摩托车发动机冷却水套设计及改进
发动机缸体冷却水套的CFD分析与优化设计
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发 动机 缸 体 冷 却 水 套 的 Ｃ Ｄ分 析 与 优 化 设 计 Ｆ
张 露 ，贾 月梅 ，张 伟
００２） ３ ０ ４ （ 原 理 工 大 学 力 学 系， 西 太 原 太 山
摘
要 ： 用 Ｆ ＵＥ 应 Ｌ ＮＴ 软 件 ， 一 款 四缸 汽 油发 动 机 缸 体 冷 却 水 套 的 流 场 进 行 了 数 值 模 拟 ． 过 对 模 对 通
摩托车水冷系统的设计与应用(2)
摩托车水冷系统的设计与应用(2)冉文清【期刊名称】《摩托车技术》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】6页(P29-34)【作者】冉文清【作者单位】重庆力帆实业(集团)有限公司【正文语种】中文2.3 低温、高速、小负荷当摩托车在低温环境下（环境温度30℃左右），高速小负荷作为发动机的低温极限工况，发动机最容易出现过冷象限，冷却液温度的变化应该如图5所示。
由图可知摩托车从温度T0启动，由于环境温度低车速高负荷小所以发动机的暖机过程缓慢。
经过时间t1冷却液温度达到T2后，大循环开启，散热器中的冷却液进入温度下降，大循环很快关闭，小循环又开始暖机，因为环境温度低，车速高导致相对风速快发动机的散热效率高，所以温度上升缓慢，到时间t3后温度升高到T2后，大循环再次开启系统开始进入下一个工作循环。
冷却系统通过大循环和小循环交替维持冷却液的温度在，间接控制发动机的工作温度。
因此设计节温器时开启温度不能过低，否者在一定的工况下容易引起发动机过冷。
图5 高速小负荷冷却液温度变化曲线3 实验结果与分析3.1 实验目的实验的主要目的是通过检测国内250摩托车和本田250摩托车在怠速工况下冷却液温度随时间的变化情况。
了解我国摩托车和本田摩托车关于水冷技术在实际应用方面的具体情况，通过对比分析找出我国摩托车水冷技术存在的问题。
改善水冷技术在实际应用中存在的不足，明确水冷系统设计的要点以及促进制造工艺的改善。
3.2 实验设备实验设备主要包括摩托车2台，怠速检测仪1台，数显温度仪1台，温度传感器2只，手机一部。
a）摩托车两台摩托车都是250排量的水冷摩托车，其中一台国内某厂家的，另外一台是本田公司。
b）数显温度仪数显温度仪和传感器链接，用来显示传感器随温度的变化情况，方便手机录像读数。
c）传感器传感器的测量范围为－50℃～200℃，用于感应冷却液温度的变化。
d）手机因为温度变化很快用肉眼根本无法及时记录实验过程中温度的变化情况，所以先利用手机录像功能记录数据，实验结束后对数据的整理。
发动机缸体冷却水套的CFD分析与优化设计
发动机缸体冷却水套的CFD分析与优化设计
张露;贾月梅;张伟
【期刊名称】《交通科学与工程》
【年(卷),期】2011(027)002
【摘要】应用FLUENT软件,对一款四缸汽油发动机缸体冷却水套的流场进行了数值模拟.通过对模拟结果进行分析,发现该款发动机缸体冷却水套设计存在一些不足之处,由此提出了一套发动机缸体冷却水套的结构优化方案,并对该优化方案进行了数值模拟.模拟结果表明,优化后缸体的冷却效果有所改善.可为指导该款发动机缸体冷却水套的结构优化设计及实验研究提供一定的参考依据.
【总页数】6页(P63-68)
【作者】张露;贾月梅;张伟
【作者单位】太原理工大学力学系,山西太原030024;太原理工大学力学系,山西太原030024;太原理工大学力学系,山西太原030024
【正文语种】中文
【中图分类】TK414.2
【相关文献】
1.发动机缸体冷却水套的CFD分析与优化设计探析 [J], 张旭;李红政;关帅
2.某小排量欧6增压柴油机冷却水套CFD分析及设计优化 [J], 王帝;杜锴;李春玲;范永奇;金天柱
3.发动机缸体冷却水套的CFD分析与优化设计的研究 [J], 王勋
4.发动机缸体冷却水套的CFD分析与优化设计的研究 [J], 王勋
5.某强化型柴油发动机冷却水套CFD分析及优化设计 [J], 熊思琴
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发动机缸体冷却水套的CFD分析与优化设计探析
发动机缸体冷却水套的CFD分析与优化设计探析摘要：现阶段，借助于软件对四缸汽油发动机械的冷却水套开展数值的模拟，经由分析模拟的结果，发现该款发动机的缸体冷却水套在设计过程中的确存有明显的缺陷，进而提出了一套缸体冷却的优化策略，并对这一优化的方案开展数值化模拟，结果显示，优化后缸体的冷却的实际效果有了一定程度的提高。
本文运用CFD分析缸体冷却水套的全过程，进而不断地优化发动机缸体的水套结构，保障发动机具备相对理想的机内冷却条件。
关键词：CFD；发动机；缸体；冷却水套；优化方案就当前来讲，发动机开发过程中需用到冷却水套的CFD分析这一计算途径，运用这一计算技术哟助于确保发动机设备在热负荷比较高的排气管道周边拥有相对理想的冷却液循环流动，而产生较少的压力损失。
本文在概念设计时期借助于CFD分析发动机械缸体的冷却水套，通过建立模型等提出进一步的优化设计方案。
1.建立模型的方法1.1.分清算法及各类边界条件一般情况下，冷却液需选择50%的乙二醇及50%的水制成混合液，运用处于稳定状态下的计算模式，在模拟计算时，应设冷却液在水套内部为绝热的流动状体，不容压的粘性流动，计算时运用有限的体积法将计算区域分成散乱化的管理体积网格，在每个管理体积上积分管理方程，产生变量计算的数学方程，在模拟计算时，需求出持续性的方程、能量守恒的方程以及动量方程等。
通常要满足下列三项条件：首先，在出口边界，应符合压力出口的边界条件，大气压充当出口压力；其次，入口边界的进口速率可依照缸体冷却水套的冷却液入口位置的实际流量以及入口处的面积计算得到，进口的速率通常为2.5m/s；壁面的边界上，壁面需运用防滑移固壁，也就是说，固体外表上流体速率为零。
1.2.构建网络模型及几何模型在本次研究中，运用北京现代α1.6型汽油发动机械缸体的冷却水套作为直接探究的对象，几何模型通过三维CAD系统软件加以确立。
毋庸置疑，模型的建立是一个相对繁琐的过程，在开展仿真计算时会耗费大量的时长，在保证不影响模拟结果的基础上，对模型开展一系列简易化的处置办法。
摩托车水冷发动机的冷却泵叶轮优化设计研究
摩托车水冷发动机的冷却泵叶轮优化设计研究摘要：本世纪初以来，我国摩托车制造业迅速崛起，同时摩托车发动机也得到了很大的发展，但与国外发动机技术相比仍有很大差距。
水冷式摩托车发动机可以说是在风冷的基础上进行了改进。
不同之处在于，在缸盖和缸体周围设置有冷却水通道，冷却水通过水泵从冷却水通道输送到散热器，热量通过散热器传递到散热器。
空气中。
冷却后的水通过散热器返回到水渠，循环往复。
从理论上讲，水冷只是比空冷多一种传热介质，但它具有空冷发动机无法比拟的优点。
首先，水冷却提供了大排量、高压缩比发动机的可能性。
其次，不需要在缸体和缸盖上布置散热片，减小了发动机的尺寸，降低了对发动机布置位置的要求。
可以找到最有利的安装位置。
此外，随着排放法规越来越严格，水冷却系统提供了一个稳定的燃烧环境和低热负荷，使精益燃烧成为可能。
在此基础上，本文对大排量摩托车水冷发动机冷却泵叶轮的优化设计进行了探讨，供相关人员参考。
关键词：摩托车；水冷发动机；冷却泵叶轮；大排量1摩托车水冷发动机的工作原理从水泵冷却水流出后，进入缸体的水通道通过管接头和水管，然后从出口流出的汽缸，进入散热器，并流回水泵冷却空气冷却后完成循环。
在缸盖出水口设置恒温器，可根据水温调节水循环流量。
同时，温控器附近设置有温度传感器，通过仪表板上的指示可以随时观察水温，控制风机开关。
散热器设置在发动机前方，可根据使用情况设置轴流风机。
例如，一辆公路汽车由于经常高速行驶，可以有足够的冷却空气，所以只能使用散热器而不是轴流风机。
然而，对于王子和滑板车这样的车型，通常是在低速和中速下使用，散热器后面安装了一个由温度传感器控制的轴向风扇。
当车速较低或怠速时，风扇打开并冷却。
2摩托车水冷发动机结构及特点水冷发动机具有压缩比高、功率大、冷却性能好、耐久性好、噪声低、热负荷小、排放性能好等优点。
广泛应用于二轮、三轮摩托车。
（包括ATV和UTV），但也存在一些缺陷，限制了水冷发动机的使用。
柴油摩托车发动机的冷却系统研究与优化
柴油摩托车发动机的冷却系统研究与优化摩托车作为一种常见的交通工具，在现代社会中扮演着重要的角色。
而摩托车发动机的冷却系统对于发动机的性能和寿命起着至关重要的作用。
因此，研究和优化柴油摩托车发动机的冷却系统对于提高摩托车的性能和可靠性至关重要。
本文将深入探讨柴油摩托车发动机冷却系统的研究与优化方法。
首先，了解柴油摩托车发动机的冷却系统的基本原理是非常重要的。
冷却系统的主要目标是保持发动机的工作温度在一个最佳范围内，以提高燃烧效率和减少发动机零部件的磨损。
冷却系统通常由水泵、散热器、风扇、水箱和冷却液组成。
水泵负责循环冷却液，散热器通过对流将热量传递给外部空气，风扇则帮助加速热量传递。
其次，了解目前柴油摩托车发动机冷却系统存在的问题和挑战是研究和优化的基础。
目前，柴油摩托车发动机冷却系统主要面临以下问题：一是散热器面积和散热效率不足，导致发动机在高负荷工况下容易过热；二是冷却液的流动性和抗氧化性能不佳，导致冷却系统易堵塞和腐蚀；三是冷启动时冷却液温度上升缓慢，影响发动机的稳定性和燃烧效率。
因此，针对这些问题进行研究和优化是必要的。
为了解决上述问题，可以从以下几个方面进行研究和优化。
首先，优化散热器的设计和布置。
散热器是发动机冷却系统中最重要的部件之一。
通过增加散热器的面积和改善散热效率，可以有效地降低发动机的工作温度。
此外，合理的散热器布局可以提高发动机的风冷效果，在高温环境和高速行驶时提供更好的冷却效果。
其次，改善冷却液的流动性和抗氧化性能。
冷却液的流动性对于冷却系统的正常运行非常重要。
通过优化冷却液的组成和添加合适的添加剂，可以改善冷却液的流动性和抗氧化性能，从而减少冷却系统堵塞和腐蚀的问题。
此外，定期更换冷却液也是保持冷却系统正常运行的必要措施之一。
第三，改进冷启动的冷却性能。
冷启动时，发动机处于低温状态，需要尽快达到正常工作温度。
通过改进冷却液的循环方式和增加辅助冷却装置，可以提高冷启动时的冷却效果，使发动机能够更快地升温到正常工作温度，提高发动机的稳定性和燃烧效率。
02_16涡轮引擎冷却水套优化设计_华擎_游丽霖
渦輪引擎冷卻水套優化設計游麗霖華創車電技術中心股份有限公司/華擎機械工業股份有限公司引擎設計部Tel: +886-3-381-8001, Email: Lilin.you@)摘要：冷卻系統為維持引擎正常工作溫度的重要項目,冷卻水套設計的優劣，會直接影響到引擎的性能及油耗，但在引擎實際運轉時難以觀測冷卻液流動情況。
此篇論文藉由STAR-CCM+進行引擎冷卻水套流場分析，並結合內建優化軟體Optimate+，針對現有水套設計進行汽缸墊片分水孔外型優化，以提升熱傳係數，改善冷卻不均及局部滯留之問題。
並瞭解墊片各個分水孔對引擎冷卻系統散熱效率的影響，優化後熱傳係數符合規範比例提升13%，對於墊片設計，有相當大的助益。
關鍵字：引擎、冷卻系統、優化、墊片。
0前言冷卻系統的設計是以冷卻液循環流經氣缸體及氣缸頭等高溫的零件，藉由冷卻液與零件之熱交換，帶走爆炸衝程時所產生的熱量，以使零件維持在正常工作溫度內。
在實際應用中，冷卻液會因冷卻水道設計並非很平順。
在部分區域如缸體兩缸相連處及火星塞與排氣埠之狹小區域內，因冷卻液流速過慢或流量過小，產生滯留現象而使熱傳系數過小。
而過小的熱交換量不但降低冷卻效果，甚至使引擎因局部過熱而造成損壞。
本篇論文乃針對缸頭/缸體/氣缸墊片等零件之CAD檔案進行網格劃分後，再利用熱流分析軟體Star-ccm+，以設定的邊界條件及K-ε計算模型進行計算，並結合優化插件Optimate+軟體，針對水套墊片幾何外型進行優化。
以改善滯留區之流動性，使水套流場能有效的帶走多餘熱量。
透過此次優化分析手法，可藉由較佳的墊片配置提升熱傳系數，使冷卻不均及局部過熱之問題獲得改善。
1分析模型介紹1.1網格建立計算模型中，將冷卻水套分為缸頭、缸体、墊片三個區域，格點皆選用多面體網格建立，缸頭約42萬個格點，缸體約32萬個格點，缸頭墊片幾何尺寸較小,並於墊片周圍進行局部加密，整體約有75萬個格點。
图1 水套分析模型-Mesh1.2數值方法與邊界條件三維流場計算使用STAR-CCM+軟件,選取紊流模型中的K-epsilon turbulence model,並使用50%水和50%以二醇混合之冷卻液進行分析，入口給一定質量流率，出口設置壓力，缸頭及缸體表面設定單一均勻溫度。
发动机冷却水套的优化设计及分析
发动机冷却水套的优化设计及分析卢瑞军;王文坤;陈海兰;蔡文远【摘要】针对某4102发动机实际运行中出现的问题,通过分析,改变了原发动机水套结构,并利用三维数值仿真方法建立了原水套和新水套的数值仿真模型,计算结果表明:新水套相对于原水套,主喷孔流量增加,鼻梁区换热系数明显提高,新水套满足缸盖的换热需求;新水套的三、四缸缸体换热系数有明显提高,有效地改善了三、四缸冷却不足的现象,并且,换热主要集中在缸体中上部,分布更加合理;最后,通过台架可靠性试验验证,发动机故障得到解决.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2018(000)0z2【总页数】4页(P134-136,140)【关键词】冷却水套;换热系数;计算流体力学;优化设计【作者】卢瑞军;王文坤;陈海兰;蔡文远【作者单位】浙江吉利控股集团有限公司,浙江杭州 310000;浙江吉利控股集团有限公司,浙江杭州 310000;浙江吉利控股集团有限公司,浙江杭州 310000;浙江吉利控股集团有限公司,浙江杭州 310000【正文语种】中文【中图分类】TH16;TK4221 引言发动机冷却是保证发动机高效可靠运行的必要条件，冷却不足会直接导致发动机缸体缸盖等部件的温度过高，进而导致发动机刚度和强度急剧下降，并且会加快机油变质，影响活塞等运动件的正常运行，极大影响发动机的可靠性和耐久性[1-3]。
此外，冷却问题会影响缸内燃烧，从而出现排放加剧，燃油消耗增加等问题，因此发动机冷却一直是发动机设计的关键因素。
发动机冷却水套的设计既要考虑各缸的流动均匀性，又要对高温区域重点冷却，因此，合理组织水套流场分布成为了设计的难点[4-6]。
随着计算机科学的迅速发展，计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）分析已成为发动机流场分析的有效手段[7-8]，主要优点是能降低研发成本，缩短开发周期[9]。
随着现今社会对高强度、高功率发动机需求的日益增加，原有发动机缸体缸盖承受越来越大的热负荷，容易造成冷却不足，进而产生拉缸、热裂失效等问题[10]。
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摩托车发动机冷却水套设计及改进
摘要：在水冷式摩托车的发动机中，冷却系统的性能和发动机的可靠性有着
直接的关系，而水套设计作为冷却系统的重要部分，设计效果关系着冷却系统的
冷却效能，因此深入分析发动机冷却水套的设计尤为关键。
本文以某型号摩托车
发动机冷却水套模型为例，从冷却水套仿真分析、优化方案、仿真模型验证和冷
却水套散热性能3个方面进行介绍，以供参考。
关键词：摩托车；发动机；冷却水套
引言
我国是摩托车制作大国，但不是强国，在高端摩托车的制作上仍和国外有差异。
伴随着国内消费水平的提高，以往的摩托车，特别是风冷式摩托车，受发动
机温度的影响，无法有效解决热负荷问题，影响摩托车的性能。
随着摩托车技术
的不断发展，高端摩托车采用使用水冷形式，再加上市场发展和环境保护的需求，水冷式摩托车更加符合发展趋势。
因此，对于发动机冷却水套的研究、设计，一
直备受社会各界的关注。
有学者表明，由于发动机水套结构相对复杂，单纯的试
验只能获得水套内的个别数据，应借助数值仿真技术分析，并依据结果进行改善，进而提高发动机冷却水套的散热性能。
1、发动机冷却水套仿真分析
1.1建立冷却水套原始模型
分析冷却水套的流场、温度场，了解高温分布区。
以此为依据，在缸体水套
和缸头水套间设置小通道，促使冷却液流动。
在入口对面设置直径比较大的通道，促进水套内的冷却液流动，提高换热效率。
1.2原始模型的冷却水套仿真
第一，建立网格。
几何模型的数值越详细，仿真结果越精准。
但对于比较细
微的特征，在划分网格时，要想对其进行准确的模拟，需要使用大量小型网格单元。
而且，导入的数据（曲面）也会存在诸多缺陷，如错位、缝隙等，导致网格
扭曲，甚至影响求解质量。
对此，应在不影响原始模型的基础上，对多余的面、
点等进行处理，从而得到表面光滑的模型，并进行网格划分[1]。
第二，计算模型和求解。
数学模型包括k方程、连续性方程、N-S动量方程，湍流使用k-ε模型，用有限容积法对方程进行离散处理。
使用SIMPLE算法求解，在边界条件下，缸头出口、冷却液入口分别为压力出口和质量出口。
冷却水循环
量为：
式中Q表示冷却介质应带走的热量，用kJ/s表示；△tw表示冷却水循环于
发动机的容许温升；pw表示水密度；cw表示水比热。
额定功率下，发动机的转
速为每分钟6000r，油耗为355.08g/kWh。
每小时产生热值174443.7kJ，每分钟
产生热值2907.4kJ，冷却水每分钟应带走热量581.5kJ，冷却水循环量每分钟
11.6-23.1L。
因此，当冷却水流量为每分钟20L时，每秒0.3kg。
由于冷却水和
水的性质比较相似，故而将Fluent中的材料定为水，入口温度为85℃。
冷却水
套壁面为定壁温，大约115℃。
第三，仿真结果。
基于原水套的压力云图，发现缸体、缸头的水套压差比较大，缸头水套出口处的压力低，压损严重，说明该部位的压力梯度和阻力损失大，功耗多，冷却液的流动速度也较快，受水套位置的限制，冷却液入口无法置于排
气口的对岸。
所以，在这种方案下，若排气口一侧的冷却液流动缓慢，发动机运
行期间排气口温度较高，应提高周围的流速。
结合温度云图，假设缸头壁温为定
壁温，排气侧的温度高，这和发动机的运行需求不相符，可以通过对缸体、缸头
水套通道大小的调节，对水流速度进行调整，尽量在排气口周围开些大孔，来保
证缸头正常排气。
2、优化方案
2.1方案一
改进缸体、缸头水套之间的通道，由于该通道决定了缸头的冷却效果，开孔大小和位置决定了冷却液的流速，带走既定热量，若缸头排气口、缸体上止点周围的温度较高，大部分冷却液会经过排气口，并围绕缸体流动[2]。
具体做法：开大排气口一侧的通道，使冷却液从排气口周围流过。
改进后发现，水套总压和原始模型相比较小，压差、压损也发生了变化，减少了阻力损失和水泵功耗。
由于压损减小，最大速度也得到了降低；由于通道变化，速度的最大区域也得以变化，既满足了速度均匀的需求，又带走了排气口周围的热量。
另外，在边界条件相同时，改进后的壁面温度也随之降低，且温度分布的也比较均匀。
当然，仍有个别部分有涡流区、流速低，需要进一步改进。
2.2方案二
通过分析冷却液的流速发现，进气口的流速较低，有涡流，虽然该部位具备冷却作用，但是为充分冷却缸头，应尽量减少涡流区，使进气口周围保持较低流速，无死区。
结合冷却水套内部的流场分布情况，改进局部通道，将靠近中央的通道改至边缘，边缘通道改至中央，和大通道相近的小圆通道则靠边。
改进后发现，最大压力降低，流速、压损有所改善；缸体、缸头的温度分布均匀，局部高温区明显减少，仅出口部位有个别高温区，这是因为在发动机运转期间，燃烧室的热量会在最后达到冷却液出口，由于冷却液出口无热源，又远离热源，可以在定壁温下得知高温区域，而排气口（热源高）周围的温度低，可以满足冷却液的散热需求。
此外，改进后的速度集中于排气口侧，涡流消失于进气口，流速低，既提高了冷却水套的最低流速，也有效解决了死区问题。
3、仿真模型检验和散热性能
3.1仿真模型检验
模型仿真和优化，依靠的是现有的经验和模拟结果，需要进行反复的实验分析，才能将偶然性排除。
故而，建议基于数值仿真，对冷却水套的设计、仿真结果的正确性进行检验[3]。
将其用于某发动机水套，验证过程：6000r/min时，标
定功率16kW，最大功率17kW，最低燃油消耗率在354g/kWh以内。
冷却水循环量28.8L/min，每小时产生热值260544kJ，每分钟产生热值4342.4kJ，冷却水带走
热量868.48kJ/min，冷却水进出口温差7.2℃。
针对强制循环冷却水套，冷却水的进出口温差为6-12℃，符合要求。
实验结
果显示，温差为9.6℃，可以带走20%的热量，在误差允许的范围内，提示模拟
分析可以为优化设计提供指标。
因此，最后的模型也是符合标准的。
3.2发动机冷却水套的散热性能
发动机冷却水套的散热性能，应确保发动机在各种条件下运行中，都能靠地
工作。
结合各种转速下的油耗，可以产生20%-30%的热量。
冷却液水泵的能量由
发动机提供，转速不同，动能也不同，其流量会发生波动，但不会超过规定限值。
转速为6000转时，可以带走20%-30%的热量；为6500转时，可以带走30%以上
的热量，冷却液流速快，不利于发动机的运转。
比较方案一、二发现，方案二的
热量较好，即便是在高速运转下，带走的热量也不会超过总热量的30%。
4、结语
综上所述，通过建立冷却水套原始模型，改进水套内的通道布局，进行仿真
模型检验，得出结论如下：原冷却水套的通道设计，虽然可以降低排气口周围的
温度，但受发动机结构限制，排气口一侧的流速较小，不利于散热；提出了2种
改进方案，方案一可以改善冷却效果，但存在涡流区，需要进行优化。
方案二改
善了死区问题；边界条件一致时，对不同流量下冷却液的带走热量进行分析，发
现方案一可以带走20%-30%的热量（转速不高时），在转速为每分钟6500r时，
方案二能够满足冷却液的散热需求，可以采用。
参考文献：
[1]王萍,谭礼斌,黄灿.摩托车发动机冷却水套流场特性及结构改进[J].科技
和产业,2021,21(9):160-165.
[2]刘伟.某型号摩托车发动机冷却水套设计及改进研究[J].内燃机与配
件,2019(15):7-11.
[3]黄灿,谭礼斌,袁越锦,等.基于CFD的某发动机冷却水套流场分析及结构优化[J].重庆理工大学学报（自然科学版）,2021,35(5):196-206.。