COMPUTER SIMULATION OF HYDRODYNAMICS AND HEATING NON-UNIFORMITY OF THE CYLINDER HEAD AND BLOCK DURING PRE-START THERMAL CONDITIONING OF AUTOMOTIVE ENGINES

Authors

DOI:

https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2025.4.1.37

Keywords:

pre-start heating, numerical simulation, hydrodynamics, heat transfer, numerical methods, computer- aided modeling systems

Abstract

The paper presents the results of numerical simulation of heat transfer processes during the pre-start thermal conditioning of an internal combustion engine using a liquid heating system. The main objective of the study is to determine the spatial non-uniformity of heating within the engine components–particularly the cylinder block and cylinder head–and to evaluate the hydrodynamic characteristics of the coolant in the cooling system channels. The calculations were performed using the finite volume method combined with the k–ε turbulence model, which provides an appropriate balance between computational efficiency and accuracy under turbulent flow conditions. In the simulated preheating configuration, coolant circulation is organized with the inlet through the antifreeze outlet valve and the outlet through the drain pipe. The obtained results made it possible to identify stagnant zones forming in regions remote from the inlet pipe, which lead to significant temperature field non-uniformity. It was found that the temperature difference in the cylinder head can reach up to 20°C, while in the cylinder walls it can reach 30–40°C. The lower part of the engine crankcase practically does not participate in the heat exchange process, indicating incomplete heating of the engine during pre-start thermal conditioning. The total pressure drop in the system was calculated to be approximately 1658 Pa. The conducted study confirms the importance of CFD modeling as a key tool for comprehensive analysis of pre-start heating systems. Such simulations allow optimization of channel geometry, coolant flow schemes, and heat exchanger parameters, ultimately improving the efficiency of stored heat utilization and reducing the time required for the engine to reach its operating thermal regime. The obtained results can be further used in developing integrated models of the complete thermal preparation cycle for vehicle engines.

References

Kim D. S., Park Y. J., Lee S. W. et al. A study on characteristics and control strategies of cold start operation for improvement of harmful exhaust emissions in SI engines//Journal of Mechanical Science and Technology. 2008. Vol. 22. P. 141–147. DOI: 10.1007/s12206-007-1017-6.

Anghelache G., Boriaru N. General Preheating System for Cold Starting of Internal Combustion Engine//SAE Technical Paper 940107. 1994. DOI: 10.4271/940107.

Stecki J., Cichocki W., Garbacik A., Szewczyk K. Heating Systems for Cold Starting of IC Engines//SAE Technical Paper 920002. 1992. DOI: 10.4271/920002.

Gabriel A. Study on the Possibility of Facilitating Internal Combustion Engine Starting at Very Low Temperatures// SAE Technical Paper 920038. 1992. DOI: 10.4271/920038.

Gritsuk I., Volkov V., Gutarevych Y., Mateichyk V., Verbovskiy V. Improving engine pre-start and after-start heating by using the combined heating system // SAE Technical Paper 2016-01-8071. 2016. DOI: 10.4271/2016-01-8071.

Gritsuk I. V. The Development and the Study of the Combined Heating System of Engines and Vehicles//The Herald of Kharkiv National Automobile and Highway University. 2015. Vol. 70. P. 23–32.

Klets D., Gritsuk I., Makovetskyi A., Bulgakov N. et al. Information Security Risk Management of Vehicles//SAE Technical Paper 2018-01-0015. 2018. DOI: 10.4271/2018-01-0015.

Gritsuk I., Volkov V., Mateichyk V., Gutarevych Y. et al. The Evaluation of Vehicle Fuel Consumption and Harmful Emission Using the Heating System in a Driving Cycle//SAE International Journal of Fuels and Lubricants. 2017. Vol. 10, No. 1. P. 236–248.

Волков В. П., Грицук І. В., Володарець М. В., Погорлецький Д. С., Симоненко Р. В. Особливості дослі- дження теплоенергетичних характеристик теплоакумулюючого матеріалу для здійснення комбінованого прогріву гібридного транспортного засобу//Наукові нотатки. 2019. Вип. 65. С. 39–46. Режим доступу: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Nn_2019_65_8.

Клюєв О. І., Русанов С. А., Шатохіна І. А. Нові конструкції теплових акумуляторів для передпускової підготовки двигунів внутрішнього згоряння автомобілів//Вісник ХНТУ. 2024. № 1(88). С. 41–48.

The system of coolant optimal temperatures in ICE: пат. 103729 Україна: МПК (2013.01) F01P 3/22, B60H 1/04, B60K 11/00 / Гутаревич Ю. Ф., Матейчик В. П., Грицук І. В., Волков В. П., Каграманян А. О., Комов П. Б., Комов О. Б., Поддубняк В. Ю., Сергієнко М. І., Краснокуцька З. І.; заявник і патентовласник Національний транспортний університет. № uа 103729; заявл. 30.10.2012; опубл. 10.04.2013, Бюл. № 7. 17 с. : іл.

Клюєв О. І., Русанов С. А., Аппазов Е. С., Луняка К. В., Коновалов Д. В., Мацків Б. В. Тепловий акумулятор системи передпускового прогріву двигуна внутрішнього згорання: пат. на корисну модель № 137780 Україна: МПК F02N 15/00, F24H 7/00. Заявл. 03.04.2019; опубл. 11.11.2019, Бюл. № 21.

Луняка К. В., Клюєв О. І., Русанов С. А., Клюєва О. О., Коновалов Д. В. Тепловий акумулятор для передпускового прогріву двигуна внутрішнього згорання: пат. на корисну модель № 149067 Україна: МПК F02N 15/00, F24H 7/00. Заявл. 26.05.2021; опубл. 13.10.2021, Бюл. № 41.

Дмитрієв Д. О., Аппазов Е. С., Русанов С. А., Клюєв О. І. Моделювання процесу розігріву двигуна з тепловим акумулятором при передпусковій підготовці//Вісник Хмельницького національного університету. 2015. № 5. С. 54–58.

Аппазов Е. С., Клюєв О. І., Русанов С. А. Моделювання гідродинамічних та теплових процесів при передпусковій підготовці автомобільних двигунів// Науковий вісник Херсонської державної морської академії. Херсон: Вид-во ХДМА, 2014. № 1(10). С. 131–136.

Published

2025-12-31