摘 要

随着汽车工业的不断发展，越来越多的汽车安装了增压发动机以改善汽车的动力性，但使用涡轮增压器会使得发动机进气温度升高，致使发动机充气效率降低且易增加NOx排放。高温气体在注入气缸之前需要被中冷，中冷系统是确保增压发动机换热性能满足要求的重要一环。

中冷系统的冷却性能可以通过许多方面的优化设计进行改善，如调整散热器的尺寸结构、改变中冷系统各部分参数、或是选用传热系数好的冷却介质（如纳米流体）。同时考虑到发动机轻量化的趋势，在设计中冷系统时，应当同时兼顾体积小、质量轻。本文拟设计集成水冷进气歧管高效中冷系统，在对中冷系统进行总体设计基础上，对中冷器、水泵、散热器、风扇进行了选型设计和参数计算。再采用多学科领域复杂系统建模仿真软件AMESIM，对所设计的发动机中冷系统，建立其冷却液回路模型，研究分析了流量、冷却液种类对冷却效果的影响，进行仿真参数匹配，根据研究的结果对设计的中冷系统进行优化。此外，还做了实验验证冷却液对中冷系统冷却性能的影响。所得结果对于改善中冷系统的换热性能、实现发动机轻量化具有重要的指导意义。

关键词：中冷系统；水冷；集成进气歧管；amesim仿真；参数匹配

Abstract

With the continuous development of the automobile industry, more and more automobiles are equipped with supercharged engines to improve the engine's dynamic performance. However, the use of supercharged engines will increase the intake air temperature of the engine, resulting in a decrease in engine charging efficiency and easy generation of exhaust gas NOx. . Supercharged engines require intermediate cooling of high-temperature air prior to injection into the cylinder. The intercooled system is an important part of the engine to ensure that heat transfer performance meets the requirements.

The cooling performance of the intercooling system can be improved by many aspects of optimization design, such as adjusting the size of the radiator, changing the parameters of the intercooling system, or using a cooling medium (such as nanofluid) with a good heat transfer coefficient. At the same time, because of the trend of lightweight engines, we should take into account the small size and light weight in the design of the cooling system.

This article plans to design an integrated water-cooled intake manifold efficient cooling system, selection of radiators, pumps, fans and parameter matching. Then, AMESIM, a complex system modeling and simulation software for multi-disciplinary fields, was used to design the engine cooling system, and the coolant circuit model was established. The effects of flow and coolant types on the cooling effect were studied and the simulation parameters were matched. According to the research The results are optimized for the design of the intercooling system. In addition, an experiment was conducted to verify the effect of coolant on the cooling performance of the intercooled system. The obtained results have important guiding significance for improving the heat transfer performance of the intercooling system and the weight reduction of the engine.

Key words:Intercooling system; water cooling; integrated intake manifold; Amesim simulation;parameter matching

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 中冷系统的研究背景及意义 1

1.2 国内外对中冷系统的研究现状 1

1.3 本设计的目的和内容 2

第2章 中冷系统设计 3

2.1 中冷系统结构设计 3

2.2 设计工况的选择 3

2.3 中冷系统的设计要求 4

2.3.1 中冷系统总体设计要求 4

2.3.2 中冷系统部件的设计原则 4

2.4 中冷系统部件的选型与设计 5

2.4.1 中冷器的选型和设计 5

2.4.2 散热器的选型和设计 6

2.5.3 风扇的选型和设计 8

2.5.4 水泵的选型和设计 9

2.5.5 冷却液管的选型和设计 9

2.6 本章小结 10

第3章 中冷系统仿真模型的建立 11

3.1 仿真软件简介 11

3.1.1 软件特点分析 11

3.1.2 运用AMESim建立中冷系统冷却回路模型的步骤 11

3.2 冷却液回路仿真模型的建立 11

3.2.1 建立冷却液回路模型的原因 11

3.2.2 主要子模型及相关计算 12

3.2.2 冷却液回路其他子模型介绍 15

3.3 冷却液回路整体模型的建立 16

3.4 对实际工况的仿真分析 17

3.5 本章小结 18

第4章 影响中冷系统冷却性能的影响因素分析 19

4.1 电子水泵（流量）的影响分析 19

4.1.1模拟仿真过程及数据采集 19

4.1.2电机的曲轴转速对水泵流量的控制 20

4.1.3冷却液温差随流量变化分析 21

4.1.4流量变化对中冷系统冷却性能的影响总结 21

4.2 冷却液的影响分析 21

4.2.1 三种冷却液建模 21

4.2.2 温度分析 23

4.2.3 流量分析 23

4.3 本章小结 24

第5章 模拟冷却液回路的实验验证 25

5.1 模拟冷却液回路实验设计 25

5.2 实验结果 25

第6章 结论与展望 27

6.1 结论 27

6.2 展望 27

参考文献 29

致 谢 30

第1章 绪论

1.1 中冷系统的研究背景及意义

随着现代社会汽车工业不断地发展，人们对于汽车动力性能和燃油经济性能的要求逐渐提高，涡轮增压技术已然成为改善发动机性能的一种必要手段^[1]。通过采用涡轮增压技术，增压发动机的进气量提高，进而使得发动机的功率和扭矩提高，汽车的动力性提高^[2]。但增压发动机在实际使用时还存在一个问题：当空气经过涡轮增压后，其温度会大幅度提高，相应导致压强增大，气体密度会变小，会导致发动机的充气效率降低。同时，高温气体燃烧可能会导致发生爆震现象，废气中易有NOx产生污染环境^[3]。为了解决这个问题，带有增压发动机的汽车通常会配备中冷器。

中冷系统的作用是将涡轮增压后的空气冷却后再送入发动机，从而降低气体温度、提高其密度，使发动机的充气量相应增加。如果控制其他边界条件，汽车的动力性、排放与油耗很大程度上受到中冷温度的影响^[4]。中冷系统的冷却性能是增压发动机的一项关键的指标，控制好中冷系统的冷却性能，不仅能有效提高汽车的动力性与经济性，而且对汽车的排放控制具有重要意义。

中冷器安装在进气歧管与发动机之间，如果将新鲜空气通过管路连接到中冷器上，连接的管路过长，冷却的气体压力损失会较大，还容易二次受热导致发动机的充气效率降低^[5]。可以考虑采用进气歧管集成中冷技术，既保证了中冷系统的冷却效果，还简化了中冷系统的结构，做到轻量化设计。

本文根据汽油机增压中冷系统的设计要求，对于水冷中冷系统，采用多学科领域复杂系统建模仿真软件AMESIM取代常规方法对中冷系统的冷却液回路进行仿真分析，改变风扇风速、电子水泵控制的流量、散热器的结构、冷却介质的种类比较分析不同因素对中冷系统冷却性能的影响。完成系统性能评估，给出优化建议。通过模拟冷却液回路试验，验证系统设计可行性和仿真分析的准确性，探索优化设计的道路。

1.2 国内外对中冷系统的研究现状

对于各类汽车发动机中冷器性能分析以及整个中冷系统研究，国内外的相关成果很多。

国外Qinguo Zhang等人^[6]利用多孔介质的方法数值模拟了中冷器的流动和传热特性，进而得到分布数据。也有学者也有许多学者对波纹翅片、板翅片以及复合翅片的研究优化设计发表相关论文^[7]。

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