Техніка та енергетика

Аналіз та оптимізація систем охолодження двигунів внутрішнього згоряння для підвищення теплової ефективності та надійності роботи двигуна

Віктор Дуганець, Олександр Говоров, Віталій Пукас
Завантажити статтю
Анотація

Метою дослідження було кількісно оцінити та оптимізувати роботу систем охолодження двигуна внутрішнього згоряння з огляду на підвищення його теплової ефективності та надійності. Методологія поєднувала моторно-стендові випробування з вимірюванням температур, витрати охолоджувальної рідини та палива, розрахунок теплового потоку з оцінкою невизначеності відповідно до керівництва з вираження невизначеності вимірювань, обчислювальну гідродинаміку у спряженій постановці «рідина – тверде тіло», аналіз напружено-деформованого стану головки блока та дослідження перехідного режиму прогріву від 20 до 90°C. Установлено, що модернізовані конфігурації забезпечили зростання теплового потоку за умов максимального навантаження на 10-17 %, зниження пікових температур у критичних прикамерних зонах на 5-6 % і 10-12 %, а також зменшення внутрішніх температурних градієнтів на 18-22 % і 30-35 %. Це супроводжувалося зниженням еквівалентних напружень на 18-22 % та підвищенням коефіцієнта запасу міцності з 1,45 до 1,87 у найбільш ефективній конфігурації. У перехідному режимі система з електроприводним насосом скорочувала час досягнення робочої температури на 9-12 % і зменшувала інтегральну витрату палива на 10-12 %, тоді як конфігурація з розділеними контурами забезпечувала стабільне зниження цих показників на 6-8 % і 5-7 %, відповідно. Аналіз гальмової питомої витрати палива в контрольних стаціонарних режимах не виявив статистично значущого погіршення паливної економічності для модернізованих систем. Інтегральне ранжування показало, що система з розділеними контурами забезпечує збалансоване поєднання зниження максимальної температури, мінімізації температурних градієнтів і підвищення запасу міцності без компромісів щодо паливної ефективності, тоді як електроприводна помпа є доцільною для мінімізації тривалості прогріву та витрати палива під час холодного запуску. Практична значущість дослідження полягає у формуванні кількісно обґрунтованих критеріїв вибору конфігурації системи охолодження та стратегій керування витратою теплоносія для інженерних підрозділів з метою підвищення теплової надійності й довговічності двигунів

Ключові слова

локальні температурні градієнти; термонапружений стан; еквівалентні напруження; коефіцієнт запасу міцності; перехідний режим прогріву; інтегральна витрата палива

ЦИТУВАТИ
Duhanets, V., Hovorov, O., & Pukas, V. (2026). Analysis and optimisation of internal combustion engine cooling systems to improve thermal efficiency and operational reliability. Machinery & Energetics, 17(2), 7-21. https://doi.org/10.31548/machinery/2.2026.1
Використані джерела
  1. Bakatwar, R., Nesamani, K., Bhargava, A., & Jain, R. (2018). Performance analysis & optimization of engine cooling system by using electronically controlled thermostat for improving thermal efficiency. SAE Technical Paper. doi: 10.4271/2018-01-0053.
  2. Brayner, P.H.A., da Costa, J.Â.P., Ochoa, A.A.V., Urbano, J.J., Leite, G.N.P., & Michima, P.S.A. (2024). Analysis and optimization of the fuel consumption of an internal combustion vehicle by minimizing the parasitic power in the cooling system. Processes, 12(2), article number 321. doi: 10.3390/pr12020321.
  3. Chalet, D., Lesage, M., Cormerais, M., & Marimbordes, T. (2017). Nodal modelling for advanced thermal-management of internal combustion engine. Applied Energy, 190, 99-113. doi: 10.1016/j.apenergy.2016.12.104.
  4. Di Bartolomeo, M., Di Battista, D., & Cipollone, R. (2023). Experimentally based methodology to evaluate fuel saving and CO2 reduction of electrical engine cooling pump during real driving. SAE International Journal of Engines, 16(5), 693-708. doi: 10.4271/03-16-05-0041.
  5. Di Battista, D., di Bartolomeo, M., & Cipollone, R. (2026). The performance of engine coolant control strategies on real driving emissions. Applied Thermal Engineering, 289(1), article number 129753. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2026.129753.
  6. Gritsuk, I., Pohorletskyi, D., Bulgakov, M., Khudiakov, I., Volodarets, M., Smyrnov, O., Korohodskyi, V., Symonenko, R., Holovashchenko, O., & Hrytsuk, V. (2024). Development of an approach to the construction of an adapted model for ensuring the thermal readiness processes of a vehicle based on fuel consumption and exhaust gas emissions. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(4(132)), 26-45. doi: 10.15587/1729-4061.2024.316922.
  7. IEC 60584-1:2013. (2013). Thermocouples – Part 1: EMF specifications and tolerances. Retrieved from https://webstore.iec.ch/en/publication/2521.
  8. ISO 15550:2016. (2016). Internal combustion engines – determination and method for the measurement of engine power – general requirements. Retrieved from https://www.iso.org/standard/70030.html.
  9. Jafari, A., Sadeghianjahromi, A., & Wang, C.-C. (2022). Experimental and numerical investigation of brazed plate heat exchangers – a new approach. Applied Thermal Engineering, 200, article number 117694. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2021.117694.
  10. Jalal, R.I.A., Yusoff, M.A.M., Hasan, H.M.A., & Yahya, M.N. (2021). Simulation of bypass electric water pump to reduce the engine warm-up time. Journal of Mechanical Engineering Science, 15(3), 8241-8252. doi: 10.15282/jmes.15.3.2021.03.0647.
  11. JCGM 100:2008. (2008). Evaluation of measurement data – guide to the expression of uncertainty in measurement. Retrieved from https://www.bipm.org/documents/20126/2071204/JCGM_100_2008_E.pdf.
  12. Jeong, S.-J., Kang, J.-H., Moon, S.-J., & Lee, G.-S. (2024). Transient and dynamic simulation of the fluid flow through five-way electric coolant control valve of a 100 kW fuel cell vehicle by CFD with moving grid technique. Actuators, 13(3), article number 110. doi: 10.3390/act13030110.
  13. Kaleli, A. (2020). Development of the predictive based control of an autonomous engine cooling system for variable engine operating conditions in SI engines: Design, modeling and real-time application. Control Engineering Practice, 100, article number 104424. doi: 10.1016/j.conengprac.2020.104424.
  14. Kaltakkıran, G. (2021). A study on the effects of coolant strategy on the instantaneous energy balance during the warm-up period in a spark ignition engine. International Journal of Innovative Research and Reviews, 5(2), 1-8.
  15. Kholdenko, V.I. (2025). Analysis of existing methods for diagnostic of ship pumps. Visnyk of Kherson National Technical University, 1(2(93)), 280-286. doi: 10.35546/kntu2078-4481.2025.2.1.36.
  16. Li, W., Li, E., Shi, W., Li, W., & Xu, X. (2020). Numerical simulation of cavitation performance in engine cooling water pump based on a corrected cavitation model. Processes, 8(3), article number 278. doi: 10.3390/pr8030278.
  17. Liu, H., Wen, M., Yang, H., Yue, Z., & Yao, M. (2021). A review of thermal management system and control strategy for automotive engines. Journal of Energy Engineering, 147(2). doi: 10.1061/(ASCE)EY.1943-7897.0000743.
  18. Lu, B., Zhang, Z., Cai, J., Wang, W., Ju, X., Xu, Y., Lu, X., Tian, H., Shi, L., & Shu, G. (2023). Integrating engine thermal management into waste heat recovery under steady-state design and dynamic off-design conditions. Energy, 272, article number 127145. doi: 10.1016/j.energy.2023.127145.
  19. Lu, P., Gao, Q., Lv, L., Xue, X., & Wang, Y. (2019). Numerical calculation method of model predictive control for integrated vehicle thermal management based on underhood coupling thermal transmission. Energies, 12(2), article number 259. doi: 10.3390/en12020259.
  20. Menter, F.R. (1994). Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications. AIAA Journal, 32(8), 1598-1605. doi: 10.2514/3.12149.
  21. Naderi, A., Qasemian, A., Shojaeefard, M.H., Samiezadeh, S., Younesi, M., Sohani, A., & Hoseinzadeh, S. (2021). A smart load-speed sensitive cooling map to have a high-performance thermal management system in an internal combustion engine. Energy, 229, article number 120667. doi: 10.1016/j.energy.2021.120667.
  22. Nahliuk, M., Pavlenko, V., Kuzhel, V., & Chernenko, P. (2023). Quality indicators of antifreeze and their correlation with electrical conductivity during the intercity buses operation. Journal of Mechanical Engineering and Transport, 17(1), 108-113. doi: 10.31649/2413-4503-2023-17-1-108-113.
  23. Pandey, A., Schlautman, J., Liu, Z., Dhar, S., & Yashwanth, B.L. (2024). Conjugate heat transfer analysis of an i-4 engine including pistons, liners, block, heads, water cooling jacket, and oil cooling jets. SAE Technical Paper. doi: 10.4271/2024-01-2696.
  24. Pimpinella, L., Mikuláš, O., Ko, M.S., Bae, I.H., Herceg, M., Pekař, J., Kim, Y.K., & Jung, Y.H. (2021). Advanced coolant temperature control study with integrated thermal management system valve. IFAC-PapersOnLine, 54(6), 200-205. doi: 10.1016/j.ifacol.2021.08.545.
  25. Pohorletsky, D.S., Gritsuk, I.V., Khudiakov, I.V., Chernenko, V.V., & Polishuk, A.V. (2023). Features of low-temperature corrosion protection of cylinder sleeves of ship low-speed engines. Reporter of the Priazovskyi State Technical University. Section: Technical Sciences, 46, 122-130. doi: 10.31498/2225-6733.46.2023.288181.
  26. Primary Foundry Alloys. (n.d.). Technical data sheet: AlSi7Mg0.3. Retrieved from https://cdn.thomasnet.com/ccp/00176659/102129.pdf.
  27. Pylyov, V.V., Linkov, O.Y., & Marchenko, A.P. (2024). Refining the empirical model of the heat transfer boundary conditions of the piston of a high-speed diesel engine. Internal Combustion Engines, 2, 3-11. doi: 10.20998/0419-8719.2024.2.01.
  28. Qin, S., Xie, C., Li, S., Yang, Q., Chen, J., & Sun, K. (2022). CFD analysis and optimization of a diesel engine cooling water jacket. Fluid Dynamics & Materials Processing, 18(3), 647-659. doi: 10.32604/fdmp.2022.017519.
  29. Salehi, H., Savaripour, H., Bidhendi, H.M.M., Farhani, F., & Rosen, M.A. (2023). Experimental and simulation study of an automobile cooling system: Performance improvement using passive flow control. International Communications in Heat and Mass Transfer, 149, article number 107168. doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2023.107168.
  30. Savaripour, H., Hosseini, S.A., Nasrollahnezhad, S., Jahangiri, A., & Rosen, M.A. (2022). Investigation of engine’s thermal management based on the characteristics of a map-controlled thermostat. International Communications in Heat and Mass Transfer, 135, article number 106156. doi: 10.1016/j.icheatmasstransfer.2022.106156.
  31. Sheikhi, A., Saray, R.K., Ghazani, A.S., Geimechi, A., & Lashkarpour, S.M. (2026). Thermal management and optimization of a 6-cylinder heavy-duty diesel engine: A two-way coupled CFD, FEA and combustion numerical study. Fuel, 405(C), article number 136634. doi: 10.1016/j.fuel.2025.136634.
  32. Tan, L., Yuan, Y., & Huang, C. (2023). CFD modelling on flow field characteristics of engine cooling water jacket and its cooling performance improvement based on coolant transport path analysis method. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 237(2), 385-401. doi: 10.1177/09576509221116503.
  33. Turabimana, M., Sohn, J.W., & Choi, S.-B. (2023). A novel active cooling system for internal combustion engine using shape memory alloy based thermostat. Sensors, 23(8), article number 3972. doi: 10.3390/s23083972.
  34. Yang, L., Lu, G., & Wang, T. (2024). Structure improvement of two-cylinder engine cooling water jacket based on flow field simulation. Sustainability, 16(24), article number 11092. doi: 10.3390/su162411092.
  35. Zou, Y., Li, R., Pan, H., Sun, X., & Fu, J. (2025). Performance prediction of electronic fan and water pump of engine cooling system based on joint simulation and machine learning. Scientific Reports, 15, article number 15672. doi: 10.1038/s41598-025-00313-x.