发动机冷却系统发展现状和技术改进

摘要对发动机冷却系统进行设计匹配和合理分析，是提升发动机冷却性能的重点，不仅可以让发动机的不同区域都在最适宜的温度区间里工作，而且可以改善冷却系统的散热能力，进而达到提高发动机动力性和经济性的效果。柴油发动机的冷却系统为强制循环水冷系统,它的工作原理是利用水泵提高冷却液的压力,带动强制冷却液在发动机中循环流动,从而达到给柴油发动机散热的效果，主要是由冷却风扇、节温器、散热器、、水泵等构成。在零件设计过程中要根据具体车型空间布置满足对应的相关参数尺寸及设计规范的要求。采取了先总体规划后模拟仿真的方法，运用Ansys仿真软件，对一台4105型号的柴油机进行冷却系统进行设计和分析。下面是本文的具体内容：（1）熟悉发动机冷却系统的整体结构和作用，归纳发动机冷却系统在设计时的总体和部件要求，阐述冷却系统设计的有效性并确定匹配时计算工况点，明确发动机冷却系统各部件的型号选择和设计方法。然后依据公式对选定发动机的冷却系统进行散热器、风扇、水泵等主要部件的相关参数的匹配计算。（2）简化选定发动机的冷却系统结构得到其结构模型，结合各部件的具体要求绘制三维模型，导入Ansys仿真软件并建立三维仿真模型，在验证仿真模型的正确性之后，划分网格，代入各部分约束条件最终得出温度云图，得到最终可视化的结果。评价结论的合理性和实用性，总结并提出需要改进的方面。关键词：发动机冷却系统，柴油发动机，型号选择，匹配计算，Ansys仿真。AbstractDesignmatchingandreasonableanalysisoftheenginecoolingsystemisthefocusofimprovingtheenginecoolingperformance.Itcannotonlyallowdifferentareasoftheenginetoworkinthemostsuitabletemperaturerange,butalsoimprovethecoolingcapacityofthecoolingsystem,therebyachievingincreasedenginepower.Sexualandeconomicaleffects.Thecoolingsystemofthedieselengineisaforcedcirculationwatercoolingsystem.Itsworkingprincipleistousethewaterpumptoincreasethepressureofthecoolantanddrivetheforcedcoolanttocirculateintheengine,soastoachievetheeffectofheatdissipationtotheengine,mainlybythecoolingfanandtemperatureRadiator,radiator,waterpump,etc.Inthepartdesignprocess,thecorrespondingparameters,dimensions,anddesignspecificationsmustbemetaccordingtothespecificvehiclelayout.Adoptthemethodofoverallplanningandthensimulation,anduseAnsyssimulationsoftwaretodesignandanalyzea4105dieselenginecoolingsystem.Thefollowingisthespecificcontentofthisarticle:(1)Familiarwiththeoverallstructureandfunctionoftheenginecoolingsystem,summarizetheoverallandcomponentrequirementsoftheenginecoolingsystematthetimeofdesign,expoundtheeffectivenessofthecoolingsystemdesignanddeterminetheworkingconditionpointwhenmatching,andclarifythemodelofeachcomponentoftheenginecoolingsystemSelectionanddesignmethods.Then,accordingtotheformula,therelevantparametersofthemaincomponentssuchasradiators,fans,andwaterpumpsarematchedandcalculatedforthecoolingsystemoftheselectedengine.(2)Simplifythestructureofthecoolingsystemoftheselectedenginetoobtainitsstructuralmodel,drawathree-dimensionalmodelaccordingtothespecificrequirementsofeachcomponent,importAnsyssimulationsoftwareandestablishathree-dimensionalsimulationmodel,afterverifyingthecorrectnessofthesimulationmodel,dividethegridandsubstituteTheconstraintconditionsofeachpartfinallygetthetemperaturecloudmapandgetthefinalvisualizationresult.Evaluatetherationalityandpracticabilityofconclusions,summarizeandproposeareasforimprovement.Keywords:enginecoolingsystem,dieselengine,modelselection,matchingcalculation,Ansyssimulation.1.1前言在汽车中，发动机冷却系统起着重要作用，据统计，约有一半的汽​​车故障是发动机故障，而冷却系统故障约占发动机故障的一半。冷却系统的作用不仅限于对发动机可靠性的影响，而且还是影响发动机经济性和功率输出的重要因素，其作用是确保发动机可以在任何外部环境和负载条件下以合理的温度持续工作。发动机冷却系统的冷却性能可以从三个方面进行评估：首先，发动机冷却系统设计的科学性，即如何用较低的散热要求确保可靠且稳定的发动机运行，其次是冷却系统各部件的设计的高效性，最后是冷却系统的不同组件的合理性。但是第三方面比较困难并且涉及许多因素，研究还远远不够，这部分对冷却系统的性能影响最大，因此，从应用的角度出发，研究发动机冷却系统各部件的参数对应关系具有重要的意义。1.2发动机冷却系统发展现状和技术改进当前在高功率密度条件下如何处理热平衡和冷却问题是发动机强化工程中的常见问题，换句话说，在持续增加发动机功率的同时，必须考虑发动机的排放性能和经济性能。所有这些要素对冷却系统的性能提出了新的要求，经济、生态、稳定和可靠的冷却系统的开发已成为发动机创新的关键，也意味着先进的冷却系统设计概念，先进的设计策略和规格的应用对于推动发动机冷却系统的发展至关重要。如今冷却系统研究偏向于两个方面：一方面，谋求提高冷却系统冷却效率的方法。另一方面，谋求提高内部各零件可靠性和热负荷特性。发动机冷却系统发展趋势和技术改进有如下几点：1.电控节温器我们都知道在发动机中起到调节和控制冷却液冷却强度的重要作用的重要部件是节温器。普遍使用的是蜡式节温器，但是它只能根据冷却液出口的温度进行开明动也控制冷却液的流动和散热作，而且响应速度慢，导致冷却液的温度变化范围大。为了更好地效果，电控节温器开始逐渐取代了机械蜡式式节温器。这种节温器反应灵敏，能够快速控制冷却水循环通路。另外，除了冷却水温度之外，伺服电动机的电压还可以根据空燃比信号节气门开度信号、发动机转速信号、进气管绝对压力和爆燃信号通过ECU进行调节，控制阀门的开度，进而控制大循环和小循环的流量。2.电动水泵传统水泵工作由发动机的工作情况决定，而且不管水温高低，水来的系水量只能根据发动机的转速变化，不能根据冷却液晶皮调节冷却液的流本。有研究表明，带驱动的传统水系的菜水量仅在5%的时间内是正确的。除对系水量的控制不准确外，带驱动水泵还消耗了很多机械功，造成了不必要的机械损失。所以应该采用变速电动水泵来合理地控制冷却液的流量，这样能够有效降低燃油消耗。国外一些高级轿车和商用车上已经采用了电动水泵。电动水泵还有其他优点:一是电动机被包围在水腔内，其本身的冷却不成问题;另外，与带驱动水泵的方案相比，电动水泵轴的工作应力大大减小，这是因为水泵轴在被传送带驱动和联动风扇都会有附加的工作载荷，而电动水泵仅受电动机的驱动，无须带动风扇。这样，对水泵轴承的要求有所降低，密封的可靠性得到了改善，水泵消耗的功率也大大低于带驱动的水泵。3.发动机现代热管理技术带来的效益采用电控模式之后，冷却液的温度变化幅度很小，因此发动机的工作状态比较稳定，有利于提高发动机的经济性和排放性。而机械控制模式的冷却液温度变化接近十度，这种幅度的温度变化，肯定会导致发动机各项性能的不稳定。因为电控节温器和电动水泵，使得冷却液的流量和分配可以通过冷却液温度迅速调节，进而部分核态沸腾换热成为可能。研究表明，核态沸腾换热在各种传热方式中换热效率最高，如果在发动机热负荷最重的部分实现，就可以有效改善发动机的工作状态，发动机的经济性将得到提高，也将改善一氧化碳和碳氢的排放。采用电控冷却系统后，节省了驱动水泵和风扇的机械功，但是增加了发电机的工作负荷，从发动机辅助系统所消耗的功比较来看，现代热管理技术还是明显节省了发动机4.现代柴油机冷却系统热管理实例柴油机是重要的交通运输动力源和发电机组动力源，其燃油经济性和排放水平对社会经济和环境有直接的影响。现代柴油机与传统柴油机的冷却系统结构有很大的区别,除蜡式节温器被电控节温器替代、带驱动水泵被电动水泵替代之外，还增加了液空中冷器、变速器机油冷却器和辅助水泵。这些装置的采用，可以使柴油机进一步满足更高要求的燃油经济性和一氧化氮排放标准。1.3本文的研究思路由于发动机冷却系统组件数量众多，结构复杂以及发动机工况多种多样，所以影响冷却性能的因素多种多样。如何完成发动机冷却系统的匹配以使发动机在不同的工况下运行非常重要的一点是在各种条件下保持恰当的温度。以4105柴油机为例，完成发动机冷却系统各部件的设计规划，并且使用ANSYS软件模拟需求部件，然后分析仿真结果。研究的具体内容如下。（1）通过查阅期刊和图书等有关冷却系统的文献材料，总结发动机冷却系统发展现状和技术改进。（2）阐述发动机冷却系统的整体结构和工作原理，接着说明冷却系统的主要部件的结构和作用，并分析影响发动机冷却系统的主要因素。（3）提出发动机和部件冷却系统的设计要求，分析冷却系统设计的效果，确定计算条件，并仔细考虑发动机冷却系统部件的选择和设计方法，然后选择发动机。实施冷却系统的主要参数的计算和匹配为以下仿真提供了理论基础和数据支持。（4）简要介绍要使用的ANSYS仿真软件，描述软件中使用的每个模型。使用计算的数据对模型进行校准，最后根据系统发动机冷却的基本结构绘制三维模型并导入软件。开始仿真计算和比较，确定相关参数对发动机冷却系统的影响，提出优化建议。（6）总结全文的内容，提出研究过程中存在的问题以及今后工作的方向。2.1发动机冷却系统概述冷却系统的用途就是在各种工况下将发动机各个区域保持在最合理的温度下。汽车发动机是将热能转换成机械能的机器，虽然发动机利用的热能和,被废气带走的热能占据一大半,但是剩余的则被发动机零部件吸收，这些吸热零部件需要通过冷却来保证持续可靠的工作，使发动机得到出色的动力性与经济性。车用发动机的冷却系统可由冷却介质的不同划分为两种基本类型，分别是水冷式和风冷式冷却系统，一个冷却介质是冷却液，另一个则是空气。如果发动机采用水冷却系统，该系统需要一个包括水泵，水箱和散热器的散热系统。结构很复杂。但如果发动机采用风冷却系统，仅需要散热片，并且结构简单。由于冷却液比空气导热系数大，冷却效果好，冷却均匀，发动机的热效率高，运转噪声小，因此，汽车发动机上较多采用水冷却，并用水泵强制冷却液进行循环。风冷主要用于小型发动机上。冷却系统主要包括散热器，散热器进出水软管，补偿水桶，水泵，冷却风扇等部分。冷却系统的重要组件的功用和分类（1）散热器散热器，通常称为水箱，其主要功能是将水套出来的高温冷却液的热量散给环境大气，来降低冷却温度。散热器由上储液室､下储液室､散热器芯和散热器盖等组成组成。上储液室有进水口和散热器盖,下储液室有出水口和放水阀，散热器芯由散热管和散热片组成，散热管穿过散热片，上下两端分别与进水室与出水室焊接在一起，使进水室与出水室相通，进水室的冷却液通过散热管流到出水室，冷却液通过散热管和散热片与空气接触的表面，共同向空气散发热量。散热器通常置于车辆的前端、风扇的前面。根据散热器中冷却液的流动方向把散热器分为纵流式和横流式两种。（2）水泵水泵的功能是对冷却液加压并使其在冷却系统中以恒定速率循环。发动机广泛采用离心式水泵，它由水泵壳体，水泵轴和叶轮组成，它具有结构紧凑、泵水量大及因故障而停止工作时，不妨碍水在冷却系统内自然循环等优点。水泵的工作原理是：当叶轮旋转时，水泵内的水被叶片推动一起旋转，在商心力的作用下甩向叶轮边缘，在轮廓线为对数螺旋线的水泵壳体内将动能转变力水的压力能，经与叶轮成切线方向的出水口压人发动机的机体水套。与此同时，叶轮中心因具有负压而使散热器中的水经进水口被吸入水泵。（3）冷却风扇冷却风扇是散热器散热部位的通风装置，其功用是使空气流过散热部位，促进做热器的热交换，加速冷却液的冷却。除了高速和冷工作外，通常都需要使用冷却风扇为散热器通风降温。通常使用轴流式和离心式这两种类型的冷却风扇。目前汽车水冷发动机上应用较普遍的是吸气轴流式风扇，风扇装在散热器后面，用螺钉固定在水泵轴前端的皮带轮或凸缘盘上，在风扇旋转时，空气沿着风扇旋转轴的轴线方向流动，并抽吸空气，再通过散热器芯部。（4）节温器通常冷却液在冷却系统内循环流动的路线有两条:一条称为小循环;另一条称为大循环。当发动机温度不高时，节温器关闭，冷却液不经过节温器，直接从旁通管流回发动机，使发动机在合理温度范围内运行，其循环为小循环状态。当发动机水温温度升高到一定的温度时,节温器打开，冷却液经过节温器、发动机出水管、散热器、发动机进水管流回发动机,使发动机温度在合理的范围内工作，其循环为大循环状态。温器安装在水泵的进水口或气缸盖的出水口处，其作用是根据发动机冷却液温度的高低，自动改变冷却液的循环路线及流量，以使发动机始终在最合适的温度下工作。目前汽车上多采用蜡式节温器，其核心部分为蜡质感温元件。蜡式节温器有蜡式单阀门和双阀门节温器两种形式。2.2发动机冷却系统的影响因素由于冷却系统的组件和结构不同，所以有多个因素会影响冷却系统。但总的来说，有四个最重要的方面：冷却系统的散热能力，冷却液流量，空气流量和水道的结构。冷却系统中的散热能力主要归因于与散热相关的散热组件。例如，散热面积越大，散热效果越好。因为在发动机运行期间被带到不同的地方的热量有差异，所以冷却要求也不一样，对于汽缸壁等高温区域，需要足够量的循环水以维持其冷却条件。循环水量不仅由水套和水泵的结构影响，而且与冷却液温度密切联系，如果冷却温度过高，则会形成气泡，这会对水量产生明显的负面影响。水道结构不当会导致形成涡流并影响冷却效率。合理的水套设计，可以很好地冷却各部分零件，从而显着提高冷却效率。大多涡轮增压发动机的特点是高温和高热负荷，其主要部位会因冷却不足而导致发动机的功率降低。如果发动机长时间处于不适宜的冷却状态，则会降低其可靠性，这可能导致热不平衡，发动机磨损和变形，同时降低了动力性和经济性。因此冷却系统不仅需要满足不同工况和不同部分下的冷却要求，而且还需要减少整体的热能消耗，进而提高经济性。2.3发动机冷却系统评估体系以下四个评估参数通常用于完成发动机冷却系统评估，以反映冷却系统的效率。功率因数：驱动冷却风扇的功率之比与发动机额定功率之比，公式为：功率因数决定了冷却风扇和发动机的切合程度。比值愈低，表明切合的愈好。当前发动机冷却系统的功率因数通常为零点零七到零点一五。体积因数：冷却液的体积与发动机额定功率之比，公式为：体积因数决定了冷却系统中冷却液的完善程度。当前发动机冷却系统的体积因数通常在零点一到零点一八，出行用车的冷却系统通常取下限。有效阻力因数：散热器在空气侧的阻力与冷却风道的总阻力之比，公式为：有效阻力因数决定了散热器和冷却风道的切合程度。当前发动机冷却系统的有效阻力因数通常为零点四到零点六。（4）沸腾环境温度：冷却液沸腾时的外界环境温度。当前发动机冷却系统的沸腾环境温度通常在三十到三十五度。通常有三种评估冷却系统的方法。1.实车测试：实车测试是最敏感，最准确的方法。其缺点是周期长和消耗大。并且获得的数据并不完全正确。2.台架热态模拟测试：可获得较为完整，精确，有效的数据，存在弊端是测试条件必须非常严格。3.计算机仿真：很好地利用了信息技术，所以它的优点是周期短、投入小、仿真结果清晰全面，存在弊端是参数的匹配、函数的确定很难准确把握，大多数需要在测试和经验前提上把握。3.1冷却系统设计要求3.1.1冷却系统总体设计要求（1）设计的冷却系统必须满足发动机的运行要求，并在所有发动机运行条件下提供足够的冷却，以将冷却液温度保持在合理的范围内。（2）内部空气可以通过冷却系统及时地被排出。（3）在设计冷却系统时，必须确保有足够的空间。（4）向冷却系统中添加冷却剂的初始速率必须满足发动机制造商的要求。（6）即使没有足够冷却液，设计的冷却系统也必须能够继续运行，选择必须基于发动机制造商的要求；（7）设计的冷却系统必须具有特定的耐腐蚀性。3.1.2对冷却系统部件的基本要求从结构，能耗，过程和操作的角度来看，应该提出一系列有关发动机冷却的要求，尤其是对于大功率发动机冷却装置。（1）冷却组件要求容量小，重量轻且结构紧凑。（2）冷却组件便于安装，拆卸和放置。（3）冷却系统设备的结构符合标准要求。（4）冷却组件不仅本身消耗功率小，而且要使用可靠、寿命长、成本低。（5）冷却组件必须能够适应外部温度的各种变化以及发动机的严苛内部高温，以确保发动机正常运行。3.2发动机冷却系统部件的选型和设计3.2.1散热器的选择与设计在选择和设计散热器时，必须考虑冷却液流量，气体阻力，设计成本等，但最重要的是它受安装空间的限制。散热器必须设计成具有尽可能多的迎风面积并且散热器芯必须最薄，这样可以节省和有效使用空间。首先，就迎风面积而言，散热器可以设计成正方形，这样的设计可以获得最大的风区，并且散热器的风速也是均衡的。从散热器芯的设计角度来看，散热器芯越薄，散热器管的数量和通风阻力越小，并且每个金属单元的冷却能力越高。在散热器的设计中还必须仔细考虑散热器片的密度，密度可以大大增加散热面积，从而提高了散热性能。但是如果密度过高，通风阻力会增加，这会影响空气流通并难以去除灰尘。另外在设计散热器时，有必要综合判断生产成本，使用寿命和经济效益，并选择最佳的散热器密度。在典型的车辆设计中，散热器之间的距离应保持在零点二到三点六毫米之间。如果驾驶环境好，请选择下限；如果颗粒物较多，请选择上限。另外散热器通常采用四点悬挂，并且有两个主要悬挂点。为了减少散热器在工作过程中的振动，必须保证散热器受力平衡力，通常将悬挂点放置在单个总成上。如果未在单个总成，就具有缓冲作用的柔性材料辅助。3.2.2风扇的选择与设计风扇用途是通过增加空气量来加速热交换。轴流风扇易于部署且进气量大，通常用在强制水冷却中。风扇放置的原则是，当车辆行驶时，风扇吹出的空气的方向与风向的方向相同。如果您的汽车使用的是前置发动机，请选择鼓风机型冷却风扇，如果您的汽车使用的是后置式发动机，请为发动机选择吸气式冷却风扇。选择和匹配风扇时，风速也是风扇设计中要考虑的一个因素，风扇的速度与通过风扇的空气流量和风扇在运行期间产生的噪音都有关系，并且风扇消耗的功率与风扇的旋转速度呈三次方关系。因此，在空间和散热允许的情况下，应尽可能在设计中使用大直径低速风扇。这有效地提高了发动机的燃油效率并减少了工作期间产生的噪音。在设计中尽可能选择一个风扇离合器。它的作用是根据温度改变风扇的速度，以使其适应不同的运行条件和电动机。如果散热器又长又宽，则可以在设计时将一个大风扇替换为两个小风扇。设计时，风扇的外径应小于风扇芯的高度和宽度，典型设计范围为零点三到零点七米。增大冷却风扇叶片的宽度和叶轮数量将相应地增加风扇的风量和运行期间产生的压力值，但也会增加风扇运行期间的功率损耗。每个叶片的宽度应从根部到顶部逐渐增加，这种设计可以增加风扇的效率和叶片的强度。3.2.3补偿水箱的选择和设计补偿水箱根据其是否具有压力系统而分为两种类型。（1）压力类型。在这种情况下，有必要选择具有耐压力和耐热性的注水箱，通常将其安装在比散热器高的位置，以便将系统中的压力保持在所需的范围内。(2)没有压力的类型。在这种情况下，您可以选择对压力和热量具有一般抵抗力的补偿水箱，但压力盖所提供的系统压力必须与发动机所需的压力值相对应。设计时应将补偿桶设计为尽可能靠近散热器，这样可以缩短水管的长度。所选的固定支撑必须具有足够的强度要求，以防止车辆在行驶中掉落，并且在补偿水箱振动时必须能够吸收冲击。3.2.4水泵的选择与设计冷却水泵的选择与发动机的整体结构紧密相关，在设计时应在水泵和相应的发动机结构之间提供尽可能的使用较少的水管进行直接连接。冷却水泵叶轮的材料通常是铸铁，其厚度约为三毫米。叶片的形状通常是拱形的，特别是在叶片的入口处，并且出口位置稍窄。由于气体泄漏到水路或水泵进入条件差，冷却过程中经常混入蒸汽，水泵的流量减少，冷却叶片沸腾，出现气蚀现象，因此水泵的液侧也需要有良好的脱气能力，冷却液液侧应采用适当的通道布局或安装脱气系统。3.3发动机冷却系统主要性能参数的确定3.3.1发动机参数选用型号为YZ4105ZLQ的柴油机，参数表如下所示。发动机型号YZ4105ZLQ缸径（mm）105排量（L）4.087压缩比17:01额定功率kW105最大扭矩N.m420 额定转速rpm28003.3.2冷却系统散热量冷却系统散走的热流量∅w（kJ/h∅w=其中A为比例系数，指传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比;Hu为燃料低热值(kJ/kg):g柴油机（A）：0.18~0.25，该发动机为废气涡轮增压中冷，选择最高上限0.25为佳。ge取值为205g/(kW.h)，Pe取值为105kW，Hu取值为4.604x估算∅w≈68.823.3.3沸腾风温按照区域进行划分的话，冷却系统可分为三种：标准型（沸腾风温是40℃）加强型（沸腾风温是52℃）轻型（沸腾风温是34℃）该发动机使用标准型冷却系统3.3.4系统压力.此数据依据汽车设计手册中推荐的标准选取，系统压力为70KPa~110Kpa。3.4冷却系统分析的匹配计算3.4.1散热器的匹配.（1）冷却液的循环量qVw（mqVw=∅W其中∆tw

为冷却水在内燃机中循环时的容许温升(℃)，∆tw=0~12℃;

ρw为水的密度(kg/m3);

cρw取值为1000kg/m3，cpw取值为4.187kJ/(kg.℃)，∆tw估算qVw≈6.57（2）冷却空气提供量qqVa=∅W其中∆ta为散热器前后空气温度差，一般为10~30℃;ρa为空气密度ρa取值为1.01kg/m3,cpa取值为1.047kJ/(kg.℃)，估算qVa≈3.254m3（3）散热器正面积AAR=其中qVa为冷却空气量(m3/s);v估算AR≈0.325（4）散热器的水管数tt=q其中qVw为冷却水循环量;vwvw取值为0.6m/s，Af0取值为估算t≈95。（5）传热系数K传热系数KR根据vw与va估算为0.09Kw/m（6）散热器散热表面积AA=∅其中∆t=tw-ta，估算A3.4.2风扇的匹配