弛 关立哲王威何西常张众杰：发动机冷却系统研究综述 ３１ ∞述｝∞题一ｎ专 ｝｛综一ｉ 弛 妒 发动机冷却系统研究综述 Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ 关立哲’王威。何西常。张众杰 （１．军事交通学院科研部２．军事交通学院研究生管理大队） ［摘要］分别从流体的流动与传热、冷却系统与发动机的匹配与优化、冷却系统各部件的电子 控制进行了论述，介绍了发动机冷却系统的研究现状与研究方法，总结了智能化控制是发动机冷 却系统研究的发展趋势。 （关键词］发动机冷却系统综述 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ Ｓｕｍｍａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｏ 引言 流固耦合传热研究、一维与三维联合仿真是该领域 发动机冷却系统由冷却风扇、水泵、节温器、散 研究的热点内容。 热器和冷却水套等部件组成，每个部件的结构尺 ２．１流体流动问题研究 寸、布置位置、组织形式、材料性质、工作方式的不 目前对流体流动的研究手段主要为试验研究 同都会对冷却系统的性能产生影响。如今，随着发动 与数值模拟研究．在试验研究方面文献【 】利用流动 机强化程度的不断提高，缸内零部件承受的热负荷 显形法得到水套内冷却水流动的二维流场，从而改 不断增加。这就需要增加冷却系统的冷却能力来带 进了水套的设计。由于流体的流动状态直接影响到 走过多的热量；此外，发动机冷却系统的性能直接影 高温零部件的冷却，而冷却水套内部结构复杂，试验 响缸内工作过程和有害气体的排放，日益严格的排 方法难以进行更详细的研究。因此，流体流动的数 放法规也对冷却系统提出了新的要求。因此，开发高 值模拟方法逐渐受到人们的重视。文献［２１利用ＳＴＡＲ 效可靠的冷却系统 已经成为制约发动机进一步提 ＣＤ对水泵内部的三维湍流流场进行了模拟分析，研 高功率、改善经济性所面临的关键问题。目前，国内 究了水泵内部流场中各个位置的压力分布、速度分 外对发动机冷却系统的研究主要有试验研究与数 布等，为水泵的性能改进和结构设计提供了依据。 值仿真研究两个方法，数值仿真研究又包括一维仿 ２．２流固耦合传热研究 真方法、ＣＦＤ仿真方法、一维仿真与ＣＦＤ仿真联合的 流固耦合按其性质分为顺序耦合与整体耦合。 方法。国内采用ＣＦＤ仿真方法比较晚，但最近几年针 顺序耦合是一种单向传递方式。将活塞组、气缸套、 对冷却系统的ＣＦＤ仿真分析已经渐渐普及开来。 冷却介质作为一个耦合体，采用顺序耦合的方法对 发动机冷却系统的研究内容包括流体的流动 整个系统进行数值模拟。文献［ 卅建立了活塞组一气 与传热研究，冷却系统各部件尺寸、结构布置等与发 缸套一冷却介质的耦合系统的传热模型，并利用有限 动机的匹配与优化研究 电控冷却系统的研究等方 元分析软件把传热外边界处理成内边界，得到耦合 面。 系统的温度场和流场云图，能较好的模拟发动机的 ２流体流动与传热研究现状 稳态传热。 流体流动与传热涉及流场分布、温度分布、压 显然，顺序耦合只考虑到气缸套外壁的温度对 力分布、冷却均匀性和壁面换热系数等，流体的流动 缸内燃烧的影响．或活塞组一润滑油膜一气缸套换热 与传热方式直接影响冷却系统的效能。研究内容包 对气缸套外壁的影响，对于缸内工作过程和冷却水 括流体流动、流固耦合传热、一维与三维联合仿真， 之间的动态影响则无法模拟。发动机及其冷却系统 ３２ 内燃机与配件 ２０１２年第８期 整体耦合仿真方法把缸内流动、燃烧、对流传热与 燃烧室部件整体、水套耦合起来作为一个整体进行 模拟，从全局反映发动机的工作状态，从而实现发 动机与冷却系统之间的实时反馈。文献口 对流固耦 合传热系统作为一个整体进行研究 解决了单独研 究固体部件和流体传热时边界条件无法确定的问 题。得到了冷却系统温度场分布、流场分布、压力损 失等信息。 ２．３一维与三维联合仿真研究 一维仿真软件（ＦＬＯＷＭＡＳＴＥＲ、ＡＭＥＳＩＭ、ＧＴ— ＣＯＯＬ）的特点是得不到具体的细节，但对计算机硬 件的要求不高，计算速度快。而三维仿真软件（如 ＦＬＵＥＮＴ、ＳＴＡＲ—ＣＤ、ＦＩＲＥ等）可以可虑更多的细节。 但往往需要庞大的计算资源和精确的边界条件，这 些都限制了三维仿真的应用。若能使两者有机结 合，则会大大提高仿真的效率。 文献 利用三维软件ＳＣ／Ｔｅｔｒａ、一维软件ＦＬＯＷ— ＭＡＳＴＥＲ以及接口软件ＣＦＤｌｉｎｋ对四缸发动机的水 套流场进行了联合模拟，ＣＦＤｌｉｎｋ软件能够对一维与 三位之间数据的传递进行自动处理，大大提高了工 作效率．试验结果显示比单纯的三位模拟具有更高 的精度。 ３冷却系统部件的匹配与优化研究 合理的冷却系统部件设计与匹配可以缩小自 身体积、节省材料，提高冷却系统的整机性能。研究 内容包括冷却风扇的匹配与优化、冷却水套的匹配 与优化、散热器的匹配与优化。 ３．１ 冷却风扇匹配研究 国内外对冷却风扇的匹配研究主要集中在通 过仿真计算改变风扇的具体结构以提高风扇的性 能 在国内文献［８１与文献［９１分别对风扇的叶尖间隙与 导风罩的材料进行了研究，提高了风扇的气动性能， 减少了风扇的驱动功率。在国外文献 把轴流式风 扇流动特性试验结果同运用ＦＬＵＥＮＴ软件仿真的结 果进行了对比，发现仿真结果在误差允许的范围内， 并通过改善风扇结构防止气体回流提高了风扇的 效率。 ３ ２冷却水套优化设计与匹配研究 目前，冷却水套的设计与匹配研究主要体现在 消除流动死区，均匀分配冷却水流量，维持受热零 部件的温度范围等方面。如文献［１１－１３１通过ＣＦＤ软件对 冷却水套进行了模拟计算，对缸垫水孔位置和尺寸， 机油冷却器出口位置进行了优化与调整，消除了流 动死区 结果表明，改进后缸体水套冷却更加均匀， 流动性能比原机水套有了明显的改善。 ３．３散热器匹配分析与优化 散热器与冷却系统的匹配研究是冷却系统研 究最重要的一环，内容主要包括对散热器结构与材 质的研究 散热器结构与冷却系统的匹配主要通过建立 散热器的仿真模型，对散热器性能进行分析计算，进 而对散热器的结构进行优化，文献［１４－１５］编制了计算 程序，分别进行了散热器在整个冷却系统中的匹配 研究，为散热器选型设计提供了参考依据。文献 提 出了一种强化管带式散热器结构，并利用ＦＬＵＥＮＴ软 件对其和ＤＦ７内燃机车柴油机冷却系统原散热器进 行了三维数值分析。通过对传热系数、散热面积等参 数进行分析与对比，发现新结构具有更小的体积与 更好的散热能力。 散热器的材质选择对其性能也有较大的影响， 文献旧比较了铜质散热器与铝质散热器结构与特 点 通过试验得出了铝质管带式散热器在叉车上使 用时体积大幅缩小，散热性能远远优于铜质管片式 散热器。 ４ 电控冷却系统研究现状 传统的机械式冷却风扇、水泵等与曲轴相关联， 很容易出现冷却水温偏离正常工作范围的情况。因 此，将传统的机械式水泵、风扇与发动机解耦，并采 用电控式节温器，实现对冷却介质的单独控制是非 常必要的。研究内容包括单一部件电控研究、多部 件联合电控研究与控制策略的开发研究。 ４．１单一部件的电控研究 单一部件的电子控制研究对象单一，控制策略 相对比较简单 主要针对冷却风扇、水泵、节温器等 部件进行电控改造，实现冷却系统部件的工作状态 随发动机热状态而动态改变的能力，文献 ９１分别 对节温器与冷却风扇进行了电子控制，提高了系统 的冷却能力，保证了部件的安全可靠运行。 ４．２多部件联合的电控研究 随着信号采集技术及微控制技术的快速发展， 冷却系统各个部件的联合控制研究越来越多，如文 献［２ｏ－２２］对电控冷却系统进行了综合研究，以单片机为 智能控制核心元件，根据发动机冷却水温、转速等 参数实现电动水泵、风扇、节温器等的自动调节，既 可缩短预热时间，又可避免发动机过热，实现了冷却 能力的自动控制。使发动机始终在最佳温度范围内 工作。 ４．３电控冷却系统控制策略的研究 关立哲 王 威 何西常 张众杰：发动机冷却系统研究综述 冷却系统的控制策略主要根据冷却液的温度、 发动机转速与扭矩等指标，ＣＰＵ通过信号采集处理 给出控制指令，调节冷却系统各部件的工作状态。国 内对发动机电控冷却系统控制策略的研究主要有 开环控制策略、闭环控制策略，模糊控制策略等。文 献［２３１针对某型柴油机，通过对其散热需求分析，提出 了以发动机工况为主的开环预调控制策略和以发 动机出口冷却水温度为控制目标的闭环反馈控制 策略。该策略可保证发动机在不同的环境温度和工 况下冷却强度适宜。降低冷却系统的功耗。模糊控制 策略利用模糊数学．把人工控制策略用计算机来实 现，不依赖精确的数学模型，对系统参数的变化不敏 感，解决了采用常规的ＰＩＤ控制，系统模型难以建立 的问题，如文献 －２５］采用模糊控制策略，使发动机的 工作温度适中保持在最佳范围内。 传统的冷却系统通常采用机械驱动的冷却水 泵、冷却风扇和节温器，冷却介质的冷却强度取决于 发动机转速，通常不能满足发动机实际运行时的散 热需求，无法实现冷却液温度在各个工况内的合理 控制。因此，采用电子控制手段，通过传感器和处理 芯片根据实际温度调节冷却介质的流量。合理统筹 冷却系统的各个部件 －２７］，实现冷却系统部件的智 能化控制是冷却系统发展的趋势之一。 ５ 结论 （１）冷却系统是一个复杂的耦合体，其流动、传 热过程与发动机整体各物理场相互耦合在一起，因 此采用整体耦合方法对其进行模拟研究将是未来 发展的必然趋势。 （２）通过改进各部件的结构、材料、尺寸、工作 方式等使其与冷却系统达到最优匹配，提高了冷却 系的效率。 （３）使用电控冷却部件能控制冷却介质的流量， 能够实现发动机温度的精确控制，最大程度满足发 动机在不同工况与环境条件下的散热要求，具有十 分理想的应用前景；冷却系统的智能化控制是冷却 系统发展的目标。 参考文献 【１】王书义，王宪成，段初华．发动机冷却水流动的试验研究 【Ｊ］．车用发动机，１９９４（３）：３４—３６． ［２１刘小平，郭兰，顾维东．ＣＦＤＩ￣水泵数值分析［ＪＪ． 汽车 工程师．２０１０：２１—２４． ［３】李迎，俞小莉，等．发动机冷却系统流固耦合稳态传热三维 数值仿真【Ｊ］．内燃机学报，２００７，２５（３）：２５２—２５７． ［４】辛招等．耦合法用于柴油机冷却系统传热的研究【Ｊ］．农业 工程学报，２０１０，２６（１）：１７７—１８１． 【５］陈红岩，李婷．柴油机活塞一缸套一冷却水系统固流耦合传 热研究［Ｊ］．农业机械学报，２００６，３７（５）：３７—４０． ［６】骆清国等．柴油机缸体一缸套一缸盖一冷却水整体耦合传热 仿真研究［Ｊ】．车用发动机，２００９：３１—３５． 【７】ＷＡＴＡＮＡＢＥ Ｎｏｒｉｈｉｋｏ，ＫＵＢＯ Ｍａｓａｈｉｋｏ，ＹＯＭＯＤＡ Ｎｏｂｕｙｕｋｉ．Ａｎ １Ｄ－３Ｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｅｎ— ｇｉｎｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ［Ｃ］．ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ．２００６一Ｏ１—１６０３． ［８］上官文斌，吴敏，等．发动机冷却风扇气动性能的计算方法 ［Ｊ】．汽车工程，２０１０，３２（９）：７９９—８０２． 【９］孙新年，郭新民，等．农业机械发动机冷却系统柔性导风 罩的试验研究［Ｊ］．内燃机，２００７（３）：１６—２１． 【１０】Ｅｄｏ Ｙ．ＣＦＤ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ａｘｉａｌ Ｆｌｏｗ Ｆａｎｓ ｆｏｒ Ｒａｄｉａｔｏｒ Ｃｏｏｌｉｎｇ ｉｎ Ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｓ［Ｃ］．２００７． ［１１】刘铁刚等．４９８型柴油机冷却水套优化设计ｆＪ］．吉林大学 学报．２００８．３８（４）． ［１２】詹樟松，陈小东．应用ＣＦＤ技术对发动机冷却水套进行优 化设计［Ｊ］．汽车工程，２００５，２７（５）：５５０－５５２． ［１３］叶伊苏．车用柴油机冷却水套的ＣＦＤ分析与优化［Ｊ］．柴油 机，２００９，３１（１）：２４—２８． 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