13-冷却系统计算评估及改进设计报告.doc

报告编号：13冷却系统计算评估及改进设计报告课题名称：4100QBZL经济型国3柴油机开发编写：&—威校对：陈希颖审核：缪雪龙批准：居饪生无锡油泵油嘴研究所二oo六年五月冷却系统计算评估及改进设计报告一、4100经济型国3柴油机冷却系统设计与原机相比国3柴油机要采用冷却EGR系统，需对引入废气进行冷却， 所以原冷却系统需重新进行设计校核1.总体思路（油泵所方案）:对于引入EGR系统的4100柴油机来说，冷却水不仅要冷却柴油机述必须 冷却引入的废气，而柴油机本身又同时存在大循环和小循环两条水路，所以如 何布置EGR冷却水路将成为一个复杂的问题根据发动机整体布置情况，在原 冷却系统（见图1所示）基础上重新从水泵口引水冷却EGR,也就是说EGR冷 却器仍与原冷却系统公用同一个冷却水泵，同时考虑尽量不影响原冷却水路， 因此系统改进方案（见图2所示）采用并联冷却方案：在冷却水泵出水口，根 据机体换热量和EGR冷却器换热量分配冷却水流量从EGR冷却器出口出來的 冷却水回到节温器端.图1原冷却系统示意图图2增加EGR系统后冷却系统示意图（油泵所方案）2.云内方案云内考虑到尽可能延续原机布置，因此从机油冷却器处引出EGR冷却器冷 却水，经EGR冷却器后重新进入水泵，见图3所示。

由于对EGR进行冷却的冷 却水是流经机体和机油冷却器的，所以水温较高，因此该方案对EGR系统的冷 却效果不佳；而口经过EGR冷却器的冷却水直接经水泵重新进入机体，因此该 方案对机体冷却效果也会造成一定程度的影响具体影响程度由后期试验测 试图3增加EGR系统后冷却系统示意图(云内方案)二、冷却系统能力校核及改进设计(一)・冷却水泵能力校核和冷却管路设计及校核1.冷却水泵能力校核(1) ・冷却系统带走的热量冷却系统散走的热量Qw，受许多复杂因索的影响，很难精确计算，初步估算时可以采用经验公式Qw =人浜叫比 (k*s)3600式中A ——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, 如果发动机装置水冷式机油散热器，则要壇加机油的散热量，即将Qw增大5%〜 10%；ge——燃油消耗率(kg/kWh);Ne——发动机功率(kW)；Hu——燃料低热值(kJ/kg),柴油低热值取Hu=41870 kJ/kg；于是被冷却水带走的热量范围为（标定点）Qw=（40.89〜56.79）kJ/s（0.18 〜0.25）x 0.257 x 76 x 418703600当A=0.23时，同时考虑水冷式机汕散热器散热量，将Qw增人8%后得到 Qw = 56.43 kJ/s根据EGR系统报告，EGR冷却废气所需总传热量Qe总=ll・5kJ/s,考虑到 EGR冷却器的冷却效率，取Qe= 1.07Qe总=12.31 kJ/s。

所以，冷却系统需带走的热量为Qw =QJ+Qe =56.43 + 12.31 = 68.74kJ/s（2） •冷却水的循环量根据散入冷却系统中的热量，可以算出冷却水的循环量式中Atw——冷却水在发动机内循环吋容许的温升，对强制循环冷却系统，可 取 〜12C,本计算取 Atw=8C；Yw——水的密度，近似取为1000kg/m3；cw——水的比热，近似取为4.187kJ/kg-Co将Qe代入冷却水循环量计算公式，则EGR系统所需冷却水循环量Ve =①二AtwYwCw*專爲47"0%如未引入EGR系统前（即原机冷却系统）所需冷却水循环量:引入EGR系统后所需冷却水循环量：Vw = —— = ——=2.05 x 10-3 （m3 /s）Atwywcw 8x1000x4.187 7（3）・水泵能力校核为保证发动机的正常运行，一般把标定工况作为冷却系统的设计工况所以在以下计算中选取标定点的冷却水循环量作为计算量1) ・确定水泵泵水量Vp式中耳水泵的容积效率，主要考虑到水泵中冷却水的泄漏，一般取0.6~0.852.05x10「3(0.6 〜0.85)= 2.41x10」〜3.42x10-3 (n?/s)为保证循环水量，取Vp=2.7xW3m3/so未引入EGR系统前水泵泵水量为:_ 1.68x107 _ p —(0.6 〜0.85)—1.98X10-3〜2.8xl0_3(m3/s)5)・水泵能力分析(判断方法：根据所需流量进行水泵扬程校核)图4为云内4100QBZL所采用水泵的性能曲线表，点1和点2代表未引 入EGR系统前，在满足发动机耍求冷却水量前提卜，水泵所能提供的扬程范围；点3和点4代表引入EGR系统后，在满足发动机要求冷却水量前提下，水泵所能提供的扬程范围。

水泵性能曲线图流量1/s图4云内4100QBZL水泵的性能曲线表从表1可知，引入EGR系统后，在满足流量要求的前提下，水泵所提供的最小扬程为12. 8mo表1原机和引入EGR系统后流量与扬程对应表流量(X10 ‘ nf/s)扬程(m)原机11.9814.922.813.9引入EGR系统后32.4114.4■13. 1212.8根拯经验数拯统计，克服缸体缸盖水套阻力的扬程分配为1.25〜1.5mH2O, 克服散热器或冷却器阻力的扬程分配为2〜2.5 mH2O,克服水管阻力的扬程分配 为0.75^1.25 mH2O,因此整个冷却系统的流通阻力为4^5.25 mH2O；此外加上水 冷机油冷却器流通阻力1.25 mH2O和EGR冷却器流通阻力2 mH2O ,得到冷却系 统最大总阻力为8.5 mH2O o现有水泵在满足最大流量3.42 m3/s的同时，可提供 扬程为12.8m,因此现有水泵可满足引进EGR系统的发动机使用要求，不需改 动此段数据岀自于《柴油机设计手册》中册第十八章)(4) ・冷却水泵其他数据的计算1) ・水泵泵水压力的确定(经验估算)水泵的泵水压力应当足以克服水冷系中所有的液体流动阻力，并获得必要 的冷却水循环的流动速度。

同时为了冷却可靠，在工作温度下，水在任一点的 压力均应大于此时的饱和蒸汽压力，以免产生气蚀现彖在没冇试验数据的情况下，按照发动机统计数据，总阻力在40x103〜 53xl03PaZ间为了安全起见，一般泵水压力取为15Oxio3Pa, ifij对于该水泵 可按照捉供的最大扬程14.4mH2O决定泵水压力，取值为⑷x山Pa2) ・水泵所消耗的功率N =人几=J"(W)"mm% %%式中几——水泵的泵水压力(Pa),为了安全起见对于车用发动机，一般取泵水压力pP=150xl03Pa,该水泵取 141 x io3Pa；巾——水泵的液力效率,Hh=0.6〜0.8,取中间值0.7；nm——水泵的机械效率，在现有结构中，可取0.9〜0.97,取0.95；车用发动机水泵消耗的功率一般为发动机标定功率的0.5〜1.0%Nn 0 572二 X 100% = X100% = 0.8% 在允许范围内Ne 763) ・水泵的转速水泵的转速越高，水泵叶轮的尺寸及重量则越小，但水泵转速受到气蚀条 件和叶轮材料机械强度的限制，其转速不能太高目前各类型水泵都未达到材 料机械强度所限制的转速，因此水泵转速主要是受到气蚀条件的限制。

原云内4100QBZL发动机冷却水泵和冷却风扇同轴，并通过皮带一级传动 与发动机曲轴连接按照原传动比，水泵转速为3300r/mino小结：根据经验数据估算，现有水泵在满足最大流量3.42 m3/s的同时，可 提供扬程为12.8m, W此现有冷却水泵可满足引进EGR系统的发动机使用要 求，不需改动但由于计算多采用经验数据估算，实际冷却效果还需试验进行 验证5) 水泵特性和系统阻力特性及其匹配如果要精确判断水泵能力，可按下述方法(但口前缺冷却系统流动阻力曲线):水泵的泵水压力与流量有关，可用下式表示:p = f(Vw)o图5中示出其特 性曲线1图中还示出了系统流动阻力特性曲线2由水泵特性可知，随着水泵 泵水压力的逐渐增大，泵水量逐渐减少，当泵水压力增大到某一值时，与系统 阻力平Vwb ?m3/s图5水泵特性曲线衡，曲线1与曲线2交于B点，该点所对应的水流量V WB即为水泵稳定泵水 量，值应与求出的V*值接近，否则，必须调节水泵转速或重新选择水泵，以 达到最佳匹配2.冷却系统管路设计校核（1）.油泵所方案管路设计1）・管路设计图6油泵所方案冷却系统计算示意图pgH4另外:,r （进出EGR冷却器的管路直径选择为相图6中截面2和截面4处的水头如下:P4= 1 2g pg同）根据粘性流休总流的伯努利方程：h2 = h4+ah2 （ah2为管路循环损失）总水头 H = H] +H2 =6.5 + 2 = 8.5mH2O由发动机冷却系统最大总阻力为8. 5mII2O,查水泵特性表，可得对应冷却水 总流量为5X10 3 m7s,水泵进口压力为-22. 2kPao在水泵的平衡状态，水泵提 供的水头正好和发动机阻力平衡，BP： H2=AH2o所以由上述推导，可得：H厂哇+冬二弓「+冬=0。

2g pg A2 x2g pg式中：由于4截面靠近水泵进水口，因此认为该截面压力等于水泵进口压 力，即 P4=-22. 2kPao根据连续性方程：qv总=qvi +qV2 =5x 10~3m3 /s ,而设计希望电 =匕l = _L坐.，可得qv2=o.9xio-3m3/s A v2 Ve 0.37综合上述，可得A — (()・9xl() mF讣2j~2P4 2x22.2x10?v p v 1066)4 a ~则EGR冷却管路内径为D = J—= 13」mm ,取整D二13mm2) ・冷却水量校核由讯=哇+冬=^ +冬=0得到：2g pg A：x2g Pgqv? = A2 x I 2卩4 =2Eo2 x ] 2卩4 = 0.884x 10"3m3 /s V P 4 V P由连续性方程可得:q；i =qv总-q；2 =4.116x10 3m3 /s曲结果明显可知：qw〉Vw，qv2>VE可见按该方案进行的冷却水管路 设计可同时满足发动机和RGR系统的冷却要求2) •云内方案管路设计校核1)・管路设计图7按云内方案冷却系统计算示意图根据经验数据，通过缸套传给冷却介质的热量Q.约占冷却水带走总热量的(32~38%),通过缸盖传给冷却介质的热量0约占冷却水带走总热量的50%左右，通过水冷机油冷却器传给冷却介质的热量Q约占冷却水带走总热量的(5~10%)。

木文中取址占38%, Qh占54%, Qc占8%由前文可知冷却水从发动 机带走的热量(标定点)QJ二56. 43 kj/s,从EGR冷却器带走的热量Q,- 12.31 kj/so结合该发动机管路循环实际情况，两管路循环需带走的热量如 下：Q] =50%xQl +Qn =0.5x0.38Qw +0.54xQw =41.19kJ/s,Q2 =50%xQl +Qc +Qe =0.5x0.38Qw +0.08xQw +Qe =27.55kJ/s将管路循环需带走的热量代入冷却水循环量计算公式，则1管路循坏所需 冷却水循环量：V.=—乞一= 竺岁 = 1.23xl0^(m3/s)；Atwywcw 8x1000x4.187 72。