模块、部件计算 选型与工程选型模块、冷却系统评价模块和数据管理模块。 ( 2 ) 应用发动机冷却系统仿真计算数据处理软件和g t - c o o l 软件，对h p d 发动机冷却系统进行仿真计算与分析。 h p d 发动机热平衡分析研究与估算 本文对h p d 发动机燃油燃烧产生热量的主要去向进行分折，并对各主要部件 散走的热量进行估算。根据发动机热平衡计算结果确定冷却系统的主要参数，如 水泵流量，发动机冷却液进、出口温度、冷却风量和散热器散热量等，为仿真计 算模型提供必要的输入参数。 h id 发动机冷却系统的方案研究 本文从h p d 发动机冷却系统的基本工作原理图入手，针对采用高低温双循环 回路冷却技术和高温冷却技术的冷却系统方案开展了系统研究。 h p d 发动机冷却系统的仿真计算与分析 应用g t - c o o l 软件建立h p d 发动机冷却系统一维仿真计算模型，在发动机 额定工况条件下，对其冷却系统进行仿真计算与性能预测分析，并与某相似机型 的冷却系统进行性能对比。 环境温度对h p d 发动机冷却系统工作的影响 针对h p d 发动机在不同工作环境条件下，对其冷却系统进行性能分析，探讨 采用高温冷却技术之后，冷却系统对环境的适应性。 验证发动机冷却系统仿真计算平台的可信性 对某机型的冷却系统进行仿真计算，通过仿真计算结果与试验所测数据进行 对比，验证该仿真计算平台对冷却系统进行仿真计算与性能预测分析的可信性和 可靠性。 8 发动机冷却系统的总体方案研究 2 发动机冷却系统的总体方案研究 冷却系统的功用是使发动机和传动装置获得可靠和有效工作的热状态。保证 发动机和传动装置在各种不同的环境温度和运转工况下都能具有最佳的热状态， 既不过热，也不过冷；既有良好的动力性和经济性，又有良好的工作可靠性【5 1 。 2 1 发动机冷却系统总体设计要求及对冷却装置的基本要求 在冷却系统设计初期，首先要根据冷却系统的总体设计要求和对冷却装置的 基本要求来研究设计较为合理的冷却系统工作原理图。使得该冷却系统能够控制 车辆各主要零部件的温度，保持各主要摩擦件之间的配合间隙和充气系数，保证 机油的粘度指标和润滑性能，最终保障车辆能够高效、持久、可靠地运行。 ( 1 ) 系统总体设计要求 2 9 1 冷却系统应具有足够的冷却能力，保证发动机在所有工况下冷却液温度不 高于发动机要求的许用值； 冷却系统应能在规定的时间内排除系统内的空气； 冷却系统设计应留有膨胀空间，其容积占系统容积的比例应满足发动机安 装。当系统总容量 2 0l 时，膨胀水箱容积应大于系统总容量的2 0 ： 冷却系统的加水速率、初次加注量应满足发动机厂家推荐要求； 发动机高怠速运转，散热器或冷却系统加水盖打开，水泵进口为正压： 冷却系统应有一定的缺水工作能力，缺水量应满足发动机厂家推荐值； 冷却系统应有防腐功能。 ( 2 ) 对冷却装置的基本要求0 0 l 对发动机冷却装置，尤其是对大功率发动机的冷却装置应从结构、能耗、工 艺和运行各方面提出一系列的要求。 冷却装置结构紧凑，尺寸小、质量轻； 在冷却系统中布置合理，便于安装、拆卸和监测； 结构符合系列化要求； 尽量采用普通金属及非金属材料，降低有色金属消耗量； 在各种气候条件下，冷却装置应保证冷却系统各部件在正常热负荷状态下 可靠地工作； 冷却装置能保证柴油机在正常水温条件下工作，以便使平均实际燃油消耗 率和冷却风扇消耗的功率达到最低限度； 9 北京交通大学硕士学位论文 散热器的空气进气装置应具备良好的空气动力学性能和合理的结构形式； 散热器应避免受柴油机排出废气的污染； 采用空气动力学性能及传热性能良好并易于车体上布置的高效散热器。 2 2 发动机冷却系统工作原理图的确定 现如今，汽车、拖拉机和军用履带车辆，普遍采用水冷型冷却系统，部分军 用轮式战斗车辆、豪华大型客运车辆及部分工程车辆采用风冷型冷却系统瓯1 5 l 。下 面就本文主要研究的水冷却系统进行详细介绍。 水冷却系统主要包括：散热器、增压中冷器( 增压型柴油机) 、各类油水换热 器、水泵、风扇、膨胀水箱和调温器等部件，是目前世界上使用最广泛的冷却系 统。其基本工作原理是：水泵一发动机水套一各类油水换热器一散热器一水泵。 冷却水由水泵驱动，进行强制循环流动，构成一个封闭的水循环系统。 在对冷却系统工作原理图研究确定过程中，应重点考虑以下几个方面【5 ，1 5 ) 1 j 2 l ： ( 1 ) 循环水路 目前水冷却系统主要采用以下三种循环水路；独立循环水路系统、单循环水 路系统和双循环水路系统。 独立循环水系统 独立循环水系统是指柴油机冷却水、润滑油和增压空气冷却水分别有各自独 立的循环水路系统，每个系统要设置一台水泵。 单循环水系统 在单循环水路系统中，柴油机、油水抉热器和中冷器合用一个循环水路。它 的水循环回路为：水泵一发动机进水总管一气缸套、气缸盖水套一发动机出水总 管一散热器一中冷器一油水换热器一水泵。该系统示意图如图2 - 1 所示。 图各1 单循环水路系统 1 发动机；2 - 中冷器；3 - 散热器；4 - 油水换热器； 5 - 水脚；6 机油泵；7 水泵。 发动机冷却系统的总体方案研究 双循环水路系统 在该系统中发动机冷却水为一循环水路，称为主循环水路或高温水循环回路， 而各类油的油水换热器与中冷器的冷却水为另一循环水路，称为次循环水路或低 温水循环回路。在两个循环中各有一个水泵，称为高温水泵和低温水泵。 高温冷却系统主要用于发动机的冷却，它的冷却水循环回路为：高温水泵一 发动机进水总管一气缸套、气缸盖水套一发动机出水总管一散热器一高温水泵。 低温冷却系统主要用于增压空气和机油的冷却，它的冷却水循环回路为：低 温水泵一中冷器一油水换热器一低温水泵。该系统示意图如图2 - 2 所示。 图2 2 双循环水路系统 1 发动机：2 中冷器：3 一敞热器；4 低温水泵； 5 油水换热器；6 - 高温水泵：7 一机油泵。 ( 2 ) 水系的封闭性 水系分为开式和闭式两种。 开式水循环系统 开式水循环系统是指整个冷却水系统不承受附加压力，水系统中残存气体由 膨胀水箱排往大气中。开式水循环系统允许的最高水温不得超过8 t c 。 闭式水循环系统 闭式水循环系统是指给封闭的水循环系统施加一定的压力，可使水的沸点有 所提高。若系统附加压力为0 0 4 m p a ，水的沸点为1 0 9 1 2 ；附加压力为0 2 5 m p a ， 水的沸点则为1 4 0 。由于水的沸点的提高，闭式系统中最高允许的水温可从8 7 提高到1 4 0 。 闭式水系与开式水系的主要区别，就是水系与外界大气不相通，由蒸汽活门 保持系统所需要的高于当地大气压的系统压力，水系内水的沸腾温度可以达到 1 0 0 c ，通常打1 0 5 ；1 2 5 c ，最高可以达1 3 5 1 2 。对于有膨胀水箱的闭式水系，最 高压力位于膨胀水箱的上部；对于没有膨胀水箱的闭式水系，其最高压力位于加 水口处。所有闭式水系的最低压力点都在水泵的进口处。 闭式水系的优点：一是可以减少冷却水从发动机吸收的热量，从而改善发动 1 1 北京交通大学硕士学位论文 机的工作过程，提高经济性；二是由于提高了冷却水与冷却空气之间的温度差， 因而可以减小散热器的体积和质量，减小风扇消耗的功率：三是系统内压力提高， 对抑制气囊的产生有一定的作用，故系统可靠。闭式水系的缺点：结构复杂，水 系内的压力较高，因而提高了部件承压以及水管接头处的密封与紧固等方面的要 求，也相应地提高了制造成本。 自动调节水温功能 自动调节水温的作用是随发动机负荷和水温的大小而自动改变冷却水的流量 和循环路线。保证发动机在适宜的温度条件下工作，减少燃料消耗和机件的磨损 同时，在发动机处于“冷启动”状态时能够保障发动机迅速升温。 在发动机冷却系统研究设计初期。首先要根据系统散热量、工作环境等因素， 选择一个合理的冷却系统循环回路、水系封闭性和各部件在冷却系统的位置布置， 确定一个较为合理的冷却系统工作原理图。在此基础上，利用前人成熟的设计理 论，进行参数理论推导和计算，对该冷却系统进行仿真计算与性能预测分析，经 专家论证与分析，再制造样机进行试验验证，最终确定冷却系统的工作原理图。 2 3 发动机冷却系统部件选型与设计 2 3 1散热器 ( 1 ) 散热器的选型与设计 散热器的选型 确定冷却系统散热量后，在选择风扇直径之前，首先要完成散热器的设计或 选型。影响敬热器设计和选型的主要因素是车辆的安装空间，其次是气流阻力、 冷却液的流速及其成本1 3 3 l 。 为充分利用所提供的安装空间，散热器应该具有最大迎风面积和由尽可能簿 的芯子组合起来。从迎风面形状而言，近似正方形芯子的散热器具有被风扇扫掠 可获得最大的通风面积，且获得最均匀的各点气流速度。芯子厚度增加，管子排 数和气流阻力也随之增加，单位铜( 或铝) 消耗量的冷却效果也随之下降，且易 被灰尘和污物堵塞。 散热片的密度也是散热器选型的重要因素。在给定的通过芯子的质量风速条 件下，散热片过密虽然使散热器面积增加、散热量上升，但会增加气流阻力而减 小空气流量，且易被污物和灰沙堵塞，难以清理。车用柴油机必须考虑制造成本 和使用经济性等因素，根据使用条件来选取合适的密度。经验推荐散热片片距约 为0 2 - 3 6 m m ，工作环境多灰沙时选上限【3 3 】。 发动机冷却系统的总体方案研究 目前，车辆上常用的散热器为管式散热器，主要有管片式和管带式两种瞰州。 管片式散热器的芯体主要由主板、水管、散热片等组成。散热管是焊在进出水室 的直管，作为冷却水的通道，如图2 - 3 所示。散热管有扁管和圆管两种，如图2 _ 4 所示。扁管式应用广泛，因为在同样的横截面积条件下，扁管的周界长、散热面 积大、气流阻力小，且冰冻时有膨胀余地，减少冻裂的危险，管外加焊散热片可 以增加散热面积和提高刚度。铝散热器芯多为圆管，在散热器的外表面焊有散热 片，散热片是厚度为o 6 - i 2 m 的铜带。在散热片上，按水管的截面形状和尺寸， 并以一定的排列形式冲孔，再将它串套在水管上，然后在一定的温度下进行整体 焊接便构成芯体，不仅增加散热面积，增强散热能力，同时还增加了散热器的刚 度及强度。管片式散热器芯体的优点是散热面积大、气流阻力小、结构刚度好及 承压能力强( 刚性好) 等；缺点是工艺复杂，比管带式的传热能力略低， 管带式散热器的芯体，由水管( 散热管) 和翅片( 波形散热带) 逐层叠放， 然后整体焊接而成，如图2 - 5 所示。管带式散热器的优缺点与管片式散热器正好相 反：管带式的散热能力强，制造简单，质量轻，成本低，但结构刚度差。管带式 散热器从6 0 年代开始大量发展，至今已得到广泛应用。我国主战坦克、步兵战车 以及“红旗”、“奥迪”等型号的轿车上采用的都是管带式散热器。 辍 ； 。? ! “；蕊躐 ； i ；n ， 2 5 4 - 5 0 8 0 3 6 5 0 8 - 6 1 0 o 5 4 6 1 0 一7 6 2 0 7 2 7 6 2 9 1 4 1 9 1 4 - 1 0 6 7 2 0 l 时，膨胀水箱容积应大于系统总容量的2 0 。 ( 5 ) 冷却系统在冬季应能保证发动机自行加温冷却水到坦克起步时所需温度 的时间最短。 ( 6 ) 散热器的进气装置应具备良好的空气动力学性能和合理的结构形式。 ( 7 ) 采用空气动力学性能及传热性能良好并易于布置的高效散热器。 4 l 北京交通大学硕士学位论文 5 3i - i p d 发动机冷却系统工作原理研究 日前，国内常用的发动机冷却系统，主要采用单循环回路，根据是否有膨胀 水箱和膨胀水箱在水系中采用串联还是并联、以及膨胀水箱和散热器在水系中的 不同位置，可以排出多种不同方案纠，如图孓1 所示。 图5 1 0 ) 所示水系中无膨胀水箱。圈5 1 ( b ) 的水系有膨胀水箱，串联，永先经 散热器冷却后，再流入膨胀水箱，散热器在水泵的出水线上、发动机之后。图5 - 1 有膨胀水箱，串联，水直接流入膨胀水箱，散热器位于水泵的出水线上，发动机 之前。图5 - 1 ( d ) ，有膨胀水箱，并联，冷却水经散热器冷却后，主流水不流入膨胀 水箱而直接进入水泵。图5 1 水系有膨胀水箱，并联，永从发动机出来后，直接 流入膨胀水箱：散热器设置在水泵的进水线上。图5 x ( 0 水系有膨胀水箱。并联， 主流水不进入膨胀水箱。 图5 - 1 闭式水系的结构形式 1 水泵：2 发动机；3 蒸汽空气活门；4 - 调温器；5 敢热器：6 膨胀水箱 a 膨胀水箱下底面出水口；b - 水泵进水口；蒸汽管线。 对图5 - 1 中的发动机冷却系统各结构方案进行分析。为了叙述方便，将方案分 别编号为( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 、( c ) 、( f ) 。 观察一个水系，主要关注两点： ( 1 ) 水系内的最高压力。水系最高压力的确定，主要取决于发动机设计时所规 定的最高处水温度、发动机许可工作的海拔高度及水系防气蚀压力的要求，并与 水系的组成有一定的关系。在水系中，强度的薄弱环节，首先是散热器水管的锡 h p d 发动机冷却系统的方案研究与确定 焊焊缝，其次是水管与端板的焊接处以及管路接头处的连接与密封。如果系内压 力很高，势必降低系统的可靠性，同时也增加对水系强度的要求，随之也就加重 了工艺、成本和维护保养方面的负担。正因为如此，在采用闭式水系的现代军用 与民用车辆上，一般都把散热器接在水泵的进水线上，如图5 - 1 ( a ) 、( d ) 、( c ) 、。 而图5 1 ( c ) 把散热器直接接在水泵的出水口，这时，散热器内的压力最高。所以， 这一方案一般不被推荐使用。但是，当水泵扬程低于2 5 b a x 时，散热器可以直接 接在水泵的出水口处，这样更有利于整车内部的结构布局，国外许多柴油机制造 厂商均采用此类冷却系统。 ( 2 ) 水系的压力调节与防气蚀能力。分析这个问题的方法，是对每个方案进行 具体计算，然后加以比较。由于系内的压力最低点在水泵进水线上，因此只要水 泵进水线上的防气蚀压力得到满足，系统就能稳定工作。所以，通常只对水泵进 口处的防气蚀压力进行计算( 或校核) 。图5 1 ( a ) c p 没有膨胀水箱，系统就没有压力 调节功能；图5 1 ( c ) 因散热器的位置不合理，致使散热器内的压力偏高，属于被淘 汰的方案；而图5 - 1 ( d ) 与结构相似。所以，只有图5 - 1 ( b ) 、( d 、( 0 - - 个方案可资 比较。 水泵进口处的压力及水的饱和压力，因散热器和膨胀水箱不同的连接方式和 接在不同的位置而