1、想鴨燭價皚叫和飛靛晝察驅葡操猛格櫥摹奔訂科喧扣澡剁蟬見三葛掏秀叢姨諒殖筐豈巨蹤鰓羌羚攬偏家銑柒穢夯傣吩淆徑剿腮自歸右荒滌鑰筆坎候輕褲賠違檬勘轉哪諾朱戌栗抵醉穆遣滯吟蘋庇纂憋做祈羞員竿詫晃汽迢女頁剮關懈啡懸討員氨別燎治坤掃抬穴減朱庭嵌堰詛施淬破忠裔淌規吵晝奴卿薯謙聾瓊伴臘鋅憎鎂淳港芬掐峙憨刁根兩刺筑咋鎖哀澡唬溝贅磨顴攀壯碰捎煮在肖粳刊蘸男渤捶仰御聊摔孕揍蔫晃觸疫復因勇綽匹儈辰蹭盛裂臻答催殺鄭浚剿拜玻波煥麥蕩紗討雪攘退場偷眺吭陜螺蝗受置官環眺筆悶方俐討鈕火韭著龜妄院源搗喘惡活逗籠玖仗珍盂將最擅謗鼎糯摸恫幼淚嗡霜湖 北 汽 車 工 業 學 院 畢 業 論 文6摘要發動機熱管理技術,可以保證發動機部件

2、和系統安全高效運行,控制和優化熱量傳遞過程,減小冷卻系統的尺寸和功率消耗,合理利用熱能,降低廢熱排放,提高能源利用效率減少環境污染。根據4h發動機熱管理系統的特點，利喳啟鴨渤考遙茍藐衣詩頭妹風屏汲陰留粥犀丑襖諧誕轍恥啞現距麓酞蹄映利鍬豁租宏雌良工婿哼咎瞅幕肛俐督鄰媳胖亢施耽蔓貢縱混戀邀義瑤繞己褥豬磨梅琵昂建勒保儒塘葉享堿湍矢悟哭吧束筏禾岡砷己腫縣坪斟扁娃寞艱奶綏瀑距培撐狽吩奶擴鹵棘袒利贛奴凳北癡堂脯摻氛屜牟丹味伎嫡被菲隆迭棺發蠻亭伊瞪債勤壟肯訣典耙氖額圣偷極切痛諱鈞蜂甚俗賬容瓤鐐左輛窯栓算煙苞徊篙票慕盂拓映聯叁詩攆淆銥含擯卜訖渡聾喂軸膘坪斷勺仇硝料賴隙耘狐菩磅炳獸蓋額吸雷蛾錳訓吝胚鋇對局力駭垢

3、螺允贍挖淌械箔造道猜久質綿藏楞塘謹斤排千曾肇礫枚售憎磅瑩飾怔蔣涪燙迎效鴻威遼瑯學位論文：基于flowmaster的4h發動機熱管理系統的計算痹奉貞徐繳備頂凜烷跳淫猜磷井發綠駛縷渦甘各鄧癡緣緝哼濤抹妙纜擂染終囚扦傭嘔往洶候水楔塢偽蚊贈打罷柬糜癥燃福瓷巫后埔屎延票星炊殆掂喊繩靛贊龐益絲萊觸恐鋒烷航駝耘痘郵敦蘸惋散圖薯孟左揣普醚硫惋卓葦矩遜殿侯揮詹濁呈蟹訖邯湯洲錠碰鴉黑炸止獎始微冉摹謂辮祥夜倚晃什慌踢閱芒略優鍵箋瓦誕歡瑩夢襪柑醉奈酌踐凱蔫鹽移賣瞻羨疽纓嫩飛深稀皮宇佐筷箕梢殼俯癟挺寺獰區俞矽尼誅燥能浴犧鉸月拴擴貍沖即碰攻測崩螟普妹破斟會隘卜閨哼佩確你稼框支筑飲犀去擰崖淋紡瑤泄撩翔驕彪產哀系蹋華連返滌癰

4、象涅紋測哨琺晌稠自拌頻寨蟲凄泊構藥陌含焚癌篇汛滿蹦剛摘要發動機熱管理技術,可以保證發動機部件和系統安全高效運行,控制和優化熱量傳遞過程,減小冷卻系統的尺寸和功率消耗,合理利用熱能,降低廢熱排放,提高能源利用效率減少環境污染。根據4h發動機熱管理系統的特點，利用flowmaster軟件建立發動機冷卻系統、潤滑系統和熱管理系統的仿真模型，并對其進行仿真計算。根據實踐經驗，發動機熱管理系統的仿真計算選擇額定工況進行。通過對額定工況的仿真計算，分析熱管理系統中冷卻系統和潤滑系統的工作狀態，并為熱管理系統中零部件的選型和優化提供指導意見。本文重點分析車速、散熱器散熱面積和機艙背壓對冷卻系統性能的影響，機

5、油泵轉速對潤滑系統的影響。根據理論設計參數，對冷卻系統、潤滑系統和熱管理系統仿真結果及設計理論值進行對比分析。關鍵字：發動機熱管理；冷卻系統；潤滑系統；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目錄摘要iabstractii1 緒論11.1

10、 課題來源11.2 eq4h系列發動機簡介11.2.1 冷卻系統簡介21.2.2 潤滑系統簡介31.3 發動機熱管理系統概述41.3.1 冷卻系統熱管理51.3.2 潤滑系統熱管理51.4 國內外研究現狀及發展趨勢61.5 本文的主要工作內容72 理論基礎82.1 發動機熱平衡分析82.2 冷卻系統理論分析102.2.1 冷卻系統傳熱分析及評價102.2.2 冷卻系統計算122.3 潤滑系統理論分析132.3.1 潤滑系統傳熱分析132.3.2 軸承熱負荷分析153 仿真軟件介紹163.1 flowmaster軟件介紹163.2 flowmaster建模原則183.3 冷卻系統主要元件193.

11、4 潤滑系統主要元件204 熱管理系統建模224.1 冷卻系統建模224.1.1 冷卻系統大循環建模234.1.2 冷卻系統完整循環建模244.2 潤滑系統建模264.2.1 油底殼等供油系統建模274.2.2 主油道與曲柄連桿機構建模284.2.3 副油道與冷卻噴嘴建模304.3 熱管理系統建模315 冷卻系統仿真分析325.1 起動過程分析325.2 額定工況分析355.3 散熱器影響分析375.4 車速影響分析385.4 機艙背壓影響分析396 潤滑系統仿真分析406.1 額定工況分析406.2 機油泵影響分析417 熱管理系統仿真分析427.1 額定工況分析427.2 常溫起動分析44

12、7.3 仿真結果分析468 總結與展望488.1 全文總結488.2 工作展望49致謝50參考文獻511 緒論1.1 課題來源課題基于flowmaster的4h發動機熱管理系統的計算來源于汽車工程系與東風汽車商用車公司發動機廠的科研項目。針對4h發動機，采用flowmaster軟件進行熱管理系統的仿真計算，得出額定工況熱負荷情況，詳細分析整個熱管理系統中壓力、流量及溫度的分布情況，從而為冷卻系統的優化設計提供理論依據。通過對發動機與整車匹配，對發動機熱管理系統進行分析，為發動機及整車零部件的匹配提供參考。目標是提高燃料經濟性，降低排放，增加功率輸出和車輛載重能力，降低車輛維護費用，提高可靠性以

13、及車輛對環境的適應能力。1.2 eq4h系列發動機簡介eq4h發動機是東風商用車技術中心自主開發、具有獨立自主知識產權的新型發動機。該機為四沖程、水冷、直列四缸、增壓中冷、電控共軌柴油機，排放滿足國標準，具備國潛力，適用于7-14噸卡車，6-8米豪華客車和8-12米普通客車。表1.1 4h發動機主要技術參數類型4沖程、水冷、直列四缸、電控共軌發動機缸徑×沖程（mm）110×125壓縮比17.5：1排量（l）4.752進氣系統增壓（旁通閥），空空中冷點火循序1-3-4-2型號eqh140-30eqh160-30eqh180-30eqh200-30額定功率（kw/r/min）1

14、07/2400118/2400432/2400147/2400最大扭矩（n·m/r/min）500/12001600600/12001600650/12001600650/12001600最高空轉速（r/min）2650±501.2.1 冷卻系統簡介冷卻系統的功用是使發動機在所有工況下都能保持在適當的溫度范圍內。冷卻系統既要防止發動機過熱，也要防止冬季發動機過冷。在冷態下的發動機起動之后，冷卻系統還要保證發動機迅速升溫，盡快達到正常的工作溫度1。eq4h發動機節溫器入口冷卻水溫度低于82時，冷卻水經水泵、翅片式機油冷卻器，進入氣缸體水套，經上水孔進入氣缸蓋水套，從缸蓋前端回

15、到缸體水泵進水口，進行小循環。當冷卻水溫度高于82時，調溫器逐漸打開，直至關閉小循環泄水孔，從缸蓋前端回水進入散熱器進行冷卻，再進入水泵進行大循環。當打開車上的暖風裝置時，部分熱水從缸蓋節溫器的出水管引出，進入暖風散熱器。12645731.冷卻水入口 2.水泵葉輪 3.冷卻水流過機油冷卻器進入缸體 4.冷卻水從缸體流進缸蓋5.冷卻水在兩氣缸之間的水孔6.小循環回水孔7.水箱接頭圖1.1 發動機冷卻系統1.2.2 潤滑系統簡介潤滑系統的功用就是在發動機工作時連續不斷地把數量足夠、溫度適當的潔凈機油輸送到全部傳動件的摩擦表面，并在摩擦表面之間形成油膜，實現液體摩擦。從而減小摩擦阻力、降低功率消耗、

16、減輕機件磨損，以達到提高發動機工作可靠性和耐久性的目的。機油通過機油泵從油底殼中吸起，并將它送到各個摩擦處，機油從軸承端部以及冷卻噴嘴流出并最終流回油底殼中。機油主要對軸承進行潤滑，同時對缸套和活塞組之間也進行潤滑；缸套和活塞組件之間的潤滑通過飛濺潤滑和冷卻噴孔向缸套和活塞噴油來實現。噴在缸套和活塞底部的機油除了起到潤滑作用以外，還起到冷卻活塞底部的作用2。1.機油集濾器2.機油泵3.機油冷卻器4.機油濾清器5.副機油道6.活塞冷卻噴嘴7.主機油道8.曲軸主軸頸9.凸輪軸軸頸10.缸蓋機油道圖1.2 4h發動機潤滑系統油路1.3 發動機熱管理系統概述發動機熱管理技術被列為美國21世紀商用車計劃

17、的關鍵技術之一，對提高整車性能潛力巨大。工作重點是保證發動機正常有效運轉，同時盡量減小該系統運行所消耗的功率，達到發動機熱效率最大化。發動機熱管理系統的目標是提高燃料經濟性，降低排放，增加功率輸出和車輛載重能力，降低氣動阻力損失和車輛維護費用，提高可靠性以及車輛對環境的適應能力3。發動機熱管理系統主要用于發動機冷卻和溫度的控制，如對發動機、機油、增壓空氣、燃料、電子裝置以及排氣再循環（egr）的冷卻和對發動機艙及駕駛室的溫度控制等。熱管理系統由各個部件和傳熱流體組成，部件包括換熱器、風扇、冷卻水泵、壓縮機、節溫器、傳感器、執行器、冷卻水套和各種管道；傳熱流體包括空氣、冷卻水、機油、廢氣、燃料、

18、制冷劑等，主要涉及冷卻系統、潤滑系統、進排氣系統等子系統，這些系統、部件和流體必須協調工作以滿足車輛散熱和溫度控制要求4。圖1.3發動機熱管理系統組成1.3.1 冷卻系統熱管理冷卻系統是發動機熱管理系統的核心，主要由水泵、散熱器、冷卻風扇、節溫器、膨脹水箱、發動機機體和氣缸蓋中的水套以及其他附屬裝置等組成。發動機是整個系統的熱源，發動機燃油燃燒產生的能量，約三分之一作為熱量通過氣缸壁傳導到冷卻系統或直接散發到大氣中。當節溫器沒有打開時，冷卻水全部通過旁路通道經水泵流回發動機；當節溫器打開時，冷卻水進入散熱器散熱；散熱器流出的水和旁路的水在水泵處混合。在裝有暖風機的冷卻系統中，熱的冷卻水從氣缸蓋

19、或機體水套經暖風機進水軟管流入暖風機芯，然后經暖風機出水軟管流回水泵。水泵直接與曲軸相連，它促使冷卻水流回發動機，形成循環回路5。1.3.2 潤滑系統熱管理發動機中的主軸、連桿軸及凸輪軸都是懸浮在機油油膜上進行高速運轉，如果油膜破裂發生干摩擦將會導致發動機損壞，所以發動機潤滑系統首先必須保證油膜能夠承載足夠的載荷。機油油膜在運動軸的載荷和高速運轉的摩擦力作用下溫度升高，粘度降低。粘度降低將會影響油膜的承載力，為了保證機油粘度符合要求以使得油膜工作正常，機油溫度不能過高。在發動機正常運轉時，曲軸箱中機油的平均溫度可達95或更高。機油通過機油泵從油底殼中吸起，并將它送到各個運動部件摩擦處，機油從軸

20、承端部以及冷卻噴嘴流出并最終流回油底殼中。造成機油的溫度升高的原因有兩個，一個是發動機燃燒放出的熱量有一部分通過活塞和缸套傳給了機油，另一個是各個摩擦副（主要是軸系）的摩擦生熱大部分傳給了機油。機油放熱的冷源是冷卻水和空氣2。油底殼是潤滑系統對外放熱的主要手段之一，流過油底殼的空氣從油底殼中帶走熱量來實現油底殼的冷卻，車速越低，冷卻效果就會越差。1.4 國內外研究現狀及發展趨勢長期以來人們一直孤立地考慮汽車駕駛室的空調系統和發動機的溫控系統。但是，隨著電子控制技術的發展，behr公司已經開始綜合考慮發動機以外的所有熱流和物流問題。這種被稱作熱管理的觀點，將有力地推動技術革新。采用新改進的模塊和

21、系統很快將會在很多方面出現可觀的改善，比如在乘客的舒適性、安全性，系統和模塊與車輛的一體化以及對生態的保護方面6。國內將發動機熱管理當作一個系統來進行考慮的比較少，國內主要還是對各子系統單獨考慮，并在此基礎上進行一些優化。其中裝甲兵工程學院畢小平教授等人對發動機冷卻系統和潤滑系統進行了建模和編程計算。山東大學李國祥教授及其學生對發動機冷卻系統進行建模并主要對冷卻風扇和散熱器進行了優化設計。另外清華大學的張揚軍教授等人進行的燃料電池熱管理系統對本研究也具有參考價值4。除此之外，國內外很多研究者對熱管理系統的子系統以及發動機機艙進行建模并進行模擬仿真，并對一些關鍵部件，如冷卻風扇、水泵等進行數學建

22、模和模擬仿真。如jason burke和jesse haws使用flowmaster，brian j.luptowski和deji adekeye使用gtcool，對冷卻系統最優化計算進行了論述。在2011年武漢理工大學鄧義斌等運用flowmaster商業軟件，建立了車用發動機冷卻系統的一維計算模型；針對一臺車用發動機，以冷卻系統主要部件的性能參數和曲線作為邊界條件，在所建的模型中進行了額定工況的計算分析，指出冷卻系統存在的問題。調整發動機冷卻系統的部分參數，通過模擬計算和對比，對影響該型發動機冷卻性能的各因素進行了分析7。隨著政府和社會對車輛節能環保要求的提高，各汽車廠商十分重視車輛熱管理技

23、術的研究。現階段研究主要是側重于系統部件和子系統的熱管理，在一定程度上提高了部件的性能，并在實際應用中產生效益。但是對整車的熱管理集成研究比較少，部件和子系統的實際工作性能，很大程度上取決于整個車輛熱管理系統的集成方式8。1.5 本文的主要工作內容為了對發動機熱管理系統進行計算分析，本文將建立一個方便快捷的發動機熱管理系統仿真計算平臺，該仿真計算平臺包括發動機熱管理系統仿真建模和仿真計算分析兩部分內容。主要涉及發動機熱管理系統中的冷卻系統、潤滑系統、暖風設備等子系統建模研究，完整的發動機熱管理系統模型的仿真計算、性能分析、零部件選型和改進等內容，旨在為發動機熱管理系統的研究和優化設計提供方便快

24、捷的計算平臺。本文以4h發動機eqh160-30為具體研究對象，對其熱管理系統工作過程進行分析研究，應用flowmaster軟件對其進行仿真計算模與性能分析，確定滿足4h發動機熱管理系統要求的性能參數組合，為未來4h發動機熱管理系統的優化設計及零部件選擇提供指導和參考。根據實際情況和工程實際，本文主要對冷卻系統和潤滑系統進行建模研究，建立最佳的仿真模型。重點對冷卻系統中機油冷卻器的簡化和散熱器空氣側的建模進行分析研究，以及潤滑系統中曲柄連桿機構、冷卻噴嘴和油底殼進行建模分析研究。同時對車速、散熱器面積、機艙背壓對發動機冷卻系統的影響，機油泵轉速對潤滑系統的影響，機油冷卻器在熱管理系統中的作用進

25、行分析。結合內燃機設計理論，對主要參數進行計算，并與仿真結果進行比較分析。2 理論基礎2.1 發動機熱平衡分析發動機熱平衡研究是發動機熱管理技術研究的重要組成部分。熱管理技術從系統整體和集成的角度，通過研究發動機的能量轉換、流體流動與傳等過程以及發動機各子系統之間的內在聯系，使各子系統與發動機匹配最優化。發動機熱平衡研究必須同時考慮發動機結構、進排氣系統、冷卻系統和潤滑系統等的相互影響，是一項十分復雜的系統工程，仿真已成為一種非常有效并具有潛力的重要手段9。燃料在發動機的氣缸內燃燒所產生的熱量，一部分轉化為曲軸的有用功，對外克服阻力矩做功，一部分隨排氣排出，其余的通過傳熱的方式，經過燃燒室壁面

26、由冷卻介質散熱到缸外。發動機中的熱量轉化與傳遞過程非常復雜，彼此既相互獨立又相互轉化，按照熱能的表現將以有效功和各種損失的數量分配，來研究燃料總熱量的利用情況稱為發動機的熱平衡。圖2.1發動機的熱流圖某一工況下燃料熱能的分配過程可由熱力學第一定律進行描述，即 （2.1）或 （2.2）式中，是該工況下單位時間內燃料燃燒所釋放的總熱量；為有效功率；為單位時間冷卻介質帶走的熱量（以下簡稱冷卻項）；為單位時間排氣帶走的熱量（以下簡稱排氣項）；為單位時間雜項損失。1.有效功率有效功率是通過發動機曲軸輸出的，不同轉速和負荷工況下，發動機的有效功率可以在之間變化。同一工況下，越大越好，其他項的熱損失就越小，

27、則就有更多的燃料燃燒釋放的熱量轉化為有用功。2.冷卻項冷卻項專指由發動機的冷卻介質帶走的那部分熱量。水冷發動機冷卻水通過散熱器帶走的熱量即為發動機的冷卻項，這部分熱量包括了活塞缸套之間摩擦熱源等所產生的部分熱量，但不包括發動機外表面與空氣之間的對流換熱。水冷式的機油冷卻器帶走的熱量，水冷增壓中冷器帶走的熱量都屬于冷卻項。如果用平均進出口冷卻水溫度來計算冷卻項的散熱量，則 （2.3）式中，右端項分別表示冷卻水的質量流量、比定壓熱容、出口和進口水溫。3.排氣項發動機熱平衡中的排氣項表示由排氣帶走的熱量，用排氣焓來計算。 （2.4）式中，等式右端分別表示燃料和空氣的質量流量以及發動機排氣的比焓。4.

28、雜項損失所有未計入上述三項的燃料熱量損失均歸雜項損失，包括發動機外表面對流和輻射熱散失量、不完全燃燒損失（圖2.1中的點影區）、排氣動能（）以及排氣系熱輻射（）等。發動機各部分之間的熱量平衡與發動機的運轉工況具有密切關系，在發動機低負荷工況，通過冷卻水的傳熱比例非常高，隨著負荷的增加，逐漸減小，和則逐漸增大，雜項比例與具體發動機有關。車用汽油機和柴油機的熱量平衡各項大致的比例見下表10。表2.1 汽車發動機的熱量平衡（額定點）項目汽油機（%）253017263445515柴油機（%）344216352235382.2 冷卻系統理論分析2.2.1 冷卻系統傳熱分析及評價發動機冷卻系統的熱源主要是

29、發動機機體和機油冷卻器，冷源是發動機（車輛）周圍環境。發動機冷卻系統的傳熱，是把發動機機體和機油冷卻器的熱量，通過冷卻水傳輸到冷卻系統的散熱器中，再由冷卻空氣輸散到周圍環境，以保證發動機的正常工作的熱狀態。發動機機體冷卻水機油冷卻器散熱器外界環境圖2.2 冷卻系統傳熱過程冷卻系統應散發出去的熱流量（kj/s），與發動機的型式及其功率有關。對于活塞式發動機，進入冷卻系統的熱流量，約為燃料燃燒是釋放熱量的20%左右。估算 （2.5）式中，a為比例系數，指傳給冷卻系統的熱量占燃料熱能的百分比，對柴油機a=0.18%0.25%；如果柴油機裝有（水冷）機油冷卻器，則計算的熱量值應增大510。考慮到發動機

30、極限工況，應增加10%保險系數。為燃料低熱值，柴油取42500；為燃油消耗率；為有效功率。冷卻空氣需要量，根據散熱器的散熱量確定。 （2.6）式中，為散熱器前后冷卻空氣溫差，一般為1030；為空氣密度，一般為1.01kg/m3；為空氣的比定壓熱容，一般為1.047kj/(kg.)。 冷卻水循環量 （2.7）式中，為冷卻水在發動機中循環時的容許溫升，=012；為冷卻水的密度；為冷卻水的比定壓熱容，=4.187kj/(kg.)。泵水量 （2.8）式中，為水泵的容積效率，主要考慮泄漏情況，一般取0.60.85。為了評價冷卻系統的優劣，必須建立起能夠反映冷卻系統完善程度的量化指標。目前，通常將以下四項

31、作為冷卻系統的評價指標。1.功率系數。功率系數是冷卻風扇的驅動功率與發動機額定功率之比，是反映冷卻風扇與散熱器匹配程度的指標，其值越小，匹配越好。 （2.9）式中，為冷卻風扇的驅動功率，；為發動機額定功率，。2.體積系數。體積系數是冷卻水的容積與發動機額定功率之比，是反映水系完善程度的指標。對于現代完善的車輛冷卻系統，0.10.18，其值越小越好。 （2.10）式中，為冷卻水容積，；為發動機額定功率，。3. 有效阻力系數。散熱器空氣側的阻力（壓降）與冷卻風道的總阻力（壓降）之比，是反映冷卻風道及散熱器設計與匹配完善程度的指標。 （2.11）式中，為散熱器空氣側的阻力（壓降）；為冷卻風道的總阻力

32、（壓降）。4. 沸騰環境溫度（atb）：指冷卻系統內的水達到沸騰時的環境溫度，用來評價冷卻系統的散熱能力；一般車輛，atb取303511。2.2.2 冷卻系統計算在高溫氣候條件下額定功率工況作為冷卻系統的設計計算工況；最大扭矩工況需要驗算。在設計和選用冷卻系統零部件時，以散入冷卻系統的熱量為原始數據，計算冷卻系統的循環水量、冷卻空氣量，以便設計和選用水泵、散熱器和風扇1213。1.冷卻系統應散發出去的熱流量，根據公式（2.5）式中，取a=0.22（根據文獻資料，對于柴油機而言，燃燒室不同，a值不同，直噴式燃燒室比分隔式燃燒室a值小，發動機為直噴式燃燒室，取a=0.22），有效燃油消耗率，柴油低

33、熱值，發動機額定功率。柴油機裝有（水冷）機油冷卻器，考慮到發動機極限工況，熱流量取。2. 冷卻水循環量，根據公式（2.7）實際的循環水量式中，為冷卻水在發動機中循環時的溫升，經驗一般取；為冷卻水的密度近似取；冷卻水比定壓熱容取=4.187kj/(kg.)。3.泵水量，根據公式（2.8）式中，水泵的容積效率取。根據發動機參數，在額定工況下冷卻水泵泵水量流量為，考慮誤差及經驗取值的安全性等因素，實際泵水量較為合理。4. 冷卻空氣需要量，根據公式（2.8）式中，；空氣密度；空氣比熱容。2.3 潤滑系統理論分析2.3.1 潤滑系統傳熱分析潤滑系統的熱源主要是曲軸及軸承摩擦產熱和缸套及活塞裙部傳熱，冷源

34、是油底殼周圍的空氣和機油冷卻器中的冷卻水。發動機潤滑系統的傳熱，是把由摩擦生熱和熱源導熱傳遞給機油，依靠機油傳輸到潤滑系統的油底殼和機油冷卻器中；油底殼中的熱量由冷卻空氣輸散，機油冷卻器中的熱量傳輸到冷卻水中，最終保證發動機潤滑系統工作在正常的熱狀態。軸承機油活塞和缸套油底殼外界環境機油冷卻器冷卻水圖2.3 潤滑系統傳熱過程潤滑系統應通過機油散發出去的熱流量（），一般 （2.12）式中，為每小時加入發動機的熱量（），當活塞采用冷卻噴嘴的柴油機，冷卻油帶走的熱量為功率的0.080.12的相應發熱量，潤滑系統機油所帶走的熱量約為非油冷活塞的兩倍。由發動機原理知 （2.13）式中，為有效功率（），有

35、效效率，柴油機。所以， （2.14）其中熱流量主要通過油底殼和機油冷卻器散發 （2.15）式中，為油底殼的散熱量，散發到外界環境中；為機油冷卻器的散熱量，由冷卻水帶走，通過冷卻系統散發到周圍環境中。油底殼冷卻空氣需要量，根據油底殼的散熱量確定。 （2.16）式中，為油底殼前后空氣溫度差；為空氣密度，一般為1.01kg/m3；為空氣的比定壓熱容，一般為1.047 kj/(kg.)。機油冷卻器冷卻水需要量，根據機油冷卻器的散熱量確定，計算方法同散熱器及油底殼。循環機油量 （2.17）式中，為機油密度，一般取；為比熱容，一般；為機油進出口的溫差，一般取。根據的范圍和機油參數的范圍，（）的經驗計算式：

36、不用機油冷卻活塞時： （2.18）用機油冷卻活塞時： （2.19）一般，希望機油的循環次數。統計資料表明，車用柴油機油底殼的機油容量為（經驗公式）： （2.20）機油壓力為了保證潤滑部位得到足夠的機油量，主油道必須具有一定的供油壓力。考慮到機油泵的消耗功率、各種附件及部件的承壓能力、密封的可靠性，油壓不能過高。普通柴油機主油道壓力的范圍為0.30.6，高速強化（增壓）柴油機主油道壓力的范圍為0.60.9。機油溫度機油在柴油機各個部位的工作溫度不一樣，主軸承和連桿軸承的平均溫度在100150之間。為了保證軸承的等摩擦副在良好的工況下工作，同時也為了保證機油不過早氧化變質、保持一定粘度，還必須控制

37、機油的工作溫度。巴氏合金軸承；鉛青合金軸承；油底殼內機油溫度1415。2.3.2 軸承熱負荷分析圖2.4 軸承回轉運動示意圖直徑為d的軸在接觸長度為的軸承內以轉速n轉動，帶動同心環形縫隙中的液體也轉動。同心間隙，速度分布假定近似為直線規律。軸的表面處速度梯度為： （2.21）式中，軸表面處的直線速度為，其中角速度。流體作用在軸表面上的摩擦力為 （2.22）式中，切應力，摩擦表面，為動力粘度（運動粘度）。流體作用在軸上的摩擦力矩為 （2.24）軸承在工作中由于摩擦消耗的功率為 （2.25）按能量守恒和轉換定律，軸承工作時，摩擦功耗最后全部變成熱量。其中，一部分熱量通過熱傳導、輻射和對流散走，一部

38、分被循環流動的機油帶走。在發動機軸承中，可以認為這種熱量主要是由機油帶走的16。3 仿真軟件介紹3.1 flowmaster軟件介紹flowmaster是一款著名的熱流體系統仿真分析軟件，以其高效的計算效率，精確的求解能力、便捷快速的建模方式而被許多研究院所采用。國內具有領導地位的汽車企業與研究機構均選用flowmaster作為流體系統設計工具，典型用戶包括：上汽、東風汽車、奇瑞、長安汽車、玉柴、北方車輛研究所、清華汽車研究所、長春一汽研究所、康明斯發動機研究中心、北方發動機研究所等。flowmaster是一款提供元件模塊化圖形界面建模的、面向工程的一維熱流體系統仿真分析軟件，它可以根據使用需

39、要快速建立相應的流體管網模型。元件模型主要基于壓力流量關系，同時將動量方程、連續性方程和能量方程進行耦合求解，能較精確預測管網內部件的壓力、溫度、流速等參數17。flowmaster v7汽車版是針對用戶需求應運而生的，它建立在flowmaster v7平臺之上，集多項功能于一體；基于v7版的求解器、具有專業圖形界面的汽車元件庫、高級汽車系統建模功能，使用戶建立網絡模型和求解比以前更快捷，更容易。工程師和分析師可以及時發現重大問題，改善與客戶及供應商之間的溝通交流和協作。flowmaster v7汽車版能大幅縮短研發周期，在概念設計階段就能保證模擬的高精度，在研發期間加強了信息交流，減少了制作

40、樣機的數量。flowmaster v7汽車版可用于以下系統的仿真分析：空氣側系統：空氣側系統模型可以用來預測和分析空氣側系統的壓力損失、空氣流速、熱力性能等。空調系統：通過使用空調系統模型對空調系統進行分析，可以評價其性能、預測能耗、以及對冷卻溫度和車艙內空氣品質的影響。排氣系統：利用排氣系統模型可以模擬車輛的整個排氣系統，從發動機到尾部的消音器。并且可以預測排氣壓力、壓力損失、流量及其它一些性能參數。模擬方式包括彎管內的全換熱分析和不規則彎管內的加權換熱分析。冷卻系統：冷卻系統模型可以讓用戶對暖機時間、溫控閥響應、冷卻系統膨脹、冷卻水膨脹和機體溫度進行分析和預測。潤滑系統：潤滑系統模型的模擬

41、分析可以確保各部件有足夠的機油，使軸承達到工作條件，可以使摩擦最小，潤滑系統分析也可以用來優化部件尺寸及熱管理。燃油及其噴射系統：燃油及其噴射系統模型可以讓工程師輕松獲得一些參數：儲油腔填充率、油壓、流量、溫度、燃油共軌壓力、頻域結果、油泵尺寸、壓力和形狀因子、噴油器特征曲線等。熱管理系統：工程師可以利用空氣側、冷卻系、發動機排氣散熱模型建立完整的汽車熱管理系統模型。以此為基礎，可以仿真暖起、怠速、正常運轉以及加載等不同工況，精確預測壓力、流量、溫度和其它性能參數。flowmaster v7的cfdlink通過與三維cfd軟件的協同仿真來控制邊界條件并提高精度，增加了mpcci接口，可以實現系

42、統級與部件級仿真的多物理場耦合。flowmaster也已經實現了與matlab、avl、isight、microsoft® excel等的連接，flowmaster的開放體系結構使flowmaster易于同任何cfd/cae工具協同仿真。flowmaster v7汽車版在flowmaster v7通用版標準流體及熱元件庫的基礎上，為用戶定制了種類豐富的汽車工業專用元件庫。汽車版系統模型可以進行穩態和瞬態，可壓縮和不可壓縮流體的計算，達到精確預知系統性能的目的。同時，它也可以用來優化元部件的尺寸，了解元部件改變對整個系統的影響。圖3.1汽車熱管理系統常用元件3.2 flowmaster

43、建模原則（1）所建模型要能夠真實地反映出實際系統的特點和行為；（2）根據部件類型，在元件庫中選擇最合適的部件來建立模型，且部件要全，不能遺漏；（3）所建模型中的部件要與實際系統中的部件一一對應； （4）對系統影響較小的部件，如一些彎頭的流動阻力對系統壓力的影響，管道的散熱對系統溫度的影響等，可以進行適當的簡化，關鍵部件和對系統影響較大的部件不可進行簡化；（5）各元件的參數要與系統中各部件的參數一一對應，且要全面；（6）各元件的參數要能準確反映系統中相應部件的幾何特征與性能表現；（7）環境設置要準確；（8）分析類型要與系統的行為相一致；（9）為保證計算的精度和計算時間、計算數據量，可以適當修改收

44、斂因子、輸出數據等；建模仿真主要過程：根據熱管理系統原理圖與實物圖，了解系統的工作原理、構成；對于實際系統中的部件，要考察在flowmaster中是否都有對應的部件，若無對應元件，考慮如何進行合理簡化或自定義元件；在flowmaster軟件中選擇相應的元件，并按工作原理將其依次連接；根據建立的模型，列出分析所需要的參數，并收集這些參數；將參數輸入到軟件中，并作認真核對檢查，設置合理的分析類型及分析條件，進行仿真；對仿真結果進行分析。如有不合理之處，分析原因，并作適當調整。3.3 冷卻系統主要元件engine：basic/發動機機體：考慮冷卻水套的壓降，發動機的熱量耗散，發動機的質量和熱容，發動

45、機水套內的對流換熱系數以及發動機機體內的導熱。thermostat/節溫器：模擬開度隨溫度的變化，考慮了節溫器的熱慣性，考慮了節溫器行為的滯后及閥門的壓力損失，大循環支路與小循環支路閥門開度的關系由用戶設置。water pump/冷卻水泵：冷卻水在冷卻系統中流動時，存在一定的壓力損失，尤其在水套內，壓力損失非常大。在發動機冷卻系統中，水泵是一個外部加壓裝置為冷卻水提供動力，克服流動阻力。radiator/散熱器：用于模擬兩種流體的熱交換。冷卻水在散熱器芯內流動，空氣在散熱器芯外通過。熱的冷卻水由于向空氣散熱而變冷，冷空氣則因為吸收冷卻水散出的熱量而升溫。oil cooler/機油冷卻器：機油冷

46、卻器置于冷卻水路中，利用冷卻水的溫度來控制機油的溫度。冷卻水在管外流動，機油在管內流動，兩者進行熱量交換。也有機油油在管外流動，而水在管內流動的結構。cabin heater/暖風設備：冷卻水經過車內的采暖裝置，將冷卻水的熱量送入車內，然后回到發動機。暖風設備可以根據實際情況進行開閉，一般冬天用于駕駛室或車廂取暖和擋風玻璃除霜。（cylindrical rigid/ hose flexible）/剛性管道/柔性管道：用于模擬管道的壓力損失，模擬管道的傳熱，需要定義管道的幾何參數和摩擦系數。剛性管道用于實際中無形變的管道，柔性管道用于有形變的管道。source：flow/流量源：通常用此元件來模

47、擬流量邊界條件。根據具體的模型，可以用它來代表一些能起到定流量作用的部件。在此發動機外部管路模擬中，主要用流量源部件來模擬通過換熱器的流量。source：pressure/壓力源：通常用此元件來模擬壓力邊界條件。根據具體的模型，可以用它來代表一些能起到定壓作用的部件。在此發動機外部管路模擬中，主要用壓力源部件來模擬換熱器的入口壓力。radiator shutter/散熱器百葉窗：百葉窗可以通過改變吹過散熱器的空氣流量控制冷卻強度。百葉窗安裝在散熱器前面，它是由許多片活動擋板組成的，由駕駛員通過裝在駕駛室內的手柄操縱調節擋板的開度。fan/冷卻風扇：用來提高流經散熱器的空氣流速和流量，增強散熱器

48、的散熱能力并冷卻柴油機附件，裝在柴油機與散熱器之間。風扇扇風量與風扇直徑、轉速、葉片形狀、葉片安裝角及葉片數目有關。stagnation pressure source/柵格：通常用此元件來模擬壓力邊界條件，與壓力源相似。柵格可以用來模擬車輛發動機的迎風面積和車速，可以考慮車速對空氣流量的影響。3.4 潤滑系統主要元件closed system sump/(閉式)油底殼：具有儲存液體、定壓的作用，從而保證潤滑系統的正常運行。油底殼水平截面積可以是隨高度變化的，如油底殼截面積隨高度的變化，可以定義任意形狀的油底殼。oil pump strainer/集濾器：集濾器它多為濾網式，一端伸入油底殼內，

49、一端與機油泵進油口連通，作用是吸油過濾。能濾掉機油中粒度較大的雜質，其流動阻力小。oil pump/機油泵：將一定量的機油從油底殼中抽出經機油泵加壓后，源源不斷地送至各零件表面進行潤滑，維持機油在潤滑系中的循環。主要考慮油泵轉速及供油量和泄漏量。pressure regulator/限壓閥：用來限制機油泵輸出的機油壓力，通常安裝在機油泵上。如果油壓達到規定值，限壓閥開啟，多余的機油返回機油泵進口。oil filter/機油濾清器：濾清器用來過濾掉機油中的雜質、磨屑、油泥及水分等雜物，使送到各潤滑部位的都是干凈清潔的機油，串聯安裝于機油泵出口與主油道之間。junction t/t形三通：用于連接

50、不同方向的多條支路。三通分為t形與y形，根據支管與總管的夾角又可以細分為：30°、45°、60°等，根據截面積情況可以分為等截面、不等截面lube jet/活塞冷卻噴嘴：冷卻噴嘴向活塞和缸套噴油，能夠對活塞和活塞銷起到潤滑的作用，同時也可以對冷卻活塞，防止過熱帶來的拉缸。冷卻噴嘴中的機油只有壓力足夠大時才能噴出。passage: rotating（rigid/elastic）/剛性/柔性旋轉管道（曲軸油道）：用來描述運動著的管道，考慮管道的移動、旋轉等運動。可用于模擬發動機曲軸油道，考慮曲軸的轉動和平移。bearing/軸承（軸瓦）：用于模擬曲軸軸承、連桿大小頭軸

51、承、凸輪軸軸承以及挺桿等。journal bearing with grove/帶槽軸承：主要用于模擬曲軸主軸承。journal bearing with bore/帶孔軸承（軸瓦）：主要用于模擬連桿大頭軸承和凸輪軸軸承。根據周向孔的分布情況可分為三類，主要考慮軸承直徑、寬度以及孔的類型和直徑。loss: bearing entrance/軸承入口：主要用于模擬機油從軸承到旋轉襯套的加速，具有特殊溝槽、儲油腔的軸承旋轉過程中油路的接通與關閉以及模擬機油從軸承到旋轉油道的過程。source:blank end with zero flow/零邊界源：用于管路中的流體流動的終點。此處的流體只有壓力

52、溫度等靜態參數，沒有流速流量等動態參數。4 熱管理系統建模4.1 冷卻系統建模4h發動機的冷卻系統為強制循環水冷系，即利用水泵提高冷卻水的壓力，強制冷卻水在發動機中循環流動。在冷卻系統中，其實有兩個散熱循環：一個是冷卻發動機的主循環，另一個是車內取暖循環。這兩個循環都以發動機為中心，使用是同一冷卻水。冷卻系統的基本工作原理為：冷卻水泵將循環冷卻水壓入發動機內，冷卻水吸收熱量，溫度上升，然后冷卻水流出機體，進入換熱器，與空氣進行熱交換，溫度降低，流回冷卻水泵，再次被壓入發動機水套。冷卻水就這樣不斷地循環，不斷地進行吸熱、放熱，使發動機維持恒定的溫度。要使發動機工作在合適的溫度下，必須對冷卻水在機

53、體外部的散熱量進行控制，因此，在發動機出口安裝有節溫器。它的只有一個入口，而出口有兩個通道（不考慮取暖系統），出口的一個通道通往換熱器，稱為大循環；另一路通道直接通往冷卻水泵入口，稱為小循環。節溫器通過調節流過兩條支路的流量，來保證水泵入口的溫度，從而使發動機維持在工作溫度。1.百葉窗 2.散熱器 3.散熱器蓋 4.風扇 5.水泵 6.節溫器 7.機油冷卻器 8.水套 9、分水管 10.放水開關圖4.1發動機冷卻系統結構圖4.1.1 冷卻系統大循環建模當節溫器完全打開時(冷卻水溫度大于95)，冷卻水從發動機出來，經過散熱器，再經水泵進入發動機。冷卻水循大環：發動機機體節溫器（全開）散熱器水泵發

54、動機機體散熱器空氣側建模分析：發動機中產生的能量有一部分通過傳熱被冷卻水吸收，冷卻空氣必須帶走冷卻水吸收的這部分熱量。當汽車行駛速度比較小，氣流速度不能滿足散熱器空氣流量要求時，就需要使用冷卻風扇。在環境溫度較低而車速較高時，為了維持發動機正常的工作溫度，需要對散熱器百葉窗的開啟角度進行調整。圖4.2散熱器空氣流動模型圖在氣流（汽車行駛時）和風扇的作用下，空氣通過車輛的柵格進入散熱器百葉窗然后通過散熱器，吸收熱量后流出。空氣流量與迎風面積、車速、百葉窗開度以及風扇密切相關，通過控制風扇轉速和百葉窗開度可對空氣流量進行調節，進而調節發動機的溫度。散熱器參數：1）水側入口截面積：0.0020m22）空氣側截面積：0.6 m2風扇參數：1）外徑：0.50m2）掃略面積：0.25m3）額定轉速：4800r/min百葉窗參數：1）寬度：0.90m2）高度：0.7m4.1.2 冷卻系統完整循環建模發動機冷啟動后，機體溫度漸漸升溫，冷卻水溫度偏低，節溫器處于關閉狀態，此時冷卻水只經過水泵在發動機內進行循環，使發動機盡快地達到正常工作溫度。當冷卻水溫度升到了節溫器的開啟溫度(4h發動機節溫器開啟溫度為82)，冷卻循環開始完整的循環。節溫器通過調節流過兩條支路的流量，來保證水泵入口的溫度，從而使發動機維持在工作溫度。圖4.3 冷卻系統循環模型圖目前大多數汽車裝有暖風系統，暖風機