一种内燃机冷却系统的热流量分析

1、汽车发动机冷却系统的热流量分析本文分析了汽车冷却系统传热理论模型的发展。该模型具有连接各种冷却系统子模型的模块化结构。从模型上看，汽车冷却系统的热传递速率可预计，并在设计和开发的早期阶段提供有用的信息。这项研究的目的是开发一个用于汽车冷却系统的分析和一种分析换热器的性能分析的仿真程序。从燃烧气体到冷却剂通过汽缸壁在发动机气缸的热释放速率，通过使用发动机循环模拟程序分析。在本文中，每个子模型的细节与车辆模型的整体结构描述在一起。关键词：模块化结构 冷却系统 换热器 计算机仿真程序 1 引言在汽车工业领域，汽车的设计的领域正在迅速向新技术的使用方向发展。汽车冷却系统目的是保证发动机能保持在其最有效

2、的实际操作温度。目前在汽车发动机的设计趋势是朝着更小更高效的发动机，但这样的结果是减少浪费的能量可用于加热和提高乘客的舒适度。目前的高效发动机系统创建热的发动机室，热排气管，热的润滑油，至少是从冷启动条件下，不会传给车厢内的乘客。这是有需要的去检查车辆的总热量平衡和控制烯烃，为车辆的搜索性能优化和成本节约。因此，一个更详细的分析是关于设计者的要求对现有的热资源分配优化。因此，发对于开发环境工程师来说这将是非常有用的，如果一个计算机模型可用于不仅仅是支持也能减少测试过程中所需的开发工作。这样一个模型可以模拟发动机冷却系统的热行为及其部件经营预测各种设计的影响参数。利用计算机仿真可以大大提高了开发

3、工作中性能趋势的预测和取舍，因此，对新一代汽车的加热和冷却系统将是更有效和更好的优化结果。本文的主要目的是开发计算设计机程序，可用于工程师对车辆冷却系统的流体的性能的计算。该模型可以预测发动机冷却系统温度对设计的影响、车上的热性能参数和操作条件的影响。本文也详细介绍了系统的热分析及其组件是可以通过预测得到的，冷却剂的温度和传热率在冷却回路和与其他组件的跨越边界也是可以预测的。2 模型的描述为了分析汽车冷却系统在传热与流体流动回路中的热流体的特性，建模工作要在组件和整个系统中开始实施。一个完整的模型包括为每一个可以集成一个整体的模型所需要的子模型，代表整个车辆热系统的主要成分包括构件建模涉及的一

4、些占主要成分的模型的发展以及发动机冷却系统与各自的热平衡方程和流体方程。整体的系统模型的子模型的集成成分可以为热系统的性能进行预测。仿真模型开发各组件：这是基于一个数学分析以及他们的传热与流体流动表示。这篇文章介绍汽车冷却系统的传热模型和汽车发展规划中的应用。早期的工作包括车辆冷却模型的发展已经报道了几篇相关的论文。整体模型是基于男性乘客汽车将所有主要的传热部件如发动机、冷却系统以及散热器。模型的结构是基于模块化来进行安排各个子模型的模拟性能和所有的传热元件的模拟性能。整个系统的热性能进行模拟是通过求解一组表示的系统的质量流量的连续性和能量守恒的微分方程得到的。2.1车辆模型车辆模型集成了以上

5、的所有的子模型来描述成为一个整体的系统模型进而来代表整个车辆。在我们建成的核心模型中，进行质量和能量流的迭代循环，一直重复直到达到我们需要的最新的稳态解。进行主迭代稳态回路计算然后以确定是否存在任何不平衡的能量守恒和质量和流量的连续性。对于每次迭代，未知变量的新值要进行重新计算，以此来减少错误。这些计算被重复直到所有质量与能量流的兼容性标准满足我们规定的误差范围内。一个典型的汽车冷却系统包括一个组件和几个流体的流数电路示意图。1。如可以看到，各个部件都是通过质量流和能量取决于它们的功能链接和性能特点。整车模型是由许多单独的组件模型，联系在一起，这样的输出结果从一个单独的模型从输入另一个边界条件

6、。车辆的速度：2.2发动机模型发动机已经开发的模型提供的热特性特点表征，发动机模型是基于一组所定义的保护能量和质量能在一个控制体积代表气缸的微分方程。这些方程的求解计算循环的温度采用两区循环模拟程序的压力的方法。燃烧过程是由热来代表的释放过程。循环进行模拟时使用基本设计参数输入数据和迭代计算直到达到稳定的条件。对于涡流火花点火发动机来说，气缸气体平均速度W（米/秒）的相关性很重要。火花点火发动机的试验显示了平均缸内气体速度对这种类型的发动机可接受的预测。2.3冷却系统模型这个模型将发动机的模型，散热器恒温热流量的计算率，为汽车冷却系统各部件的热通量和温度。热在冷却系统软管的损失被认为是可以完全

7、忽略的，因此冷却液温度从发动机吸收和消耗的热量散热器进行对热计算。能量方程进行迭代求解一组热力学条件时满足从发动机散热器之间的热的热平衡吸收和耗散。通常一个数值的解决方案是采用在一个平衡的条件下重复调整冷却液的温度值。迭代开始的一个假设是冷却液温度的热流量流入和流出的冷却剂回路可以计算。整体热平衡进行检查：如果在能量方程中存在的任何不平衡，可以进行冷却液温度回路重复修正，直到达到热平衡。在这些计算时，假定恒温电梯是冷却水温度和之间恒温活化温度的差成比例。图2显示了温控器的实际特性。这发动机和冷却速度之间的比率泵是一个固定的比例，并给出了制造。2.4换热器模型在换热器模型的基础上的散热器的散热特

8、性和实证性的相关性对空气和冷却剂侧系数进行计算传热。热换热器模型计算散热器传热基于有效性-NTU法由凯斯和伦敦描述的该模型的假设，散热器分成多个矩形进行每个段的散热分段计算。每个单元的冷却剂出口温度计算和全面综合散热器的面积。因此，该模型具有能力处理部分重叠在多人散热器包热交换器和不均匀的流速分布。冷却空气流的计算作为一个功能的车辆速度。进入的空气速度的支持使用由占车辆的速度和冷却风机的操作的相邻模型。这传热速率的计算散热器模型如下：在冷却液的传热系数一边是强制对流的计算传热的相关性由迪图斯贝尔特（1992）和式（1943）。热在空气侧传热是基于公式由常和王开发（1997）为百叶窗翅片。3 车

9、辆分析程序冷却系统图3显示了一个汽车冷却系统的分析程序流程图。形式如下图，我们知道分析程序的冷却系统是由通过这些工作条件的输入系统降低汽车的使用条件的冷却分析，发动机的几何结构，室温条件下，散热器几何和恒温特性。当车辆速度的由相关的齿轮来决定的，然后这是组织作为冷却系统的分析；计算发动机的条件和假设初始冷却液温度和流量条件。其次，再循环发动机的计冷却液温度的计算冷却系统的模型，还带有温控开度和冷却液流量的程序组织通过重新计算有一个解决方案直到这两相减的值是在公差的假设值的冷却模型和计算冷却剂温度的发动机模型。案件的细节研究结果如表1所示。4 实验为了检验模型预测的一系列试验的有效性是对散热器进

10、行风洞试验和发动机测功机试验。冷却液测量一系列的发动机转速和负载流量和冷却液温度条件。一种冷却系统用于实验的示意图如图4所示。测试实验系统由发动机，测功机，温度控制器，流量计等图中所示。表2显示了测试发动机的规格。所有的温度和流量数据与基于PC的数据采集系统与读解决冷却液流量计精度采用0.2磁型，精度散热器的散热试验在空气和冷却剂流量组合模拟的热性能。5 结果与讨论5.1仿真 图5可以看出在预测和衡量气缸压力的一个比较，是在火花点火发动机的1.5升四缸屋顶型和第3个门阀室上进行的。数字模拟，结果是在良好的协议与实验数据房屋得到的。模拟实验结果的偏差是在整个的曲柄角从在 + 

11、/ - 2.6,0 OO 的范围内。图6展示了在全面分期与各种热转移缸发动机转速的预测。5.2冷却系统的分析结果冷却液的流量计算与实测数据相比，在宽冷却液泵的转速范围内运行。图7显示压力流量之间的比较及冷却系统所获得的特征。从试验和预测的冷却系统的模型，可以看出，结果给出了在很宽的范围内的冷却液泵速度和节温器开度。还有他们之间的预测和良好的协议冷却液的流量测量。标准的测试实践是衡量热耗散LBR范围的冷却空气流率。散热器曲线表明，热冷却液流量变化的非线性耗散率。这是由于过渡路线在层流到湍流的塔利范围。散热试验从冷却剂侧的雷诺兹数2125至6368范围内进行

12、风洞试验。计算和比较测得的热耗散是如图8所示，说明与预测的比较和测得的热耗散率不同的冷却空气流量。他们表现出良好的协议表明，理论模型基于有效性-NTU法可以给更好的预测提供传热对空气和冷却剂侧系数支柱早期的代表。5.3整体冷却系统的分析结果车辆的热流量模型可以模拟所有的瓷砖作为主要成分的车辆，从而能够预测整个系统各部件的热行为。该模型可用于预测热的变化拒绝冷却液适用范围车辆速度的条件。图9显示了计算在每个齿轮全车速对道路范围内的全部散热。发动机的热传递率的计算是使用发动机循环模拟程序介绍以上的计算。空气流速和冷却剂流率采用冷却系统预测。在早些时候，对散热器的传热计算是依据有效性法。车辆的速度覆

13、盖范围，如图10，从10到140公里/小时，第五档，充分装载车。 预测的温度在高速度的条件下，图10，表明发动机出口冷却液温度降低很慢，从104.9摄氏度在20公里/小时的时到97摄氏度在60公里/小时的条件下，而预测散热器下游的空气温度下降80摄氏度在20公里/小时的条件下到65摄氏度在60公里/小时的条件下。预测的温度在低速度的条件表明，发动机出口冷却液温度下降随着车速检测可达80公里/小时，然后稳步上升，而散热器下游的空气温度折痕稳步随着车辆的速度的增加而增加，如图11。在这些条件下，温控器是标准地开在整个速度范围内，该冷却风扇在发生阶关闭跳跃变化。5.4模型应用本文的车辆热流动模型描述了模拟的各部件和系统的整体散热行为和系统性能的预测。该模型的预测包括稳态运行温度、质量流量和传热率冷却系统。该模型目前包括发动机冷却系统，散热器可扩展到其他成分包括发动机润滑油路、油冷却器和空气空调系统。车辆的热流量仿真模型在冷却系统的设计分析中发挥了非常关键作用。它可以提供支持和增强发展的同时也补充了热流量分析或CFD计算，从而充分优化高效冷却系统。6 结论计算机模拟程序已用于汽车冷却系统热性能的预测。它已被证明，有良好的协议与实验就能得到预测的结果，从而提