姜文龍

摘要：本研究綜合分析國(guó)內(nèi)外在摩托車水冷系統(tǒng)方面的研究，并基于此對(duì)摩托車水冷發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)展先相關(guān)課題研究，進(jìn)一步探究了250cc 水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻泵葉輪性能。大多數(shù)學(xué)者通常借助試驗(yàn)法來(lái)分析摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻泵，存在投入大、設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)以及質(zhì)量不高等問(wèn)題，本研究就提出了對(duì)于摩托車水冷發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻泵通過(guò)仿真分析法進(jìn)行研究，同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)研究的方式來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率。

Abstract： On the basis of absorbing domestic and foreign research experiences and achievements， this paper optimizes the performance of cooling pump impeller of 250cc water-cooled engine combined with the project of "increasing water-cooled engine pump capacity of motorcycle". The traditional research method of engine cooling pump is mainly experimental research， which has long design cycle， high cost and poor product quality. In this paper， the design optimization of cooling water flow of water-cooled engine cooling pump is studied by simulation method， and the optimization design scheme is verified by experimental research.

關(guān)鍵詞：冷卻泵;摩托車;水冷系統(tǒng)

Key words： cooling pump;motorcycle;water cooling system

0 ?引言

改革開(kāi)放至今，我國(guó)摩托車產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，特別是在中小排量低端品質(zhì)方面成為了日本最大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。但是這些低端產(chǎn)品的階段性成功主要是取決于大量經(jīng)濟(jì)落后國(guó)家的旺盛需求和中國(guó)市場(chǎng)完整的摩托車配套體系。面對(duì)經(jīng)濟(jì)全球化的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)摩托車行業(yè)面臨著極大的挑戰(zhàn)，要想獲得進(jìn)一步的發(fā)展，就需要擴(kuò)大影響力，擴(kuò)大市場(chǎng)占有量，而關(guān)鍵取決于我國(guó)摩企能否制造出高品質(zhì)的摩托車?，F(xiàn)在市場(chǎng)流行的高品質(zhì)車主要以水冷電噴車為主，水冷技術(shù)和電噴技術(shù)在摩托車上的應(yīng)用不僅能夠提高摩托車的可靠性、降低油耗，而且會(huì)大大提高駕駛的舒適性。

1 ?摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)水冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)水冷系統(tǒng)的最終目的為：借助運(yùn)算和測(cè)試的方式，基于轉(zhuǎn)速不變的情況下，對(duì)冷卻泵葉輪流量性能指標(biāo)進(jìn)行分析，分析其符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，探究二者間的聯(lián)系。

水冷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：

開(kāi)展邊界條件數(shù)據(jù)測(cè)試工作，為優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。試驗(yàn)過(guò)程：基于差異化轉(zhuǎn)速下，分別測(cè)量冷卻泵進(jìn)水口、出水口的壓力值，對(duì)CFD仿真模擬的邊界條件進(jìn)行明確。

在掌握運(yùn)算關(guān)鍵變量的前提下，利用CFD仿真模擬法探索出規(guī)律特點(diǎn)，選出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

借助CFD仿真模擬法，對(duì)原機(jī)模型、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案模型二者的性能進(jìn)行對(duì)照研究。

為了對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的可行性及有效性進(jìn)行研究，需要針對(duì)水泵的水量、揚(yáng)程開(kāi)展測(cè)試工作。

2 ?冷卻泵 CFD 建模及仿真分析

本研究將國(guó)內(nèi)某品牌摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻泵作為研究對(duì)象，開(kāi)展CFD 建模及仿真分析工作。

2.1 構(gòu)建冷卻泵模型

可以針對(duì)冷卻泵模型下的孔洞進(jìn)行實(shí)體簡(jiǎn)化分析，通過(guò)Pro/E三維建模軟件對(duì)冷卻泵三維模型進(jìn)行構(gòu)建，但要確保不會(huì)在較大程度上干擾仿真研究結(jié)果，這樣就能夠有效減少運(yùn)算任務(wù)[1]。借助step格式對(duì)冷卻泵三維模型進(jìn)行保存，并在HYPERMESH 軟件下進(jìn)行導(dǎo)入處理，完成模型表面網(wǎng)格劃以及幾何操作任務(wù)，于ICEM surf軟件中對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行導(dǎo)入，針對(duì)模型開(kāi)展體網(wǎng)格劃分操作。

2.2 構(gòu)建仿真模型

根據(jù)冷卻泵性能測(cè)試法，對(duì)CFD仿真模型進(jìn)行構(gòu)建，綜合分析實(shí)際狀況做出調(diào)整和優(yōu)化。CFD仿真模型主要由非旋轉(zhuǎn)流體區(qū)和旋轉(zhuǎn)流體區(qū)構(gòu)成，其中前者是除后者之外的流體部分，而后者是冷卻泵周邊部分。在旋轉(zhuǎn)流體區(qū)中的計(jì)算時(shí)加的旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域的外邊界其實(shí)就是非旋轉(zhuǎn)流體區(qū)中的計(jì)算時(shí)加的非旋轉(zhuǎn)流體區(qū)域的內(nèi)邊界，仿真時(shí)，為了使流場(chǎng)在進(jìn)、出口處比較均勻，對(duì)于CFD仿真模型的出口，未完全采用實(shí)際模型出口，在其基礎(chǔ)上順輸出口管進(jìn)行了延伸，從而獲得最終運(yùn)算模型出口。

2.3 網(wǎng)格的劃分

CFD仿真模型的幾何體現(xiàn)即為網(wǎng)格，同時(shí)網(wǎng)格也是進(jìn)行仿真研究的重要載體，CFD仿真運(yùn)算的效率、準(zhǔn)確性都同網(wǎng)格質(zhì)量存在著緊密的聯(lián)系。求解流體動(dòng)力學(xué)控制方程的過(guò)程中，應(yīng)用CFD軟件所得到的均并未準(zhǔn)確數(shù)值，因?yàn)橄∈璧木W(wǎng)格根本無(wú)法保障方程解的精確性，還會(huì)存在錯(cuò)解的問(wèn)題，導(dǎo)致結(jié)果不收斂的狀況[2]。但如果將網(wǎng)格設(shè)置的比較密集，則計(jì)算機(jī)硬件可能會(huì)達(dá)不到規(guī)定，使運(yùn)算耗時(shí)延長(zhǎng)。所以，在對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分時(shí)，需要要保障網(wǎng)格的密度，但是又要控制數(shù)量，以免增大運(yùn)算總量。對(duì)于梯度改變較大的位置，應(yīng)設(shè)置較密的網(wǎng)格，嚴(yán)格控制網(wǎng)格單元的傾斜角度，對(duì)梯度變化不大的位置要對(duì)網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行科學(xué)設(shè)置。因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)冷卻泵仿真模型相對(duì)比較繁瑣，可以利用網(wǎng)格劃分的途徑，非旋轉(zhuǎn)流體區(qū)、旋轉(zhuǎn)流體區(qū)的網(wǎng)格應(yīng)分別設(shè)置為較大網(wǎng)格及較小網(wǎng)格。

2.4 指定邊界類型和區(qū)域類型

本研究對(duì)冷卻泵流暢進(jìn)行仿真運(yùn)算的過(guò)程中，應(yīng)用到了CFX求解器。該模型涵蓋了壁面區(qū)域以及進(jìn)、出口三種邊界，根據(jù)冷卻泵運(yùn)行途徑和CFX邊界條件的選取及組合，壓力進(jìn)、出口分別為冷卻泵進(jìn)口以及出口，壁面區(qū)域則是流體其它邊界[3]。非旋轉(zhuǎn)流體區(qū)應(yīng)處在靜止?fàn)顟B(tài)，而旋轉(zhuǎn)流體區(qū)則應(yīng)為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行仿真分析時(shí)應(yīng)對(duì)轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行明確。

2.5 流場(chǎng)仿真邊界條件的設(shè)定

開(kāi)展仿真研究時(shí)，要先設(shè)置CFX邊界條件。大氣壓力就是于冷卻泵進(jìn)口位置設(shè)定流動(dòng)總壓，由于出口位置水流存在較大的阻力，所以也要進(jìn)行背壓支持，要想盡可能的將仿真模型同實(shí)際運(yùn)行狀況相一致，結(jié)合邊界條件檢驗(yàn)成果，應(yīng)將出口位置的壓力設(shè)定成65000或者是60000Pa。流動(dòng)雷諾數(shù)于通流區(qū)中為湍流運(yùn)動(dòng)，均大于10000，要借助k-ε模型來(lái)研究流場(chǎng)。流動(dòng)于近壁區(qū)不會(huì)出現(xiàn)較大改變，呈層流狀態(tài)，湍流應(yīng)力完全無(wú)效[4]。在處理這一狀況的過(guò)程中，需要發(fā)揮壁面函數(shù)法的作用，即CFX軟件借助半經(jīng)驗(yàn)公式整合湍流核心區(qū)及壁面的物理量。壁面函數(shù)法核心為：借助k-ε模型來(lái)運(yùn)算湍流核心區(qū)的流動(dòng)，對(duì)半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行套用，整合湍流核心區(qū)所解答的變量及壁面物理量。由此，針對(duì)鄰近壁面控制體積，能夠?qū)?jié)點(diǎn)變量值進(jìn)行運(yùn)算，無(wú)需處理壁面流動(dòng)。對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分的過(guò)程中，壁面密集程度的增加并不必要，僅要在對(duì)數(shù)律區(qū)域中設(shè)置首節(jié)點(diǎn)即可，需要在湍流發(fā)展良好區(qū)域中開(kāi)展設(shè)置處理，所以之前并未對(duì)近壁區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行密集的劃分。通過(guò)迭代法，對(duì)流場(chǎng)的空間離散方程進(jìn)行運(yùn)算，按照收斂準(zhǔn)則來(lái)開(kāi)展相關(guān)運(yùn)算工作。本研究的收斂準(zhǔn)則為對(duì)完成運(yùn)算之前的控制方程殘差進(jìn)行管控，使其小于0.001，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并迅速的收斂。

3 ?優(yōu)化方案邊界條件數(shù)據(jù)測(cè)試

3.1 試驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置主要包括冷卻水箱、250cc發(fā)動(dòng)機(jī)、冷卻水箱、壓力表以及連接管等結(jié)構(gòu)。因?yàn)?50cc水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻泵的進(jìn)水口、排水口的壓力均在0.07MPa之下。所以在測(cè)試過(guò)程中應(yīng)測(cè)試0.1MPa壓力表。

3.2 壓力測(cè)試

①測(cè)試順序?yàn)椋阂崆邦A(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)十分鐘，提高實(shí)驗(yàn)精確程度;針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)水口、出水口的泵壓開(kāi)展測(cè)試工作，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為曲軸轉(zhuǎn)速的3000、5000以及7500r/min。

②測(cè)試結(jié)果：

4 ?結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的摩托車水冷技術(shù)利用的是曲軸驅(qū)動(dòng)水泵為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，水泵轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速相關(guān)，無(wú)法結(jié)合冷卻液溫度對(duì)泵水量進(jìn)行調(diào)控，因?yàn)槟ν熊嚨陌l(fā)動(dòng)機(jī)需要長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)熱，所以很容易發(fā)生過(guò)冷或過(guò)熱的問(wèn)題。應(yīng)在摩托車?yán)鋮s系統(tǒng)內(nèi)發(fā)揮電控水泵的作用，縮短暖機(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻液的有效控溫，對(duì)系統(tǒng)下的冷卻液進(jìn)行有效的管控，包括管控循環(huán)速度、關(guān)閉和開(kāi)啟。電控水泵邏輯簡(jiǎn)圖如圖1所示，電控水泵直接由ECU控制，ECU根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫信號(hào)輸出信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路從而控制電子水泵工作。本研究冷卻系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合當(dāng)下控制邏輯，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不會(huì)干擾電控水泵冷卻液的循環(huán)速度，而是直接由ECU根據(jù)冷卻液溫度調(diào)整水泵的轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂评鋮s液循環(huán)的速度來(lái)控制冷卻液的的溫度。比如在發(fā)動(dòng)機(jī)需要快速暖機(jī)的時(shí)候水泵不工作或者低速運(yùn)轉(zhuǎn)，比傳統(tǒng)的小循環(huán)更加高效節(jié)能。利用電控水泵不僅能夠精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度，還可以簡(jiǎn)化冷卻系統(tǒng)，省去小循環(huán)和相關(guān)零部件，更重要的是能夠減少曲軸負(fù)載降低能耗，提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作效率。

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