本文利用一维流体计算仿真软件，对某型发动机匹配整车冷却系统进行分析计算，研究系统中冷却液的分配及压力分布状况，并依据试验得到的相关结果验证了计算模型，根据计算结果对影响发动机冷却性能的一些因素进行了分析。

发动机冷却系统是整车系统中一个重要的组成部分，发动机冷却系统的主要作用是将由水泵提供的冷却液顺利地分配给各个需要的零部件，并对相关零部件进行冷却或通过相关零部件进行散热。

发动机冷却系统布置对发动机能否正常运行起着至关重要的作用。冷却系统布置合理可以及时地将发动机运行过程中产生的热量散失到外界，确保发动机各部件的正常运行，反之则会出现发动机冷却不良，造成发动机拉缸等问题的出现。目前发动机冷却系统布置是各发动机厂家及整车厂家均十分重视的问题。

数值仿真

1.计算模型

计算模型主要根据整车发动机冷却系统的布置利用一维流体计算软件进行模型的建立，本次计算中冷却系统的原理如图1所示。

从图1中可以看出发动机冷却系统布置分4条支路：油冷器和增压器从缸体取水，油冷器和增压器均回水至散热器；暖风和散热器均从缸盖取水，二者均回水至水泵前端。计算模型如图2所示。

2.分析原理

冷却系统计算主要评价冷却系统中各参数是否匹配，考察系统的压力、流量和温度分布，保证在任意工况下冷却液流动的稳定性和足够的冷却液流量，确保冷却液冷却发动机的效果最好。

本次计算中未进行温度的计算，主要模拟各部件的流量分配和系统的压力损失，采用一维稳态计算方式，因此在建模过程中将主要部件定义为压损元件，即主要依据“流量—压力”关系对元件模型进行定义。系统流量和压力的分布主要依据各冷却部件的设计结构和管路的连接方式。

计算中冷却部件设置为阻尼部件，利用代替，根据部件的结构参数进行数据的输入。

直径和长度是影响管路的主要因素，根据管路的材质特性确定管路的阻力系数，计算中为管道的阻尼损失Friction Data提供了4种压损计算模型：Colebrook-While Equation Approximation； Hazen-Williams Equation； Fixed Friction Factor和 Enhanced Friction。本次计算中采用的Colebrook-While Equation Approximation模型，按照计算经验，钢制管路和黑橡胶管等材料的Roughness值设为0.025。

3.边界条件

计算中冷却液为水，计算包括发动机冷机状态和节温器全开状态，计算边界中主要包括4大部分：发动机水泵性能、发动机水套阻尼、冷却部件阻尼和管路阻尼。

本次计算中主要连接管路为钢管和橡胶管，故管路Roughness值设为0.025；管路的长度和直径均来自于实际测量。

水套阻尼可以根据水套CFD计算分析或实验结果进行总结分析得出，本次计算中发动机水套阻力根据相同机型实验数据计算所得，试验数据如图3所示。

水泵是冷却系统的心脏，它提供了冷却液循环所需要的动力，是冷却系统的核心。计算中输入水泵性能曲线，系统自动转化为水泵的suter曲线，本次计算水泵性能曲线如图4所示。

发动机冷却系统中冷却部件的作用各不相同：油冷器主要承担冷却发动机润滑系统润滑油的作用，保证润滑油起到良好的润滑作用；散热器是发动机主要的散热部件，承担着冷却发动机冷却液，因此在冷却系统中希望能有足够多的冷却液流经散热器，因此希望散热器内部冷却液的流动阻力尽可能的小；暖风主要承担在寒冷季节为驾驶室提供热源。计算中各冷却部件的阻尼曲线如图5所示。

计算结果

为验证模型的准确性，首先采用发动机额定转速时冷却系统的计算值和试验值进行对比如表所示。

从表中数据可以看出，计算值和试验值十分接近，说明模型的搭建即发动机内部的流动水阻和冷却部件各参数的设置准确可靠。

1.冷机状态

发动机冷机状态下冷却液流量分布如图6所示。

从图6中可以看出冷机状态下，发动机进水约86L/min，其中直接流回发动机的冷却液流量为53L/min，流经暖风冷却液流量为33L/min，而流经油冷器的流量约为7L/min。因冷机状态下节温器关闭故无冷却液流经散热器。

2.节温器全开状态

发动机节温器全开表明发动机已经由小循环进入到大循环状态，散热器已经开始冷却发动机冷却液，图7显示了额定转速时发动机冷却系统流量分布状况：

从计算结果可以看出，发动机额定转速时其中散热器流量最大达到137L/min，主要原因在于冷却系统中散热器发动机向外界散失热量的主要部件，为保证散热效果散热器内部管路布置更适于冷却液的流动，较其他冷却部件结构阻尼小，另从系统布置来看增压器和油冷器回水至散热器前，所以在系统中散热器分配的流量较大。从系统的流量分布看该发动机冷却系统布置中，各冷却部件流量与部件设计值相近，说明该系统的布置能够满足需求。

计算中，根据实际情况将水箱压力设为1.2bar（1bar＝105Pa），图8显示了额定转速时冷却系统压力分布，从结果看冷却系统中压力分布正常未出现压力剧烈波动点，计算得出水泵前的压力约为0.95bar，系统的压力损失约为1.73bar。从系统压力分布来看，系统压力较高发生汽蚀的可能性较小。

3.3发动机散热校核

根据相关发动机咨询公司的经验，汽油机运行过程中散失的热量约为总功率的52%，本机型额定功率为120kW，因此额定工况时发动机热量Q约为62.4kW，如有油冷器则Q应增大5%～10%，本次取10%，则系统总热量约为68.64kW。

假设发动机总热量均由散热器热交换完成，则散热器进出口温差应按如下公式计算：

式中

ΔT——散热器冷却液的温升（℃）；

ρ——水的密度，可近似取1000kg/m3；

C——水的比热容，可取4.187kJ/kg.℃。

根据以上计算散热器进出口温差至少应为7.2℃，而实际热平衡试验中散热器冷却液温差为8.7℃，发动机出口冷却液温度为102℃，冷却液温度合理，说明冷却系统布置能够满足发动机的正常运行。

结语

利用一维仿真软件对整车冷却系统进行分析，可以在设计阶段对影响冷却系统的诸多因素进行详细分析，为各部件之间的良好匹配提出一种行之有效的方法，从而优化整车冷却系统的布置。

一维冷却系统仿真可以为整车冷却系统整改提供理论依据，避免整改设计中可能出现的设计问题，节省研发成本。