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論文：現(xiàn)代車用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)研究進展
張振 2010/4/10
（接上頁）轉(zhuǎn)換效率只有機械能效率的一半,整個冷卻系統(tǒng)的能量消耗仍可降低2/3左右,優(yōu)勢十分明顯。HoonCho等人用電控冷卻水泵取代傳統(tǒng)機械水泵,利用試驗和模擬對比分析發(fā)現(xiàn),通過控制水泵轉(zhuǎn)速并提高電控水泵效率,功率消耗降低量超過87%,若將水泵轉(zhuǎn)速提高至最大值時,可降低散熱器尺寸超過27%,對提升發(fā)動機性能和燃料經(jīng)濟性潛力很大。
ValeoEngineCooling公司較早開發(fā)出了一種可變速冷卻風(fēng)扇發(fā)動機,其風(fēng)扇速度能根據(jù)冷卻液溫度和空氣調(diào)節(jié)循環(huán)參數(shù)來調(diào)整,從而能夠降低噪聲和燃料消耗。國內(nèi)郭新民等人對汽車智能化聲明,這對于提高發(fā)動機的熱效率等很有幫助。
2.2發(fā)動機冷卻介質(zhì)流動的合理組織
發(fā)動機的冷卻介質(zhì)主要包括水腔內(nèi)冷卻液和空氣側(cè)冷卻空氣。
2.2.1水腔內(nèi)冷卻水流動的組織
閉式強制循環(huán)冷卻方式中,水腔內(nèi)冷卻水流動的組織是直接影響冷卻效果的主要因素。改進發(fā)動機冷卻水套結(jié)構(gòu),尋求適當(dāng)?shù)睦鋮s水流量、壓力以及合理的流場分布成為高強化發(fā)動機研究開發(fā)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。
CloughM.J.早在1992年提出了“精確冷卻”的概念,即利用最少的冷卻以達到最佳的溫度分配。精確冷卻系統(tǒng)的設(shè)計關(guān)鍵在于確定冷卻水套的尺寸,選擇匹配的冷卻水泵,保證系統(tǒng)的散熱能力能夠滿足發(fā)動機低速大負(fù)荷時關(guān)鍵區(qū)域工作溫度的需求。研究表明,采用精確冷卻系統(tǒng),在發(fā)動機整個工作轉(zhuǎn)速范圍,冷卻液流量可下降40%。尤其適用于機體內(nèi)縱向流動的精確冷卻,體現(xiàn)在冷卻水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計與冷卻液流速的設(shè)計中。精確冷卻的潛在優(yōu)勢在于加快暖機速度,減少熱應(yīng)力和熱量損失,降低摩擦系數(shù)和冷卻水泵功率消耗,提高平均有效壓力和抗爆性。由于抗爆性的改進和鋁制氣缸蓋的廣泛應(yīng)用,因此相比柴油機而言,精確冷卻更適合于汽油機。
CouetouseH.等人提出分流式冷卻系統(tǒng)的設(shè)計,即氣缸蓋和氣缸體有不同的冷卻回路,使得氣缸蓋和氣缸體具有不同的溫度。發(fā)動機理想的工作狀態(tài)是氣缸蓋溫度低而氣缸體溫度高,這是由于較低的氣缸蓋溫度有利于進氣和改善排放,而較高的氣缸體溫度則有利于降低摩擦損失,改善燃油經(jīng)濟性。分流式冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢在于使發(fā)動機各部分在最優(yōu)的溫度設(shè)定點工作,達到較高的冷卻效率。研究表明,該系統(tǒng)可使兩者溫度相差約100℃,氣缸體溫度可高達150℃,而氣缸蓋溫度可降低約50℃,減少摩擦損失,降低油耗。較高的氣缸體溫度使油耗降低4%～6%,在部分負(fù)荷時HC排放降低20%～35%。節(jié)氣門全開時,氣缸蓋和氣缸體溫度設(shè)定值最大可調(diào)50℃和90℃,從整體上改善燃油消耗、功率輸出和排放。
無論是精確冷卻系統(tǒng)還是分流式冷卻系統(tǒng),都要求對發(fā)動機冷卻水套進行必要的改進以優(yōu)化冷卻液流動。從設(shè)計和使用角度看,分流式冷卻和精確冷卻相結(jié)合具有很好的發(fā)展前景,有利于形成理想的發(fā)動機溫度分布,滿足發(fā)動機對未來冷卻系統(tǒng)的要求。
2.2.2冷卻液流動的研究
目前,對冷卻液流動的研究手段主要為試驗研究和計算機數(shù)值模擬研究。在試驗研究方面,朱義倫等人采用激光多普勒測速儀(LDV)對發(fā)動機氣缸蓋冷卻水流動進行測量,得到冷卻水在平行于氣缸蓋與氣缸體接合面的二維流場;王書義、屈盛官等人則利用流動顯形法得到冷卻水流動的二維流場,通過研究二維流場以改進水腔設(shè)計。由于冷卻液流動的復(fù)雜性以及試驗研究的局限性,加上計算機軟硬件水平的極大發(fā)展,采用計算機數(shù)值模擬研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)水腔內(nèi)流動特性逐漸成為一種重要而有效的研究手段,其中CFD分析技術(shù)和有限元(FEA)耦合分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于冷卻液流動的研究。目前流行的大型CFD商業(yè)軟件有FLU2ENT,STAR—CD,FIRE等,應(yīng)用其進行發(fā)動機冷卻水套分析的技術(shù)已日益成熟,也取得了不少成果。相對傳統(tǒng)的分析技術(shù),CFD分析技術(shù)具有研究簡便、周期短、成本低、收效好等優(yōu)點。
但由于模擬精度的問題,CFD模擬也存在某些缺陷,必要的試驗研究還是必不可少的。研究表明,CFD軟件對平均流速的預(yù)測效果非常好,但是對湍流強度的預(yù)測卻往往低估近30%。要對產(chǎn)品進行更全面地分析,提高分析精度,進行流固耦合計算是必不可少的,為了精確預(yù)測固態(tài)金屬溫度場還要進行更深入地研究和改進。
2.2.3空氣側(cè)冷卻空氣流動的組織
冷卻水從發(fā)動機機體帶走的熱量主要通過散熱器排入大氣中,增壓發(fā)動機還需要利用冷卻空氣對增壓空氣進行中冷,因此,車輛迎風(fēng)空氣側(cè)冷卻空氣流動的組織在很大程度上制約著冷卻水冷卻效果,同時也影響發(fā)動機的工作性能。
BernhardUhl等人利用自主開發(fā)的一維模擬軟件對空氣側(cè)整體進行一維模擬,將得到的冷卻液質(zhì)量流量、散熱器進口溫度等結(jié)果作為邊界條件,用自主開發(fā)的換熱器分析程序與商業(yè)三維CFD軟件進（未完，下一頁）
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