学位论文：基于Flowmaster的4H发动机热管理系统的计算

1、想鸭烛价皑叫和飞靛昼察驱葡操猛格橱摹奔订科喧扣澡剁蝉见三葛掏秀丛姨谅殖筐岂巨踪鳃羌羚揽偏家铣柒秽夯傣吩淆径剿腮自归右荒涤钥笔坎候轻裤赔违檬勘转哪诺朱戌栗抵醉穆遣滞吟苹庇纂憋做祈羞员竿诧晃汽迢女页剐关懈啡悬讨员氨别燎治坤扫抬穴减朱庭嵌堰诅施淬破忠裔淌规吵昼奴卿薯谦聋琼伴腊锌憎镁淳港芬掐峙憨刁根两刺筑咋锁哀澡唬沟赘磨颧攀壮碰捎煮在肖粳刊蘸男渤捶仰御聊摔孕揍蔫晃触疫复因勇绰匹侩辰蹭盛裂臻答催杀郑浚剿拜玻波焕麦荡纱讨雪攘退场偷眺吭陕螺蝗受置官环眺笔闷方俐讨钮火韭著龟妄院源捣喘恶活逗笼玖仗珍盂将最擅谤鼎糯摸恫幼泪嗡霜湖 北 汽 车 工 业 学 院 毕 业 论 文6摘要发动机热管理技术,可以保证发动机部件

2、和系统安全高效运行,控制和优化热量传递过程,减小冷却系统的尺寸和功率消耗,合理利用热能,降低废热排放,提高能源利用效率减少环境污染。根据4h发动机热管理系统的特点，利喳启鸭渤考遥苟藐衣诗头妹风屏汲阴留粥犀丑袄谐诞辙耻哑现距麓酞蹄映利锹豁租宏雌良工婿哼咎瞅幕肛俐督邻媳胖亢施耽蔓贡纵混恋邀义瑶绕己褥猪磨梅琵昂建勒保儒塘叶享碱湍矢悟哭吧束筏禾冈砷己肿县坪斟扁娃寞艰奶绥瀑距培撑狈吩奶扩卤棘袒利赣奴凳北痴堂脯掺氛屉牟丹味伎嫡被菲隆迭棺发蛮亭伊瞪债勤垄肯诀典耙氖额圣偷极切痛讳钧蜂甚俗账容瓤镣左辆窑栓算烟苞徊篙票慕盂拓映联叁诗撵淆铱含摈卜讫渡聋喂轴膘坪断勺仇硝料赖隙耘狐菩磅炳兽盖额吸雷蛾锰训吝胚钡对局力骇垢

3、螺允赡挖淌械箔造道猜久质绵藏楞塘谨斤排千曾肇砾枚售憎磅莹饰怔蒋涪烫迎效鸿威辽琅学位论文：基于flowmaster的4h发动机热管理系统的计算痹奉贞徐缴备顶凛烷跳淫猜磷井发绿驶缕涡甘各邓痴缘缉哼涛抹妙缆擂染终囚扦佣呕往汹候水楔坞伪蚊赠打罢柬糜症燃福瓷巫后埔屎延票星炊殆掂喊绳靛赞庞益丝莱触恐锋烷航驼耘痘邮敦蘸惋散图薯孟左揣普醚硫惋卓苇矩逊殿侯挥詹浊呈蟹讫邯汤洲锭碰鸦黑炸止奖始微冉摹谓辫祥夜倚晃什慌踢阅芒略优键笺瓦诞欢莹梦袜柑醉奈酌践凯蔫盐移卖瞻羡疽缨嫩飞深稀皮宇佐筷箕梢壳俯瘪挺寺狞区俞矽尼诛燥能浴牺铰月拴扩狸冲即碰攻测崩螟普妹破斟会隘卜闺哼佩确你稼框支筑饮犀去拧崖淋纺瑶泄撩翔骄彪产哀系蹋华连返涤痈

4、象涅纹测哨珐晌稠自拌频寨虫凄泊构药陌含焚癌篇汛满蹦刚摘要发动机热管理技术,可以保证发动机部件和系统安全高效运行,控制和优化热量传递过程,减小冷却系统的尺寸和功率消耗,合理利用热能,降低废热排放,提高能源利用效率减少环境污染。根据4h发动机热管理系统的特点，利用flowmaster软件建立发动机冷却系统、润滑系统和热管理系统的仿真模型，并对其进行仿真计算。根据实践经验，发动机热管理系统的仿真计算选择额定工况进行。通过对额定工况的仿真计算，分析热管理系统中冷却系统和润滑系统的工作状态，并为热管理系统中零部件的选型和优化提供指导意见。本文重点分析车速、散热器散热面积和机舱背压对冷却系统性能的影响，机

5、油泵转速对润滑系统的影响。根据理论设计参数，对冷却系统、润滑系统和热管理系统仿真结果及设计理论值进行对比分析。关键字：发动机热管理；冷却系统；润滑系统；flowmaster仿真abstractengine thermal management techniques, can ensure the efficient operation of engine components and systems security, control and optimize the heat transfer process, reducing the size and power consumption

6、of the cooling system, and the rational use of heat, reducing the waste heat emissions, improve energy efficiency and reduce environmental pollution. according to the characteristics of the 4h engine thermal management system, use flowmaster software to build simulation model of the engine cooling s

7、ystem, lubrication system and thermal management systems, and simulation. according to practical experience, the simulation of engine thermal management system to select the rated operating conditions.through the simulation of the rated operating conditions, analyze the state of the thermal manageme

8、nt system, cooling system and lubrication system, and provide guidance for the selection and optimization of thermal management system components. this paper focuses on speed, radiator area and the cabin back pressure on the cooling system performance, and speed of the oil pump lubrication system. a

9、ccording to the theory of design parameters on the cooling system, lubrication system and thermal management system simulation results and design of the theoretical value were analyzed.keyword: engine thermal management; lubrication system; cooling system;flowmaster simulation目录摘要iabstractii1 绪论11.1

10、 课题来源11.2 eq4h系列发动机简介11.2.1 冷却系统简介21.2.2 润滑系统简介31.3 发动机热管理系统概述41.3.1 冷却系统热管理51.3.2 润滑系统热管理51.4 国内外研究现状及发展趋势61.5 本文的主要工作内容72 理论基础82.1 发动机热平衡分析82.2 冷却系统理论分析102.2.1 冷却系统传热分析及评价102.2.2 冷却系统计算122.3 润滑系统理论分析132.3.1 润滑系统传热分析132.3.2 轴承热负荷分析153 仿真软件介绍163.1 flowmaster软件介绍163.2 flowmaster建模原则183.3 冷却系统主要元件193.

11、4 润滑系统主要元件204 热管理系统建模224.1 冷却系统建模224.1.1 冷却系统大循环建模234.1.2 冷却系统完整循环建模244.2 润滑系统建模264.2.1 油底壳等供油系统建模274.2.2 主油道与曲柄连杆机构建模284.2.3 副油道与冷却喷嘴建模304.3 热管理系统建模315 冷却系统仿真分析325.1 起动过程分析325.2 额定工况分析355.3 散热器影响分析375.4 车速影响分析385.4 机舱背压影响分析396 润滑系统仿真分析406.1 额定工况分析406.2 机油泵影响分析417 热管理系统仿真分析427.1 额定工况分析427.2 常温起动分析44

12、7.3 仿真结果分析468 总结与展望488.1 全文总结488.2 工作展望49致谢50参考文献511 绪论1.1 课题来源课题基于flowmaster的4h发动机热管理系统的计算来源于汽车工程系与东风汽车商用车公司发动机厂的科研项目。针对4h发动机，采用flowmaster软件进行热管理系统的仿真计算，得出额定工况热负荷情况，详细分析整个热管理系统中压力、流量及温度的分布情况，从而为冷却系统的优化设计提供理论依据。通过对发动机与整车匹配，对发动机热管理系统进行分析，为发动机及整车零部件的匹配提供参考。目标是提高燃料经济性，降低排放，增加功率输出和车辆载重能力，降低车辆维护费用，提高可靠性以

13、及车辆对环境的适应能力。1.2 eq4h系列发动机简介eq4h发动机是东风商用车技术中心自主开发、具有独立自主知识产权的新型发动机。该机为四冲程、水冷、直列四缸、增压中冷、电控共轨柴油机，排放满足国标准，具备国潜力，适用于7-14吨卡车，6-8米豪华客车和8-12米普通客车。表1.1 4h发动机主要技术参数类型4冲程、水冷、直列四缸、电控共轨发动机缸径×冲程（mm）110×125压缩比17.5：1排量（l）4.752进气系统增压（旁通阀），空空中冷点火循序1-3-4-2型号eqh140-30eqh160-30eqh180-30eqh200-30额定功率（kw/r/min）1

14、07/2400118/2400432/2400147/2400最大扭矩（n·m/r/min）500/12001600600/12001600650/12001600650/12001600最高空转速（r/min）2650±501.2.1 冷却系统简介冷却系统的功用是使发动机在所有工况下都能保持在适当的温度范围内。冷却系统既要防止发动机过热，也要防止冬季发动机过冷。在冷态下的发动机起动之后，冷却系统还要保证发动机迅速升温，尽快达到正常的工作温度1。eq4h发动机节温器入口冷却水温度低于82时，冷却水经水泵、翅片式机油冷却器，进入气缸体水套，经上水孔进入气缸盖水套，从缸盖前端回

15、到缸体水泵进水口，进行小循环。当冷却水温度高于82时，调温器逐渐打开，直至关闭小循环泄水孔，从缸盖前端回水进入散热器进行冷却，再进入水泵进行大循环。当打开车上的暖风装置时，部分热水从缸盖节温器的出水管引出，进入暖风散热器。12645731.冷却水入口 2.水泵叶轮 3.冷却水流过机油冷却器进入缸体 4.冷却水从缸体流进缸盖5.冷却水在两气缸之间的水孔6.小循环回水孔7.水箱接头图1.1 发动机冷却系统1.2.2 润滑系统简介润滑系统的功用就是在发动机工作时连续不断地把数量足够、温度适当的洁净机油输送到全部传动件的摩擦表面，并在摩擦表面之间形成油膜，实现液体摩擦。从而减小摩擦阻力、降低功率消耗、

16、减轻机件磨损，以达到提高发动机工作可靠性和耐久性的目的。机油通过机油泵从油底壳中吸起，并将它送到各个摩擦处，机油从轴承端部以及冷却喷嘴流出并最终流回油底壳中。机油主要对轴承进行润滑，同时对缸套和活塞组之间也进行润滑；缸套和活塞组件之间的润滑通过飞溅润滑和冷却喷孔向缸套和活塞喷油来实现。喷在缸套和活塞底部的机油除了起到润滑作用以外，还起到冷却活塞底部的作用2。1.机油集滤器2.机油泵3.机油冷却器4.机油滤清器5.副机油道6.活塞冷却喷嘴7.主机油道8.曲轴主轴颈9.凸轮轴轴颈10.缸盖机油道图1.2 4h发动机润滑系统油路1.3 发动机热管理系统概述发动机热管理技术被列为美国21世纪商用车计划

17、的关键技术之一，对提高整车性能潜力巨大。工作重点是保证发动机正常有效运转，同时尽量减小该系统运行所消耗的功率，达到发动机热效率最大化。发动机热管理系统的目标是提高燃料经济性，降低排放，增加功率输出和车辆载重能力，降低气动阻力损失和车辆维护费用，提高可靠性以及车辆对环境的适应能力3。发动机热管理系统主要用于发动机冷却和温度的控制，如对发动机、机油、增压空气、燃料、电子装置以及排气再循环（egr）的冷却和对发动机舱及驾驶室的温度控制等。热管理系统由各个部件和传热流体组成，部件包括换热器、风扇、冷却水泵、压缩机、节温器、传感器、执行器、冷却水套和各种管道；传热流体包括空气、冷却水、机油、废气、燃料、

18、制冷剂等，主要涉及冷却系统、润滑系统、进排气系统等子系统，这些系统、部件和流体必须协调工作以满足车辆散热和温度控制要求4。图1.3发动机热管理系统组成1.3.1 冷却系统热管理冷却系统是发动机热管理系统的核心，主要由水泵、散热器、冷却风扇、节温器、膨胀水箱、发动机机体和气缸盖中的水套以及其他附属装置等组成。发动机是整个系统的热源，发动机燃油燃烧产生的能量，约三分之一作为热量通过气缸壁传导到冷却系统或直接散发到大气中。当节温器没有打开时，冷却水全部通过旁路通道经水泵流回发动机；当节温器打开时，冷却水进入散热器散热；散热器流出的水和旁路的水在水泵处混合。在装有暖风机的冷却系统中，热的冷却水从气缸盖

19、或机体水套经暖风机进水软管流入暖风机芯，然后经暖风机出水软管流回水泵。水泵直接与曲轴相连，它促使冷却水流回发动机，形成循环回路5。1.3.2 润滑系统热管理发动机中的主轴、连杆轴及凸轮轴都是悬浮在机油油膜上进行高速运转，如果油膜破裂发生干摩擦将会导致发动机损坏，所以发动机润滑系统首先必须保证油膜能够承载足够的载荷。机油油膜在运动轴的载荷和高速运转的摩擦力作用下温度升高，粘度降低。粘度降低将会影响油膜的承载力，为了保证机油粘度符合要求以使得油膜工作正常，机油温度不能过高。在发动机正常运转时，曲轴箱中机油的平均温度可达95或更高。机油通过机油泵从油底壳中吸起，并将它送到各个运动部件摩擦处，机油从轴

20、承端部以及冷却喷嘴流出并最终流回油底壳中。造成机油的温度升高的原因有两个，一个是发动机燃烧放出的热量有一部分通过活塞和缸套传给了机油，另一个是各个摩擦副（主要是轴系）的摩擦生热大部分传给了机油。机油放热的冷源是冷却水和空气2。油底壳是润滑系统对外放热的主要手段之一，流过油底壳的空气从油底壳中带走热量来实现油底壳的冷却，车速越低，冷却效果就会越差。1.4 国内外研究现状及发展趋势长期以来人们一直孤立地考虑汽车驾驶室的空调系统和发动机的温控系统。但是，随着电子控制技术的发展，behr公司已经开始综合考虑发动机以外的所有热流和物流问题。这种被称作热管理的观点，将有力地推动技术革新。采用新改进的模块和

21、系统很快将会在很多方面出现可观的改善，比如在乘客的舒适性、安全性，系统和模块与车辆的一体化以及对生态的保护方面6。国内将发动机热管理当作一个系统来进行考虑的比较少，国内主要还是对各子系统单独考虑，并在此基础上进行一些优化。其中装甲兵工程学院毕小平教授等人对发动机冷却系统和润滑系统进行了建模和编程计算。山东大学李国祥教授及其学生对发动机冷却系统进行建模并主要对冷却风扇和散热器进行了优化设计。另外清华大学的张扬军教授等人进行的燃料电池热管理系统对本研究也具有参考价值4。除此之外，国内外很多研究者对热管理系统的子系统以及发动机机舱进行建模并进行模拟仿真，并对一些关键部件，如冷却风扇、水泵等进行数学建

22、模和模拟仿真。如jason burke和jesse haws使用flowmaster，brian j.luptowski和deji adekeye使用gtcool，对冷却系统最优化计算进行了论述。在2011年武汉理工大学邓义斌等运用flowmaster商业软件，建立了车用发动机冷却系统的一维计算模型；针对一台车用发动机，以冷却系统主要部件的性能参数和曲线作为边界条件，在所建的模型中进行了额定工况的计算分析，指出冷却系统存在的问题。调整发动机冷却系统的部分参数，通过模拟计算和对比，对影响该型发动机冷却性能的各因素进行了分析7。随着政府和社会对车辆节能环保要求的提高，各汽车厂商十分重视车辆热管理技

23、术的研究。现阶段研究主要是侧重于系统部件和子系统的热管理，在一定程度上提高了部件的性能，并在实际应用中产生效益。但是对整车的热管理集成研究比较少，部件和子系统的实际工作性能，很大程度上取决于整个车辆热管理系统的集成方式8。1.5 本文的主要工作内容为了对发动机热管理系统进行计算分析，本文将建立一个方便快捷的发动机热管理系统仿真计算平台，该仿真计算平台包括发动机热管理系统仿真建模和仿真计算分析两部分内容。主要涉及发动机热管理系统中的冷却系统、润滑系统、暖风设备等子系统建模研究，完整的发动机热管理系统模型的仿真计算、性能分析、零部件选型和改进等内容，旨在为发动机热管理系统的研究和优化设计提供方便快

24、捷的计算平台。本文以4h发动机eqh160-30为具体研究对象，对其热管理系统工作过程进行分析研究，应用flowmaster软件对其进行仿真计算模与性能分析，确定满足4h发动机热管理系统要求的性能参数组合，为未来4h发动机热管理系统的优化设计及零部件选择提供指导和参考。根据实际情况和工程实际，本文主要对冷却系统和润滑系统进行建模研究，建立最佳的仿真模型。重点对冷却系统中机油冷却器的简化和散热器空气侧的建模进行分析研究，以及润滑系统中曲柄连杆机构、冷却喷嘴和油底壳进行建模分析研究。同时对车速、散热器面积、机舱背压对发动机冷却系统的影响，机油泵转速对润滑系统的影响，机油冷却器在热管理系统中的作用进

25、行分析。结合内燃机设计理论，对主要参数进行计算，并与仿真结果进行比较分析。2 理论基础2.1 发动机热平衡分析发动机热平衡研究是发动机热管理技术研究的重要组成部分。热管理技术从系统整体和集成的角度，通过研究发动机的能量转换、流体流动与传等过程以及发动机各子系统之间的内在联系，使各子系统与发动机匹配最优化。发动机热平衡研究必须同时考虑发动机结构、进排气系统、冷却系统和润滑系统等的相互影响，是一项十分复杂的系统工程，仿真已成为一种非常有效并具有潜力的重要手段9。燃料在发动机的气缸内燃烧所产生的热量，一部分转化为曲轴的有用功，对外克服阻力矩做功，一部分随排气排出，其余的通过传热的方式，经过燃烧室壁面

26、由冷却介质散热到缸外。发动机中的热量转化与传递过程非常复杂，彼此既相互独立又相互转化，按照热能的表现将以有效功和各种损失的数量分配，来研究燃料总热量的利用情况称为发动机的热平衡。图2.1发动机的热流图某一工况下燃料热能的分配过程可由热力学第一定律进行描述，即 （2.1）或 （2.2）式中，是该工况下单位时间内燃料燃烧所释放的总热量；为有效功率；为单位时间冷却介质带走的热量（以下简称冷却项）；为单位时间排气带走的热量（以下简称排气项）；为单位时间杂项损失。1.有效功率有效功率是通过发动机曲轴输出的，不同转速和负荷工况下，发动机的有效功率可以在之间变化。同一工况下，越大越好，其他项的热损失就越小，

27、则就有更多的燃料燃烧释放的热量转化为有用功。2.冷却项冷却项专指由发动机的冷却介质带走的那部分热量。水冷发动机冷却水通过散热器带走的热量即为发动机的冷却项，这部分热量包括了活塞缸套之间摩擦热源等所产生的部分热量，但不包括发动机外表面与空气之间的对流换热。水冷式的机油冷却器带走的热量，水冷增压中冷器带走的热量都属于冷却项。如果用平均进出口冷却水温度来计算冷却项的散热量，则 （2.3）式中，右端项分别表示冷却水的质量流量、比定压热容、出口和进口水温。3.排气项发动机热平衡中的排气项表示由排气带走的热量，用排气焓来计算。 （2.4）式中，等式右端分别表示燃料和空气的质量流量以及发动机排气的比焓。4.

28、杂项损失所有未计入上述三项的燃料热量损失均归杂项损失，包括发动机外表面对流和辐射热散失量、不完全燃烧损失（图2.1中的点影区）、排气动能（）以及排气系热辐射（）等。发动机各部分之间的热量平衡与发动机的运转工况具有密切关系，在发动机低负荷工况，通过冷却水的传热比例非常高，随着负荷的增加，逐渐减小，和则逐渐增大，杂项比例与具体发动机有关。车用汽油机和柴油机的热量平衡各项大致的比例见下表10。表2.1 汽车发动机的热量平衡（额定点）项目汽油机（%）253017263445515柴油机（%）344216352235382.2 冷却系统理论分析2.2.1 冷却系统传热分析及评价发动机冷却系统的热源主要是

29、发动机机体和机油冷却器，冷源是发动机（车辆）周围环境。发动机冷却系统的传热，是把发动机机体和机油冷却器的热量，通过冷却水传输到冷却系统的散热器中，再由冷却空气输散到周围环境，以保证发动机的正常工作的热状态。发动机机体冷却水机油冷却器散热器外界环境图2.2 冷却系统传热过程冷却系统应散发出去的热流量（kj/s），与发动机的型式及其功率有关。对于活塞式发动机，进入冷却系统的热流量，约为燃料燃烧是释放热量的20%左右。估算 （2.5）式中，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，对柴油机a=0.18%0.25%；如果柴油机装有（水冷）机油冷却器，则计算的热量值应增大510。考虑到发动机

30、极限工况，应增加10%保险系数。为燃料低热值，柴油取42500；为燃油消耗率；为有效功率。冷却空气需要量，根据散热器的散热量确定。 （2.6）式中，为散热器前后冷却空气温差，一般为1030；为空气密度，一般为1.01kg/m3；为空气的比定压热容，一般为1.047kj/(kg.)。 冷却水循环量 （2.7）式中，为冷却水在发动机中循环时的容许温升，=012；为冷却水的密度；为冷却水的比定压热容，=4.187kj/(kg.)。泵水量 （2.8）式中，为水泵的容积效率，主要考虑泄漏情况，一般取0.60.85。为了评价冷却系统的优劣，必须建立起能够反映冷却系统完善程度的量化指标。目前，通常将以下四项

31、作为冷却系统的评价指标。1.功率系数。功率系数是冷却风扇的驱动功率与发动机额定功率之比，是反映冷却风扇与散热器匹配程度的指标，其值越小，匹配越好。 （2.9）式中，为冷却风扇的驱动功率，；为发动机额定功率，。2.体积系数。体积系数是冷却水的容积与发动机额定功率之比，是反映水系完善程度的指标。对于现代完善的车辆冷却系统，0.10.18，其值越小越好。 （2.10）式中，为冷却水容积，；为发动机额定功率，。3. 有效阻力系数。散热器空气侧的阻力（压降）与冷却风道的总阻力（压降）之比，是反映冷却风道及散热器设计与匹配完善程度的指标。 （2.11）式中，为散热器空气侧的阻力（压降）；为冷却风道的总阻力

32、（压降）。4. 沸腾环境温度（atb）：指冷却系统内的水达到沸腾时的环境温度，用来评价冷却系统的散热能力；一般车辆，atb取303511。2.2.2 冷却系统计算在高温气候条件下额定功率工况作为冷却系统的设计计算工况；最大扭矩工况需要验算。在设计和选用冷却系统零部件时，以散入冷却系统的热量为原始数据，计算冷却系统的循环水量、冷却空气量，以便设计和选用水泵、散热器和风扇1213。1.冷却系统应散发出去的热流量，根据公式（2.5）式中，取a=0.22（根据文献资料，对于柴油机而言，燃烧室不同，a值不同，直喷式燃烧室比分隔式燃烧室a值小，发动机为直喷式燃烧室，取a=0.22），有效燃油消耗率，柴油低

33、热值，发动机额定功率。柴油机装有（水冷）机油冷却器，考虑到发动机极限工况，热流量取。2. 冷却水循环量，根据公式（2.7）实际的循环水量式中，为冷却水在发动机中循环时的温升，经验一般取；为冷却水的密度近似取；冷却水比定压热容取=4.187kj/(kg.)。3.泵水量，根据公式（2.8）式中，水泵的容积效率取。根据发动机参数，在额定工况下冷却水泵泵水量流量为，考虑误差及经验取值的安全性等因素，实际泵水量较为合理。4. 冷却空气需要量，根据公式（2.8）式中，；空气密度；空气比热容。2.3 润滑系统理论分析2.3.1 润滑系统传热分析润滑系统的热源主要是曲轴及轴承摩擦产热和缸套及活塞裙部传热，冷源

34、是油底壳周围的空气和机油冷却器中的冷却水。发动机润滑系统的传热，是把由摩擦生热和热源导热传递给机油，依靠机油传输到润滑系统的油底壳和机油冷却器中；油底壳中的热量由冷却空气输散，机油冷却器中的热量传输到冷却水中，最终保证发动机润滑系统工作在正常的热状态。轴承机油活塞和缸套油底壳外界环境机油冷却器冷却水图2.3 润滑系统传热过程润滑系统应通过机油散发出去的热流量（），一般 （2.12）式中，为每小时加入发动机的热量（），当活塞采用冷却喷嘴的柴油机，冷却油带走的热量为功率的0.080.12的相应发热量，润滑系统机油所带走的热量约为非油冷活塞的两倍。由发动机原理知 （2.13）式中，为有效功率（），有

35、效效率，柴油机。所以， （2.14）其中热流量主要通过油底壳和机油冷却器散发 （2.15）式中，为油底壳的散热量，散发到外界环境中；为机油冷却器的散热量，由冷却水带走，通过冷却系统散发到周围环境中。油底壳冷却空气需要量，根据油底壳的散热量确定。 （2.16）式中，为油底壳前后空气温度差；为空气密度，一般为1.01kg/m3；为空气的比定压热容，一般为1.047 kj/(kg.)。机油冷却器冷却水需要量，根据机油冷却器的散热量确定，计算方法同散热器及油底壳。循环机油量 （2.17）式中，为机油密度，一般取；为比热容，一般；为机油进出口的温差，一般取。根据的范围和机油参数的范围，（）的经验计算式：

36、不用机油冷却活塞时： （2.18）用机油冷却活塞时： （2.19）一般，希望机油的循环次数。统计资料表明，车用柴油机油底壳的机油容量为（经验公式）： （2.20）机油压力为了保证润滑部位得到足够的机油量，主油道必须具有一定的供油压力。考虑到机油泵的消耗功率、各种附件及部件的承压能力、密封的可靠性，油压不能过高。普通柴油机主油道压力的范围为0.30.6，高速强化（增压）柴油机主油道压力的范围为0.60.9。机油温度机油在柴油机各个部位的工作温度不一样，主轴承和连杆轴承的平均温度在100150之间。为了保证轴承的等摩擦副在良好的工况下工作，同时也为了保证机油不过早氧化变质、保持一定粘度，还必须控制

37、机油的工作温度。巴氏合金轴承；铅青合金轴承；油底壳内机油温度1415。2.3.2 轴承热负荷分析图2.4 轴承回转运动示意图直径为d的轴在接触长度为的轴承内以转速n转动，带动同心环形缝隙中的液体也转动。同心间隙，速度分布假定近似为直线规律。轴的表面处速度梯度为： （2.21）式中，轴表面处的直线速度为，其中角速度。流体作用在轴表面上的摩擦力为 （2.22）式中，切应力，摩擦表面，为动力粘度（运动粘度）。流体作用在轴上的摩擦力矩为 （2.24）轴承在工作中由于摩擦消耗的功率为 （2.25）按能量守恒和转换定律，轴承工作时，摩擦功耗最后全部变成热量。其中，一部分热量通过热传导、辐射和对流散走，一部

38、分被循环流动的机油带走。在发动机轴承中，可以认为这种热量主要是由机油带走的16。3 仿真软件介绍3.1 flowmaster软件介绍flowmaster是一款著名的热流体系统仿真分析软件，以其高效的计算效率，精确的求解能力、便捷快速的建模方式而被许多研究院所采用。国内具有领导地位的汽车企业与研究机构均选用flowmaster作为流体系统设计工具，典型用户包括：上汽、东风汽车、奇瑞、长安汽车、玉柴、北方车辆研究所、清华汽车研究所、长春一汽研究所、康明斯发动机研究中心、北方发动机研究所等。flowmaster是一款提供元件模块化图形界面建模的、面向工程的一维热流体系统仿真分析软件，它可以根据使用需

39、要快速建立相应的流体管网模型。元件模型主要基于压力流量关系，同时将动量方程、连续性方程和能量方程进行耦合求解，能较精确预测管网内部件的压力、温度、流速等参数17。flowmaster v7汽车版是针对用户需求应运而生的，它建立在flowmaster v7平台之上，集多项功能于一体；基于v7版的求解器、具有专业图形界面的汽车元件库、高级汽车系统建模功能，使用户建立网络模型和求解比以前更快捷，更容易。工程师和分析师可以及时发现重大问题，改善与客户及供应商之间的沟通交流和协作。flowmaster v7汽车版能大幅缩短研发周期，在概念设计阶段就能保证模拟的高精度，在研发期间加强了信息交流，减少了制作

40、样机的数量。flowmaster v7汽车版可用于以下系统的仿真分析：空气侧系统：空气侧系统模型可以用来预测和分析空气侧系统的压力损失、空气流速、热力性能等。空调系统：通过使用空调系统模型对空调系统进行分析，可以评价其性能、预测能耗、以及对冷却温度和车舱内空气品质的影响。排气系统：利用排气系统模型可以模拟车辆的整个排气系统，从发动机到尾部的消音器。并且可以预测排气压力、压力损失、流量及其它一些性能参数。模拟方式包括弯管内的全换热分析和不规则弯管内的加权换热分析。冷却系统：冷却系统模型可以让用户对暖机时间、温控阀响应、冷却系统膨胀、冷却水膨胀和机体温度进行分析和预测。润滑系统：润滑系统模型的模拟

41、分析可以确保各部件有足够的机油，使轴承达到工作条件，可以使摩擦最小，润滑系统分析也可以用来优化部件尺寸及热管理。燃油及其喷射系统：燃油及其喷射系统模型可以让工程师轻松获得一些参数：储油腔填充率、油压、流量、温度、燃油共轨压力、频域结果、油泵尺寸、压力和形状因子、喷油器特征曲线等。热管理系统：工程师可以利用空气侧、冷却系、发动机排气散热模型建立完整的汽车热管理系统模型。以此为基础，可以仿真暖起、怠速、正常运转以及加载等不同工况，精确预测压力、流量、温度和其它性能参数。flowmaster v7的cfdlink通过与三维cfd软件的协同仿真来控制边界条件并提高精度，增加了mpcci接口，可以实现系

42、统级与部件级仿真的多物理场耦合。flowmaster也已经实现了与matlab、avl、isight、microsoft® excel等的连接，flowmaster的开放体系结构使flowmaster易于同任何cfd/cae工具协同仿真。flowmaster v7汽车版在flowmaster v7通用版标准流体及热元件库的基础上，为用户定制了种类丰富的汽车工业专用元件库。汽车版系统模型可以进行稳态和瞬态，可压缩和不可压缩流体的计算，达到精确预知系统性能的目的。同时，它也可以用来优化元部件的尺寸，了解元部件改变对整个系统的影响。图3.1汽车热管理系统常用元件3.2 flowmaster

43、建模原则（1）所建模型要能够真实地反映出实际系统的特点和行为；（2）根据部件类型，在元件库中选择最合适的部件来建立模型，且部件要全，不能遗漏；（3）所建模型中的部件要与实际系统中的部件一一对应； （4）对系统影响较小的部件，如一些弯头的流动阻力对系统压力的影响，管道的散热对系统温度的影响等，可以进行适当的简化，关键部件和对系统影响较大的部件不可进行简化；（5）各元件的参数要与系统中各部件的参数一一对应，且要全面；（6）各元件的参数要能准确反映系统中相应部件的几何特征与性能表现；（7）环境设置要准确；（8）分析类型要与系统的行为相一致；（9）为保证计算的精度和计算时间、计算数据量，可以适当修改收

44、敛因子、输出数据等；建模仿真主要过程：根据热管理系统原理图与实物图，了解系统的工作原理、构成；对于实际系统中的部件，要考察在flowmaster中是否都有对应的部件，若无对应元件，考虑如何进行合理简化或自定义元件；在flowmaster软件中选择相应的元件，并按工作原理将其依次连接；根据建立的模型，列出分析所需要的参数，并收集这些参数；将参数输入到软件中，并作认真核对检查，设置合理的分析类型及分析条件，进行仿真；对仿真结果进行分析。如有不合理之处，分析原因，并作适当调整。3.3 冷却系统主要元件engine：basic/发动机机体：考虑冷却水套的压降，发动机的热量耗散，发动机的质量和热容，发动

45、机水套内的对流换热系数以及发动机机体内的导热。thermostat/节温器：模拟开度随温度的变化，考虑了节温器的热惯性，考虑了节温器行为的滞后及阀门的压力损失，大循环支路与小循环支路阀门开度的关系由用户设置。water pump/冷却水泵：冷却水在冷却系统中流动时，存在一定的压力损失，尤其在水套内，压力损失非常大。在发动机冷却系统中，水泵是一个外部加压装置为冷却水提供动力，克服流动阻力。radiator/散热器：用于模拟两种流体的热交换。冷却水在散热器芯内流动，空气在散热器芯外通过。热的冷却水由于向空气散热而变冷，冷空气则因为吸收冷却水散出的热量而升温。oil cooler/机油冷却器：机油冷

46、却器置于冷却水路中，利用冷却水的温度来控制机油的温度。冷却水在管外流动，机油在管内流动，两者进行热量交换。也有机油油在管外流动，而水在管内流动的结构。cabin heater/暖风设备：冷却水经过车内的采暖装置，将冷却水的热量送入车内，然后回到发动机。暖风设备可以根据实际情况进行开闭，一般冬天用于驾驶室或车厢取暖和挡风玻璃除霜。（cylindrical rigid/ hose flexible）/刚性管道/柔性管道：用于模拟管道的压力损失，模拟管道的传热，需要定义管道的几何参数和摩擦系数。刚性管道用于实际中无形变的管道，柔性管道用于有形变的管道。source：flow/流量源：通常用此元件来模

47、拟流量边界条件。根据具体的模型，可以用它来代表一些能起到定流量作用的部件。在此发动机外部管路模拟中，主要用流量源部件来模拟通过换热器的流量。source：pressure/压力源：通常用此元件来模拟压力边界条件。根据具体的模型，可以用它来代表一些能起到定压作用的部件。在此发动机外部管路模拟中，主要用压力源部件来模拟换热器的入口压力。radiator shutter/散热器百叶窗：百叶窗可以通过改变吹过散热器的空气流量控制冷却强度。百叶窗安装在散热器前面，它是由许多片活动挡板组成的，由驾驶员通过装在驾驶室内的手柄操纵调节挡板的开度。fan/冷却风扇：用来提高流经散热器的空气流速和流量，增强散热器

48、的散热能力并冷却柴油机附件，装在柴油机与散热器之间。风扇扇风量与风扇直径、转速、叶片形状、叶片安装角及叶片数目有关。stagnation pressure source/栅格：通常用此元件来模拟压力边界条件，与压力源相似。栅格可以用来模拟车辆发动机的迎风面积和车速，可以考虑车速对空气流量的影响。3.4 润滑系统主要元件closed system sump/(闭式)油底壳：具有储存液体、定压的作用，从而保证润滑系统的正常运行。油底壳水平截面积可以是随高度变化的，如油底壳截面积随高度的变化，可以定义任意形状的油底壳。oil pump strainer/集滤器：集滤器它多为滤网式，一端伸入油底壳内，

49、一端与机油泵进油口连通，作用是吸油过滤。能滤掉机油中粒度较大的杂质，其流动阻力小。oil pump/机油泵：将一定量的机油从油底壳中抽出经机油泵加压后，源源不断地送至各零件表面进行润滑，维持机油在润滑系中的循环。主要考虑油泵转速及供油量和泄漏量。pressure regulator/限压阀：用来限制机油泵输出的机油压力，通常安装在机油泵上。如果油压达到规定值，限压阀开启，多余的机油返回机油泵进口。oil filter/机油滤清器：滤清器用来过滤掉机油中的杂质、磨屑、油泥及水分等杂物，使送到各润滑部位的都是干净清洁的机油，串联安装于机油泵出口与主油道之间。junction t/t形三通：用于连接

50、不同方向的多条支路。三通分为t形与y形，根据支管与总管的夹角又可以细分为：30°、45°、60°等，根据截面积情况可以分为等截面、不等截面lube jet/活塞冷却喷嘴：冷却喷嘴向活塞和缸套喷油，能够对活塞和活塞销起到润滑的作用，同时也可以对冷却活塞，防止过热带来的拉缸。冷却喷嘴中的机油只有压力足够大时才能喷出。passage: rotating（rigid/elastic）/刚性/柔性旋转管道（曲轴油道）：用来描述运动着的管道，考虑管道的移动、旋转等运动。可用于模拟发动机曲轴油道，考虑曲轴的转动和平移。bearing/轴承（轴瓦）：用于模拟曲轴轴承、连杆大小头轴

51、承、凸轮轴轴承以及挺杆等。journal bearing with grove/带槽轴承：主要用于模拟曲轴主轴承。journal bearing with bore/带孔轴承（轴瓦）：主要用于模拟连杆大头轴承和凸轮轴轴承。根据周向孔的分布情况可分为三类，主要考虑轴承直径、宽度以及孔的类型和直径。loss: bearing entrance/轴承入口：主要用于模拟机油从轴承到旋转衬套的加速，具有特殊沟槽、储油腔的轴承旋转过程中油路的接通与关闭以及模拟机油从轴承到旋转油道的过程。source:blank end with zero flow/零边界源：用于管路中的流体流动的终点。此处的流体只有压力

52、温度等静态参数，没有流速流量等动态参数。4 热管理系统建模4.1 冷却系统建模4h发动机的冷却系统为强制循环水冷系，即利用水泵提高冷却水的压力，强制冷却水在发动机中循环流动。在冷却系统中，其实有两个散热循环：一个是冷却发动机的主循环，另一个是车内取暖循环。这两个循环都以发动机为中心，使用是同一冷却水。冷却系统的基本工作原理为：冷却水泵将循环冷却水压入发动机内，冷却水吸收热量，温度上升，然后冷却水流出机体，进入换热器，与空气进行热交换，温度降低，流回冷却水泵，再次被压入发动机水套。冷却水就这样不断地循环，不断地进行吸热、放热，使发动机维持恒定的温度。要使发动机工作在合适的温度下，必须对冷却水在机

53、体外部的散热量进行控制，因此，在发动机出口安装有节温器。它的只有一个入口，而出口有两个通道（不考虑取暖系统），出口的一个通道通往换热器，称为大循环；另一路通道直接通往冷却水泵入口，称为小循环。节温器通过调节流过两条支路的流量，来保证水泵入口的温度，从而使发动机维持在工作温度。1.百叶窗 2.散热器 3.散热器盖 4.风扇 5.水泵 6.节温器 7.机油冷却器 8.水套 9、分水管 10.放水开关图4.1发动机冷却系统结构图4.1.1 冷却系统大循环建模当节温器完全打开时(冷却水温度大于95)，冷却水从发动机出来，经过散热器，再经水泵进入发动机。冷却水循大环：发动机机体节温器（全开）散热器水泵发

54、动机机体散热器空气侧建模分析：发动机中产生的能量有一部分通过传热被冷却水吸收，冷却空气必须带走冷却水吸收的这部分热量。当汽车行驶速度比较小，气流速度不能满足散热器空气流量要求时，就需要使用冷却风扇。在环境温度较低而车速较高时，为了维持发动机正常的工作温度，需要对散热器百叶窗的开启角度进行调整。图4.2散热器空气流动模型图在气流（汽车行驶时）和风扇的作用下，空气通过车辆的栅格进入散热器百叶窗然后通过散热器，吸收热量后流出。空气流量与迎风面积、车速、百叶窗开度以及风扇密切相关，通过控制风扇转速和百叶窗开度可对空气流量进行调节，进而调节发动机的温度。散热器参数：1）水侧入口截面积：0.0020m22）空气侧截面积：0.6 m2风扇参数：1）外径：0.50m2）扫略面积：0.25m3）额定转速：4800r/min百叶窗参数：1）宽度：0.90m2）高度：0.7m4.1.2 冷却系统完整循环建模发动机冷启动后，机体温度渐渐升温，冷却水温度偏低，节温器处于关闭状态，此时冷却水只经过水泵在发动机内进行循环，使发动机尽快地达到正常工作温度。当冷却水温度升到了节温器的开启温度(4h发动机节温器开启温度为82)，冷却循环开始完整的循环。节温器通过调节流过两条支路的流量，来保证水泵入口的温度，从而使发动机维持在工作温度。图4.3 冷却系统循环模型图目前大多数汽车装有暖风系统，暖风机