（动力机械及工程专业论文）摩托车水冷系统优化研究.pdf

摘要 随着水冷技术在大中排量摩托车上的应用逐渐成熟以及发动机性能的不断 提高，在中小排量摩托车发动机冷却系统中水冷技术也逐步得到了广泛应用。 同时，由于对摩托车轻量化的要求不断提高，水冷系统零部件集成也成为一种 发展趋势，特别是在中小排量摩托车发动机上。水冷系统集成即将散热器、冷 却风扇等零部件均安装在发动机机体上，而不是按传统方式安装在摩托车车架 上，本文研究的就是这样一种冷却系统零部件集成的发动机。 首先，在发动机的冷却过程中，气缸体和气缸头等受热部件的冷却主要靠 水套内冷却水的流动带走热量来实现，所以冷却水套的呤却能力是非常关键的， 它直接影响到发动机的工作可靠性、动力性以及经济性。本文从理论上分析了 水套传热与冷却的基本原理，给出了缸头及缸体水套结构优化设计的原则， 并通过c f d 计算，对某型发动机水套内的流场进行模拟分析计算，获得水套流 场的相关信息，做出冷却效果评价，对于不满足冷却要求的区域，找出具体原 因，提出水套流场改进方案，通过c f d 分析加以对比验证。 其次，散热器是发动机冷却系统的核心部件，散热器的结构形式是影响其 散热能力的重要因素，散热效果的好坏对发动机冷却系统有很大影响。本文从 理论上分析了提高散热器散热能力的途径，对管带式散热器的结构形式及参数 对散热性能的影响进行了对比试验与研究。 最后，本文研究的风扇不同与以往的水冷摩托车发动机电子式轴流风扇， 本文研究的是一种直接安装在发动机曲轴上，转速与发动机相同的离心式风扇， 离心式风扇是将流体从风扇的轴向吸入后利用离心力将流体从圆周方向甩出 去。本文对这种冷却风扇如何提高其冷却能力进行了理论分析和试验验证，并 提出了对其进行试验研究的方法。 关键词：水冷系统，水套c f d ，散热器性能，离心风扇陛能，匹配计算 a b s t r a c t a st h ep e r f 0 衄a n c e o fm o t o r c y c l ee n g i n e i si m p r o v e dc o m i n u a l l y f h e w a t e r c 0 0 1 e dt e c h n i q u eh a sb e e nw i d e l ya p p l i e d i nm i d d l e - , ；m a l ld i s p l a c e m e me n g m e g r a d u a l ly t 1 1 i sp a p e rm a i n l ym a d es o m es t u d y o i lw a t e r - c o o l e ds y s t e mo p t 皿1 z a t l o n o fs m a l lm o t o r c y c l e ， f i r s t l yb a s i cp m c i p l eo ft h e h e a tt r a n s f e ra n dc o o l i n g ) f w a t e rj a c k e t1 8a n a l y z e d i nt h e o w h i c hc a nc o n d u c e t h eo p t i m i z e dd e s i g np r i n c i p l eo fw a t e rj a c k e t 咖c 缸e a l s om es 训撕衄锄l y s l s u i s ft h ew h o l ew a t e rj a c k e t i sp e r f o r m e db yc f d c a l c u l a t i o n s os o m ei n f o 加1 a t i o na b o u t t h ew a t e rj a c k e tf l o wf i e l d s 。c a nb e o b a n l e da s w e ua s 血ee v a l u a t i o no f t h ec o o l i n ge f f e c tc a l lb ei n f e r r e d a n di m p r o v e m e n to t 恤 m o d i f i c a t i o nc a nb ep u tf o 刑a r d e di ft h e r e i ss o m ea r e aw h i c hc a nn o tm e e tc o o l i n g r e q u n m e n t t h e nc o m p a r a t i v ea n a l y s i sc a n b ep e r f o r m e db yc f d c a l c u l a t l o n s e c o n d l v r a d i a t o ri sk e yp a r ti nw a t e rc o o l i n gs y s t e no fe n g i n e ，t h e 咖c t u r e t y p eo fr a d i a t o r i sk e yf a c t o ri nc a p a b i l i t yo fh e a td i s s i p a t i o n w h i c hc 趾h i 曲l y 锄u e n c em ee 虢c to fc o o l i n gs y s t e m a p p r o a c hb yi m p r o v i n gt h ec a p a b i l 啊o f t h e r a d i a t o ri sa n a l y z e di nt h e o r y c o m p a r a t i v ea n a l y s i so f s 仃u c t 叫et ) ，p e 趾dp 盯锄e 甜 o ft u b e a n df i nr a d i a t o ro nh o wt h e yi n f l u e n c et h ec a p a b i l i t y o fh e a td i s s i p a t l o n1 s p e r f o r m e d i nm ee n d ，t h i sp a p e rm a d es o m es t u d yo ni m p r 0 v i n gt h ec a p a b i l i t yo f c o o l i n g f a nw h i c hi sd i r e c t l y i n s t a l l e d0 i ic r a n k s h a f t a l s ot h ee x p e r i m e n td e s i g no ft h e c o o l i n gf a ni sb r i n g f o r w a r d e d k e y w 。r d s ：w a t e r - c 。1 e ds y s t e r n ，w a t e rj a c k e tc f d ，r a d i a t c rc 印a b i l i 吼一c e 嘶m g a l f a np e r f o r m a n c e ，m a t c h i n gc a l c u l a t i o n 第章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 中国摩托车的快速发展时期是在2 0 世纪8 0 年代开始的，并且产品结构导 向在冷却系统方面是以风冷发动机为主，9 0 年代末期型一开始出现少量的配置冷 却系统为水冷发动机的摩托车。但发展到目前为止，水冷摩托车产品总量不到 全国摩托车年产量的l ，而在此期间，国外水冷摩托车得到迅猛发展。以日本 2 0 0 0 年摩托车产品为例，在常用的7 6 种摩托车中冷却系统为水冷的产品占了 5 0 种，比例为6 5 8 ，若按此比例分布，中国的水冷摩托车市场将是巨大的。 市场发展需要高品质的摩托车。所谓高品质是指高性能、高可靠性、低排 放、低噪音、低油耗。显而易见，风冷方式难以解决高性能带来的热负荷问题， 也不可能随着发动机性能的提高再增加单位散热面积。发动机活塞运动噪音， 燃烧噪音，气门落座噪音的增加均不是风冷方式所能解决的，而冷却水隔层确 能将其吸收、隔绝。多气门、多气缸机技术的广泛应用和发展，使得风冷技术 的采用困难重重，甚至有些机型根本无法用风冷进行合理冷却，但是水冷方式 能很简单的解决这些问题。 随着水冷技术在摩托车上的应用逐渐成熟以及发动机性能的不断提高，水 冷技术将逐渐在中小排量摩托车发动机冷却系统中得到广泛应用。同时，由于 摩托车小型化的要求，水冷系统零部件集成也成为一种发展趋势，特别是在中 小排量摩托车发动机上，水冷系统集成即散热器、风扇等部件安装在发动机机 体上，而不是按传统方式安装在摩托车车架上，如图1 1 所示。 1 2 摩托车发动机冷却系统简介 摩托车发动机工作时，由于气缸内混合气燃烧而释放出大量的热量，其中 约三分之一的热量通过高温燃气接触的零件传给冷却系统。按照热平衡的热量 分配，必须将散入冷却系统的热量由冷却介质散走。摩托车发动机气缸内的瞬 时最高温度可达2 0 0 0 2 5 0 0 。c ，除机械负荷产生应力外热负荷也会在零件内 第一章绪论 引起热应力，因而活塞、气门、气缸壁、气缸头等与高温燃气接触的零部件要 应力，因而活塞、气门、气缸壁、气缸头等与高温燃气接触的零部件要承受很 大的机械负荷和热负荷。零部件由于强烈受热而温度升高，若不及时散热，则 图1 - 1 某型发动机冷却系统 会造成发动机过热。过热会使零件正常的配合间隙被破坏，运动件间的润滑油 变质和焦化，使运动零件的摩擦和磨损加剧，严重的甚至造成卡死变形而破坏； 过热还会使进入气缸的气体由于强烈受热，比容增大，使吸入的气体的重量减 小，功率下降；过热还会使发动机使用寿命和工作可靠性下降，动力性和经济 性变坏，因此必须对发动机加以适当冷却。 另一方面，过度冷却也会造成不良的后果，过度冷却使得大量的热量被冷 却介质带走，造成发动机的输出功率减小和油耗增加；过冷还会使发动机混合 气形成不好，工作粗暴，c 0 和h c 排放增加；润滑油由于温度低而粘度变大，使 运动件间的磨损加剧，尤其是气缸的磨损会成倍增加，因此对发动机的冷却要 适度。总之，冷却系统的功用就是保证发动机在任何负荷条件下和工作环境下 均能在最适合的温度状态下正常和可靠地工作。 摩托车发动机的冷却系统按冷却介质的不同可分为风冷和水冷两大类。风 冷发动机是采用高速空气流直接吹过气缸头和气缸体的外表面，对发动机进行 第一章绪论 冷却。风冷发动机结构简单、尺寸小、重量轻、成本低，主要应用在中小排量 摩托车上。水冷发动机则是利用冷却水吸收高温零部件的热量，然后经过循环 系统，通过散热器将热量传给空气。水冷发动机的冷却系统可分为蒸发冷却和 强制循环冷却两类，这两类又分别分为开式和闭式两种。蒸发冷却系统利用冷 却水的自然对流，实现冷却水的循环，从而适度地实现对发动机工作温度进行 调节。蒸发冷却系统循环强度小，不易保证发动机有足够的冷却强度。强制冷 却系统是利用水泵等强制手段使冷却水在冷却系统中循环流动，使发动机得到 适度冷却，这种冷却系统是通过水泵把冷却水从发动机外吸入并加压，通过冷 却水将发动机的燃烧热均匀地吸收并传导到散热器，利用冷却风扇旋转引起的 空气流动将热量散走，工作可靠，可以保证发动机有足够的冷却强度。强制循 环冷却系统可分为开式强制冷却系统和闭式强制冷却系统。为了防止冷却水的 溅出，散热器上的加水口平时用盖子严密盖住，但由于冷却水温度升高会形成 蒸汽，如果冷却系统中蒸汽过多，可能由于压力上升而导致系统漏水或散热器 破裂，因此，必须在加水口处设置排气通道。如果冷却系统由此通道与大气相 通，则称为开式强制冷却系统，这种冷却系统容易使冷却水溢出和蒸发溢失。 在闭式强制冷却系统中，散热器盖具有自动阀门，发动机热状态正常工作时， 阀门关闭，冷却系统与外界隔开，防止蒸气逸出；在冷却系统内压力过高或过 低时，自动阀f - j n 开启，使冷却系统与大气相通，保证系统安全工作。其冷却 效果好、运转时噪音小、工作可靠。目前发动机大多采用这种形式。闭式强制 冷却系统又分为闭环式冷却系统和半闭环式冷却系统。闭环式冷却系统是当自 动阀门在高压的作用下打开后，溢出的水蒸气进入一令补偿容器内，在容器内 水蒸汽液化、冷却。当车辆停止工作或负荷较正常时，冷却系统内压力低于大 气压力时，补偿水箱内的冷却液会进入冷却系统进行补偿。半闭环式冷却系统 是自动阀门在高压的作用下打开后，溢出的水蒸气或冷却液直接排入大气，不 予回收的冷却系统。 摩托车发动机水冷系统多采用闭式强制循环系统，其主要由水泵、水套、 恒温器、散热器、风扇等组成，如图1 1 所示：发动机工作时，曲轴驱动水泵 转动，散热器中冷却水经下软水管进入水泵，经水泵提高压力后，冷却水经水 管、分水管进入气缸水套内，冷却水环绕气缸水套流动后，又进入气缸头水套 第一章绪论 内，在气缸头燃烧室水套环流后，由于吸收了气缸壁、燃烧室的热，而成为高 温的冷却水；再通过恒温器、散热器上的软管进入散热器一侧的水箱内，高温 冷却水又经散热器心中横向的扁水管流向另一侧的水箱内，高温冷却水在横向 的扁水管内流动时，将其热量通过散热片散发到空气中去，使冷却水温度降低； 然后，散热器另一侧水箱内的冷却水又被水泵泵入气缸水套内，冷却水就这样 在冷却系统中循环流动。 1 3 本课题研究目的、方法及内容 本课题的研究目的： 结合作者实际工作，对某款发动机的水冷系统进行改进优化，通过水套 c f d 分析计算与传统设计相结合，对摩托车发动机的水冷系统布置方式集成，以 更利于整车的布置，同时对水冷系统零部件散热器及冷却风扇优化，以达到更 好的冷却效果，实现水冷系统与发动机的一体化。 本课题的研究方法及内容： 其一，从理论上分析了水套传热与冷却的基本原理，给出了水套结构优化 设计的原则，并通过c f d 计算，对发动机水套内的流场进行模拟计算，获得整 个流场的信息，并做出评价，对于不满足冷却要求的区域，找出原因，提出流 场改进方案，并通过c f d 分析加以对比验证； 其二，散热器是冷却系统的核心部件，散热器的结构是影响其散热能力的 重要因素，散热效果的好坏对整个冷却系统有很大影响，从理论上分析了提高 散热器散热能力的途径，对管带式散热器的结构对散热性能的影响进行了对比 试验与研究。 最后，对本文研究的直接安装在曲轴上的冷却风扇如何提高其冷却能力进 行了理论分析，并提出了对其进行试验研究的方法。 第二章冷却水套优化 第二章冷却水套优化 2 1 冷却水套的冷却与传热 水套( w a t e rj a c k e t s ) 是气缸体和气缸头围成的空腔，冷却水即在其 问循环。 在发动机的冷却过程中，气缸体和气缸头等受热部件的冷却主要靠水套内 冷却水的流动带走热量来实现，所以冷却水套的冷却能力是非常关键的，它直 接影响到发动机的工作可靠性、动力性以及经济性。水套的水侧壁面的温度对 于冷却水与缸体( 缸头) 壁面之间的传热起着重要的作用，在一定条件下，决 定着放热过程的性质【3 | 。气缸头内冷却水套的传热，是冷却水套壁面放热给冷却 水，冷却水套壁面温度以，对于冷却水与缸头壁面以及与缸头火力面之间的传 热起着重要的作用。 由试验发现，随着缸头内水套壁面温度与水套内水的饱和温度f 。之差t 的变化，水套内可发生自然对流传热、泡态沸腾传热和膜态沸腾传热，传递的 热流密度q 与t 的关系曲线，如图2 1 所示。 由图2 1 可见：当冷却水的流速较低，水套壁温t b 与冷却水的饱和温度t ，之 差at f 。( at 5 ) 时，壁面上便开始出现大量气泡，这些气泡 离开壁面又消失在水中，在水中产生剧烈扰动，从而使传热显著增强的这种现 象称为泡态沸腾传热( 图2 - 1 b c 段) 。当t b = 1 2 5 1 4 5 。c 时，热流密度q 达到最大， 约为1 4 5 1 0 4 w m 2 ( 图上c 点) 。 当t 。 1 2 5 1 4 5 。c 时，随着温差at ( 称为沸腾势) 的进一步升高，气泡形 成速度更快，气泡数目剧增，并相互汇合而在水侧壁面上形成一层气膜，热量 由壁面传至水中必须通过这层气膜。由于较大的气膜热阻而使传热速率降低， 这种现象称为过渡沸腾传热( 图2 - 1 中c d 段) ；在过渡沸腾阶段，开始一段，壁 面上形成的气膜层是不稳定的，它不断裂开而形成较大的气泡后离开壁面然 后在原地又形成新的气膜层：当壁面温度t 。升高到约2 5 0 。c 时，气膜形成达到稳 定状态( 图2 - 1 d 点) 。并从此时开始，过渡沸腾转化为膜态沸腾( 图2 1 d e 段) ， 在壁面上形成稳定的气膜层。 如图2 - 1 所示，如果自c 点起，继续增高沸腾势at ，亦即提高水套壁面温度 ，则将出现过渡沸腾甚至膜态沸腾，造成火力面温度很高，以致发生壁面烧损。 因此，c 点是临界热负荷点。该点的水腔壁面温度约1 2 5 1 4 5 。c ，该处的放热系 数( 又称表面传热系数) 和热流密度，通称为临界放热系数h 和临界热流密度q 。 在水套内的压力为一个大气压力时，h ：5 8 1 1 0 4 w ( 开c 2 ) ，q = 1 4 5 1 0 4 w m 2 。 因此，在发动机冷却系统设计中要特别注意：缸弓；内冷却水套的壁面温度 一般不应超过1 2 0 1 4 5 。c 。 缸头的冷却传热，包括两种性质不同的传热过程，即无相变的对流传热和 泡态沸腾传热。后者的传热强度要比前者大得多。这两种传热过程应用于各种 类型、不同功率大小的内燃机气缸头的冷却传热中。 一般汽油机气缸头，由于热负荷不是太大，一般采用对流传热进行冷却。 对于汽油机气缸头进气门和排气门座之间的区域和火花塞座等中部区域，由于 该区域的冷却套的壁面温度较高，因此，一般是泡态沸腾传热，这种传热过程， 传递的热流率足够大，可有效降低气缸头的火力面温度。研究表明，一般情况 下，缸体水套内不会出现泡态沸腾，其传热过程基本上是无相变的对流传热过 程。 第二章冷却水套优化 根据对流换热原理，在水套的壁面上有一层很薄的：盈度边界层，该边界层 与壁面接触的一侧可认为温度是t 。，该边界层与冷却液接触的一侧可认为温度是 t 。那么基于上述条件，通过温度边界的热流密度q ( 陟7 m 2 ) 可以表示为： 彳 q = s - ( t 。一t ) ( 2 一1 ) c ， 式中：t 。一t 。= a t 为沸腾势，单位k ； 入为边界层导热系数，单位w ( ，7 2 2 k ) ； 6 为温度边界层厚度，单位m 。 因为在水套中压力一定的条件下，饱和温度以是一定的，所以降低沸腾势实 际上是降低水侧壁面的温度丘，在热流密度q 一定的条件下，随着乙的降低，也 就是降低了金属热面的温度水平，改善其热状况，保证工作可靠性。 影响沸腾势的主要因素有：水套壁面的表面状况、水流速度和水流方向，下 面分别说明。 ( 1 ) 水侧壁面的表面状况影响。 试验结果表明，壁面越光滑，则沸腾势越低。在相同沸腾势条件下，经过 加工的表面的热流密度较高，因此在强化程度较高的发动机中，对于热负荷较 高的零件，其冷却水侧壁面最好能给予适当的机械加工，获得较低的沸腾势， 降低水套的水侧壁温t 。 ( 2 ) 冷却水流速的影响。提高冷却水的流速可以降低沸腾势。但是大量试验 结果表明，对于现代发动机而言，提高水套内的冷却水流速，对于改善水套的 能力并非最有力的。但是从迅速带走水套内的气泡、防止金属微粒沉积以及防 止产生局部冷却水低流速区而形成过热点等方面考虑，还是要保证水套内的冷 却水具有足够的流速。一般来说，水套内的冷却水流速度不要低于0 3 m i s 。 ( 3 ) 冷却液流动方向的影响。 英国学者s m i t h 等人根据相似理论，模拟试验发动机气缸头冷却水套、水道 中的冷却水的流量及流向对沸腾势垃的影响。图2 2 为试验结果，由图2 2 可以 看出冷却水的流动方向对于沸腾势f 有很大的影响。图中的曲线5 表示在静水条 件下，在临界点c ( 擘面温度t 。达到1 3 5 ) ，热流密度q 仅为1 0 0 w m 2 ：如果再提 高t 。，就将转化为过渡沸腾，传热能力会下降很多。但：是，如果将定向水流冷却 第二章冷却水套优化 与静水条件下的冷却相比较，则前者传递的热流密度q 提高了约1 5 倍，可达 2 5 0 w m 2 ，而沸腾势垃基本相同( 图2 - 2 中曲线1 ，2 ) 。因此，在热流量过大 时，局部地区用定向水流来冷却，能有效地降低沸腾势。这一结果目前广泛用 于高强化发动机气缸头进气门和排气门座之间的区域的冷却。在热负荷高的缸 头水套中，在局部热流较大区域，利用喷管或起截流作用的水道形成冷却液的 定向流动，有效地提高换热量，降低沸腾势，从而降低缸头冷却液侧的壁面温 度t 。，保证缸头工作的可靠性。 2 5 2 口 善t 5 喜 b 5 l251 02 0秘l 釉2 朝崎 霸黼a1 ， 图2 2 冷却液工况对冷却水套换热的影响 发动机冷却水套内冷却水的流动方式取决于缸头的具体结构及其热负荷 等。为了确保水套的冷却能力，冷却水套的设计主要工作之一就是要保证缸头 的冷却。因此，在设计冷却水套的结构时，要合理布置水道和组织冷却水流， 避免出现流动死区。同时，还要采取措施加强对局部高温区域的冷却。由于水 冷式气缸头的温度分布是很不均匀的，进气门和排气门座之间的区域、火花塞 座等部位的温度最高，为了降低整个气缸头的温度水平，使其温度分布较均匀， 应对高温区域采取适当的方法，优先集中冷却。 2 2 1 冷却水套内冷却水的流动形式 发动机水套内冷却水的流动形式通常设计为纵向流动、横向流动和混合流 第二章冷却水套优化 动三种。同时，为t ；0 h 强缸头水套的冷却，在缸头水套的设计中采用了u 型流动 和螺旋u 型流动的冷却水流动形式【6 l 。 对于采用整体式气缸头的摩托车发动机，冷却水多采用纵向流动方式：冷 却水从缸体前端进入，向上流入气缸头，然后从气缸头后端流出。本论文c f d 计 算所用的发动机采用的就是这种冷却方式。 2 2 2 缸头水套的设计原则 对摩托车发动机而言，传给冷却水的全部热量的5 0 6 5 是通过气缸头传 出的。因此，气缸头的温度水平是相当高的。缸头水套在结构上的设计原则是： 对高温区域采取适当的方法，优先集中冷却，体现在水冷发动机上便是对进气 门和排气门座之间的区域和火花塞座等高温部位加强冷却。其结构设计原则如 下【3 】： 1 对像摩托车发动机这样的中小型高速发动机气缸头，一般采用冷却水道 孔、导流板或铸管等措施，对气门座、火花塞座或燃烧室壁进行冷却散热。 2 对于采用双层底板结构的大功率中速发动机气缸头，冷却水应先冷却缸 头底面，再环流冷却火花塞座周围。 3 注意气缸头冷却水孔的布置、水流动型式和进、出水孔尺寸的合理选择。 一般来说，水孔位置、水孔( 水道) 数目和其尺寸，应以最后通过试验确定为 宜。 4 冷却水孔布置 1 ) 水孔布置应与冷却系统型式及其布置方案良好的配合。采用沸腾换热冷 却方案时，缸头至蒸发沸腾箱之间，水孔宜大，便于冷却水的对流和蒸气的排 出。 2 ) 一般进水口位置，宜靠近高温区。排气道附近应布置进水孔；在气门座、 火花塞座或燃烧室三角地带的局部高温区，采用喷水号管或隔板引水冷却方法。 对于整体式和连体式气缸头的进水道，可适当设置导流挡板，以保证冷却水的 良好分布和集中冷却，但要注意避免形成蒸气阻滞而产生局部过热，在档板死 角处应设有排蒸气d , ：y l 。 燃烧室( 或火花塞座) 和排气道下部的进水孔，其孔径应大些：一般进水 第二章冷却水套优化 孔为4 8 个，多的超过1 0 个。气缸头顶面出水孑l ，为卜一2 个。出水孔与进水孔 的总流通截面积之比，中小型发动机为0 8 1 2 ，大功率强化发动机为1 1 2 1 ，最大为3 0 。总的来说，出水孔径稍大，进水孔径稍小，使得进水较快， 而出水较慢，以此获得比较均匀的冷却效果。 2 2 3 缸体水套的设计原则 发动机缸体水套的设计主要是使缸体水套具有良好的冷却均匀性，同时要 保证缸体上半部分热负荷较高区域的冷却。缸体水套内不应有流动死区，以避 免形成空气囊或蒸气囊，而引起局部过热。因此，合理布置水套和水孑l ，组织 好水套内冷却水的流动是非常关键的。 对于摩托车发动机，较多的将水道设置在气缸体腰部，冷却水由下向上强 迫流动，使气缸套得到较均匀的冷却。进水孔设计成切向进水以改善进水区域 内缸套穴蚀，如图2 3 所示。 水套内的水流情况有强制流动和自然对流。其设计要求是：水道通畅，不 得有存储气泡的死区，以免造成局部过热：水套宽度合适。若太宽则水速慢， 冷却效果小；若太狭窄则铸造困难，并易引起穴蚀。水套内水的平均流速最 大不超过2 m s ，一般在0 7 5 l m s 范围内。水套的高度要求是，当活塞在上止 点位置时，其第一道环的位置应在水套区域内：当活塞在下止点时活塞裙部 露出不宜过大。在水套的冷却水进出口处，不应有剧烈的压降，以免引起该区 域的缸套穴蚀。 劫訇进水拳切囱迸水径自遴水 图2 3 缸体进水示意图 套 第二章冷却水套优化 2 3 冷却水套c f d 分析 2 3 1 冷却水套三维建模 本文研究的为某型单缸小型汽油机，该发动机的冷却水套几何模型主要有 缸体水套、缸头水套两部分组成。 改进的主要措施是：加强缸头的进排气门之间“鼻粱区”的冷却，缸头内 铸出导流板，将来自缸体的冷却液导向“鼻粱区”。 几何形状的精确描述是准确数值模拟的一个重要前提，但此水套整体结构 比较复杂，完全按照其实体建立计算模型非常困难，在保证对数值模拟计算结 果不产生很大影响的前提下，对实际的实体结构进行一些等效简化处理，如略 去某些过渡圆角、倒角等次要细节，对一些关键位置( 如缸头水套“鼻粱区”) 不作任何简化。水套几何模型由三维建模软件u g 建立。如图2 4 所示。 2 3 2 冷却水套c f d 分析 1 9 3 3 年，英国人t b o m 首次用手摇计算机数值求解了二维粘性流体偏微分方 程，c f d 技术由此产生。1 9 7 4 年，丹麦的n i e l s e n 首次将c f d 用于暖通空调工程领 域，对通风房间内的空气流动进行模拟，之后短短的2 0 年内，c f d 技术得到迅猛 发展。自1 9 9 2 年以来，在发动机设计中三维c a d 设计得到了越来越广泛的应用， 能够以3 d 数据为有限元单元网格或c f d 计算网格提供前处理的实体结构，这推动 了能够进行大量数值计算的方法女 i c f d 和有限元的应用。随着c f d 技术的不断完 善，在发动机的几何实体上可以直接划分且易于求解和生成的非六面体网格如 四面体网格。这极大减少了建立复杂几何网格所需的时间，摆脱了计算网格对 c f d 应用的限制，为c f d 技术在工程设计中的应用创造了条件。目前，应用三维 c f d 计算来解决流动问题正在成为发动机研究领域的重要课题。 1 冷却水套c f d 分析目的 发动机冷却水套三维c f d 分析的目的就是通过分析冷却水套内冷却液的流 场，指导冷却水套的结构设计，实现冷却水的合理分配，从而保证发动机水套 具有理想的冷却能力。利用c f d 技术来改进水套结构的设计方案，不仅可以大 第二章冷却水套优化 大的缩短设计时间，而且可以减少发动机的试验量，从而降低设计成本。 2 冷却水套c f d 分析过程 在s t a rc c m + 中对冷却系统中流体进行3 卜c f d 分析，讨算出进水口与出水 口温度变化量，在通过分析温度云图及速度云图判断冷却系统设计是否合理。 1 ) 根据发动机3 d 模型创建流体模型，如图2 4 所示： 图2 4 冷却系统流体模型 2 ) 对流体系统进行前处理 在s t a rc c m + 中对流体系统生成网格，南于发动机处于f 常运转阶段，缸头 温度为5 5 0 k ，缸体温度为4 5 0 k ，气缸头垫圈温度为5 0 0 k ，进水口流体温度为 3 6 0 k ，流体流量为0 5 k g s ，压强为一个标准大气压，排水口流体温度为3 7 5 k 。 由于流体温度处于在3 6 0 k 一3 7 5 k 之间，我们必须考虑气态水蒸气的影响。其3 d c f d 计算模型如图2 5 所示： 图2 5 计算模型 第二章冷却水套优化 3 ) 对冷却系统计算模型进行3 卜c f d 流体分析计算 对流体区域进行总体分析 图2 - 6 流体区域温度云图 图2 7 流体区域压力分布图 图2 - 8 流体模型传热系数分布图 第二章冷却水套优化 对流道进行流线分析 愿黪一 盗。： 图2 - 9 流道压力流线图 进水口分析结果 爹爷答_ ? _ i | 鎏 趣翁 ! “、 图2 - 1 0 流道速度轨迹图 图2 - 1 1 进水口压力云图 1 4 t ， f 譬 嚣 戮 一 h 一 。 。 纛 _ 麟逡 第二章冷却水套优化 排水口结果分析图 嬲7 7 7 1 0 t 47 6 8 i 0 6 2 6 0 7 0 8 4 2 罴 v e t o c n vf m ， 燃7 s 0 兹 76 0 2 0 1 j 4 0 3 8 1 j 2 0 5 e 矗。7 。刀 谶。眨 图2 1 2 排水口压力云图 、 图2 - 1 3 排水口速度云图 图2 1 4 排水口速度分布图 第二章冷却水套优化 l 鬣 图2 - 1 5 排水口温度云图 3 c f d 分析结 对流体模型分析得进水口及出水口参数值如表2 - 1 所示： 表2 - 1 平均压力流体流量平均：盈度流体平均速度 ( p a ) ( k g s ) ( k )( m s ) 进水口 7 2 1 9 0 9 1 e + 0 45 0 0 0 0 0 0 e 0 13 6 0 0 0 , 3 0 e + 0 23 5 5 1 2 9 0 e + 0 0 出水口 o 0 0 0 0 0 0 e + 0 05 。o o l5 5 6 e - 0 13 6 0 3 6 8 1 e + 0 21 3 7 7 9 j 6 e + 0 0 在整个流体区域，流体区域平均温度为3 6 0 2 5 9 4 e + 0 2 k 而整个流体区域又分为 缸体、缸头、垫圈l 、垫圈2 、垫圈3 、垫圈4 、垫圈5 及垫圈6 ，在其区域内参 数如表2 - 2 所示。 结合以上图片及数据，观察流体模型表面温度云图( 图2 - 6 ) 可知，尽管在排水 口附近的凹陷地方，温度达到最高3 7 0k ，但缸体和缸头水套的平均温度在3 6 2 k ，均达到了冷却效果：观察流体模型传热系数分布图( 2 8 ) 可知，缸头的传 热系数明显高于缸体的传热系数，在相同的外界条件下，缸头的冷却能力比缸 体的冷却能力大；观察速度流线图( 图2 一l o ) 可知，发现水套的温度处于合理 的水平，流体流动变化大，使发动机传过来的热量及时地被流体带走，从而达 到了冷却效果。 第二章冷却水套优化 表2 - 2 传热值( w )流体平均温度( k ) 垫圈1 9 6 7 7 7 2 3 e 一0 23 6 0 6 0 1 7 e + 0 2 垫圈2 - 9 5 1 9 9 9 6 e - 0 23 ( 3 0 7 0 4 1 e + 0 2 垫圈3 - 9 6 4 7 5 4 4 e - 0 23 j 1 0 3 5 2 e + 0 2 垫圈45 8 0 1 8 3 6 e 一0 23 i j 0 6 0 6 7 e + 0 2 垫圈5 5 7 9 2 15 6 e - 0 23 i j 0 8 4 2 2 e + 0 2 垫圈6 - 7 7 17 0 6 4 e - 0 2 3 1 j 0 9 7 5 3 e + 0 2 缸头 - 5 0 9 0 6 0 3 e + 0 23 1 j 2 7 8 5 0 e + 0 2 缸体 一2 i 0 7 9 3 6 e + 0 23 6 2 3 3 4 3 e + 0 2 对改进前后的水套，进行了发动机的水温试验，试验结果如图2 - 1 6 所 示：改进后的缸头出水温度平均升高了4 ，说明改进后的水套带走热量的能力 提高，达到了对发动机冷却的目的。 一一 6 0 3 0 0 0 3 5 0 04 0 0 04 5 0 05 0 0 0 转速 图2 - 1 6 水套优化前后发动机冷却水温度对比 砷蔫 一 鲫赢 斋唧 第二章冷却水套优化 2 4 本章小结 本章首先从冷却系统的冷却传热出发，从理论上分析了水套传热与冷却 的基本原理，分析了缸头、缸体水套结构对水套内流场及发动机冷却换热的 影响，给出了缸头、缸体水套结构优化设计的原则，j 生此基础上，对本文设 计的发动机的缸头、缸体水套进行了优化设计，并通i 立c f d 计算，对发动机整 个水套内的流场进行模拟分析计算，获得水套流场的相关信息，并做出冷却效 果评价。 第三章散热器优化 3 1 引言 第三章散热器优化 冷却系统要保证发动机在各种工况和环境条件下在其最佳温度范围内安全 可靠的工作，需要具有良好散热能力的散热器。散热器是发动机冷却系统中的 重要部件，由于散热器散热性能直接影响发动机动力性和可靠性，同时又影响 到发动机的经济性和节能，因此提高散热器的散热能力，是冷却系统设计的重 要环节。 本章对散热器散热性能展开研究，从理论上分析提高散热器散热能力的途 径，并通过试验对管带式散热器结构对散热性能的影响进行对比研究。 3 2 提高发动机散热器性能韵有效途径 根据散热器的散热量的计算公式： 绋= f x k x a t ( 3 一1 ) 式中绋一散热器散热量； ，一散热器散热面积； k 一散热系数k ； f 一对数平均温差f 根据此式可以看出，要增大散热量绋，无论是增大f 、k ，还是，都能 收到一定的效果。工业设计和生产实践中大都从这些方面考虑强化散热器的传 执【2 8 】 1 增大散热面积 增大散热面积f 是实际应用中提高散热器散热效率的强有力措施之一。散 热面积同散热器芯部结构有密切的联系，一般是通过改变散热器的结构来增大 散热面积的。 1 ) 增大散热器正面积 第三章散热器优化 在安装空间允许的前提下，采用大的芯部面积，对冷却系有利，这样可以 缩减芯部厚度，从而提高散热效率和降低风扇消耗功率和风扇噪声。最合理的 布置是希望高度和宽度相等，呈正方形结构，并使风扇中心与散热器中心重合， 使风扇未扫过的四角死区最小，气流能均匀通过芯部。大量试验结果表明，在 其它条件不变的情况下，散热器芯部正面积增加1 7 ，散热能力提高1 1 ；而芯 厚增加5 0 ，散热能力仅能提高1 5 ，因此采用增加芯厚来提高散热能力是不经 济的。 2 ) 增大散热器总面积 散热器的总散热面积，是所有冷却管和散热带暴露在空气中的表面积之和。 散热器芯部正面积确定以后，调整散热器的结构和厚度，包括改变冷却管排数 和管数以及散热带尺寸、间距和数量，可以改变散热器的总散热面积，从而增 加冷却能力。增大散热器总面积的主要措施有： 异形表面 用轧制、冲压、打扁或爆炸成型等方法把传热表面制造成各种凹凸形、波 纹形、扁平形状等，使流道截面形状和大小均发生变化，这不但使传热表面有 所增大，还使流体在这种流道中不断改变流动状态，减小边界层厚度，增大扰 动度，从而促使传热强化。 采用细小金属颗粒 利用细小的金属颗粒粘附或涂敷于传热表面或充填于传热面间，借以扩大 传热面积，提高设备紧凑性，增大传热系数。 采用小当量直径的流道 流道当量直径减小则可以在相同体积内布置更多的传热面，使散热结构更 为紧凑，且当管径减小后，对于管内紊流传热可使其层流底层减薄，传热系数 增大，但压降也同时增大，而且管径小容易堵塞，使用时需综合比较，全面考 虑。 但这些措施会造成风阻增加，散热带过密，芯部容易被尘土堵塞，使散热 性能恶化。所以在芯部正面积不变的情况下，依靠增加总散热面积来提高散热 能力是有一定限度的。 2 改善散热系数k 第三章散热器优化 散热器的散热系数是代表散热效率的重要指标，它表示当冷却水和空气之 间的温差为1 时，每秒通过l m 2 与空气接触的散热表面所散走的热量【l j o 影响散热器散热系数的因素主要有以下几方面： 1 ) 冷却水管中冷却水的流速 冷却水的流速取决于发动机水泵的循环流量和冷却管截面与数量之积。据 试验对比结果，冷却水流速由0 2 m s 提高到0 8 m s ，对散热效率有较大提高。 但超过0 8 m s 后，效果不大。 2 ) 散热器材料的导热性能和管片的厚度 要增大k 值，提高传热面两面的表面传热系数，采用导热性能良好的材料 作传热问壁，以及尽可能减小问壁厚度，都能起到一定的作用。自从散热器装 在车辆上以来，始终是采用铜材制造为主，但近二十年来，随着车辆轻量化的 发展，铝成为代替铜而迅速发展起来的散热器材料。特别是在在摩托车发动机 中，再考虑到成本问题，散热器的材料一般采用铝合金。冷却水管和散热片的 厚度应尽可能薄，目前管壁厚度为0 1 o 2 m m ，散热片厚度0 0 6 - - - 0 1 0 m m 。 3 ) 制造质量 散热器的制造质量，尤其是冷却管和散热带之间的焊合性和焊接质量( 冷 却管和散热带的焊接程度) 对散热系数有很大影响。大量实践证明制造质量的优 劣往往会影响散热效率2 0 4 0 。 4 ) 散热器芯部的结构 散热器芯部结构对散热效率的影响是显而易见的。散热器的结构特征，如 冷却管的排列、散热带的间距、散热带的形貌等都会对散热效果产生不同影响。 当冷却水管排数增加时，由于空气扰流增加，有利于散热，但排数太多时空气 阻力增加，散热效果的改善不明显。在散热带上冲出凹凸不平的波纹或冲翻出 很多小窗口，使空气通过散热带表面时加强扰流和扩大接触，改善了二次散热 表面的散热条件，可提高散热能力。 5 ) 通过散热器芯部的空气流量和风速。 由于空气的导热系数小，散热器的散热能力主要取决于空气的强烈流动， 通过散热器芯部的风量起了决定性的作用。风量大，散热快，风量小，散热慢， 因而在评定和比较散热器的散热能力时，必须处在同等风量的前提下进行，摩 第三章散热器优化 托车发动机通过散热器的风速在额定工况下应不小于6 1 0 m s ，以充分发挥散 热器的散热能力。 3 增加对数平均温差a t 当冷热流体进出口温度一定时，可通过改进流型布置来改善增加对数平均 温差a t ，尽可能采用逆流或接近逆流的流型布置；另一种办法是降低冷流体温 度和提高热流体温度，增大冷、热流体的温差来提高对数平均温差出。 目前常采用提高发动机冷却系统压力的办法来提高冷却水的沸点。冷却水 沸点提高，不仅可使冷却水在高温下不产生沸腾和溢出，保证系统工作安全， 还可使冷却水温度与环境大气温度之间的温差加大，从而提高散热器的散热能 力。表3 1 为系统压力变化对冷却液沸点及散热能力的影响。 表3 1 系统压力变化对冷却液沸点及散热能力的影响 系统压力【皿】 冷却液沸点【】散热鬣增加【】 2 9 4 01 0 71 2 4 9 o o1 1 11 8 6 8 6 0 1 1 52 5 9 8 0 71 2 03 2 采用高压散热器盖，使冷却水沸点提高，加大散热器内冷却液和空气的温 差，可以增加同一尺寸散热器的散热量。 3 3 散热器性能参数的确认 1 冷却系统散走的热量 冷却系统通过水介质散掉的热量q 占汽油机燃料能量的2 3 3 0 ，其受 许多复杂因素是影响，很难精确计算，可以用下面公式初步估算绋： 第三章散热器优化 鲸= 等 净2 ) 式中绋一一冷却系统散走的热量，k j s ； a 一一一传给冷却系统的的热量占燃料热能的百分比，对汽油机 a = 0 2 3 0 3 0 ，取0 2 7 ： g 。一一燃油消耗率，磁k w s b ； 。一一发动机功率，一般取发动机最大功率，k w ，本文中的发动机 功率3 2 5k w ； 吃一一燃料低热值，k j k g ，汽油为4 3 1 0 0 k j 磁。 对于本文中的发动机鲸= 等= 0 2 7 0 3 6 丽7 3 竽竺- 3 8 6 k j s 2 冷却水的循环量 根据散入冷却系统的热量绋，可以计算出冷却水的循环量： 2 去 ( 3 _ 3 ) 式中冷却水的循环量，m 3 s ； 绋一一冷却系统散走的热量，k j s ； 出。一一冷却水在发动机内循环时的容许温升，对现代强制循环冷却系，可 取a t 。= 6 1 2 。c ，取1 0 。c ； 以一水的比重，可近似取。= 1 0 0 0 磁m 3 ； c 。一一水的比热，可近似取c 。= 4 1 8 7 k j k g 口 c 。 对于本文中的发动机= 五磊q w = 而羔西= 。9 2 4 m 3 s 3 冷却空气需要量 冷却空气需要量圪一般根据散热器的散热量确定，散热器的散热量一般等 于冷却系统散走的热量绋： v ：旦 2 a t 。g c ( 3 - 4 ) 第三章散热器优化 式中v 。一冷却空气的需用量，m 3 s ； 鲸一一冷却系统散走的热量，k j s ； f 。一一空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差， 一般取 a t g2 1 0 3 0 。c ，取2 5 。c ； 以一一空气的比重，可近似取以= 1 0 1 k g l m 3 ； c g 一一空气定压比热，可近似取c 9 2 1 0 4 7 k j i k g d 。c ： 于本文中的发动机圪= 硫q w = 丽蒜= i ) 1 8 2 5 聊3 s 发动机传给冷却水的热量绋等于散热器散出的热量，冷却水的循环量等于流 过散热器水管的水流量，冷却空气量圪等于流过散热器的空气量。 4 散热器的正面积 b = ( 3 5 ) v g 式中b 一散热器的正面积，m 2 ； 圪冷却空气的需用量，m 3 s ； k 一一散热器正面前的空气流速，m s ，对于本文所涉及的集成在发动 机机体上散热器和离心风扇而言，取值7 m s 。 于本文中的