基于KULI發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的仿真與試驗研究

張克鵬

ZHANG Ke-peng

陜西重型汽車有限公司 陜西西安 710200

1 引言

重型商用車由于發(fā)動機(jī)功率大，所產(chǎn)生的熱量也相應(yīng)的較大，再加上商用車較乘用車工況更加復(fù)雜和惡劣，普遍存在發(fā)動機(jī)冷卻液溫度過高的問題。因此，考慮在有限的發(fā)動機(jī)艙空間里，設(shè)計一個可靠而高效率的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)，用合理的冷卻系統(tǒng)將發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量散發(fā)到外界空氣中，在汽車整車開發(fā)過程中變得越來越重要[1,2]。

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計匹配，傳統(tǒng)的方法是制作物理樣機(jī)，通過試驗分析各個子系統(tǒng)之間的相互影響，這樣需要不斷地制作樣機(jī)進(jìn)行試驗對比，由于重型商用車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜性，按傳統(tǒng)方法開發(fā)周期比較漫長，試驗費用也較為昂貴。同傳統(tǒng)的建造試驗方法相比，利用數(shù)字建模進(jìn)行模擬計算分析，能在產(chǎn)品前期開發(fā)匹配過程中，就得到發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的冷卻效率初步分析結(jié)果，避免了后期改進(jìn)、完善、試驗驗證的時間消耗和成本浪費，對發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的成功開發(fā)和設(shè)計帶來非常顯著的作用[3-5]。

KULI軟件是由斯太爾工程技術(shù)中心（ Magna Steyr Engineering Center）開發(fā)的汽車熱管理的一維仿真軟件，利用該軟件可以方便地進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的整體布置和計算。本文基于某重型商用車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)，利用KULI軟件對該發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行4個典型工況的仿真計算，并將仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證仿真的準(zhǔn)確性，為車輛冷卻系統(tǒng)匹配和優(yōu)化提供技術(shù)支持和新的解決方案。

2 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定

所研究某重型商用車?yán)鋮s系統(tǒng)的布置如圖1所示。發(fā)動機(jī)為增壓中冷式大功率柴油發(fā)動機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。根據(jù)該重型商用車的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計了進(jìn)口壓降（KULI軟件中為CP閥模塊）、中冷器、散熱器、機(jī)械風(fēng)扇、水泵、內(nèi)部壓降（KULI軟件中為內(nèi)部阻力模塊）和出口壓降等的仿真模型，這些模型包括以下信息：a. 部件的外形尺寸和位置參數(shù)；b. 流體模型，主要為內(nèi)部流動流體和外部流動流體的壓力損失特性；c. 中冷器和散熱器等熱交換器部件的傳熱特性[6]。

表1 柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2.1 散熱器模型

2.1.1 散熱器物理參數(shù)

按照車輛設(shè)計參數(shù)，確定散熱器外形尺寸：寬度為818 mm，高度為680 mm，厚度為40 mm；位置坐標(biāo)按照車輛設(shè)計總布置，確定散熱器位置坐標(biāo)為：(X,Y,Z)=(0,0,0)；按照車輛實際安裝使用條件，確定內(nèi)部流動方向為-Z方向；根據(jù)車輛設(shè)計布置確定散熱器入口位置為左上方；內(nèi)布置管道參數(shù)：根據(jù)車輛散熱器設(shè)計參數(shù)，確定管道總數(shù)為68，管道排數(shù)為1，管道截面積為53.53 mm2，浸潤周長為81.44 mm。

2.1.2 散熱器內(nèi)部流動特性

散熱器內(nèi)部流動冷卻液為水和乙二醇混合液，混合比例為50%，水箱壓力損失比為30%。

根據(jù)散熱器風(fēng)洞性能試驗值，在定義散熱器內(nèi)部流動特性時，將其輸入KULI軟件，在軟件中形成散熱器冷卻液流動壓力損失特性曲線，如圖2所示。

2.1.3 散熱器外部流動特性

散熱器外部流體為從汽車格柵進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙的空氣，入口絕對壓力為101.3 kPa，空氣濕度為50%，相對溫度為33℃。

根據(jù)散熱器在風(fēng)洞性能試驗中的數(shù)值，在定義散熱器外部流動特性時，將其輸入KULI軟件，在軟件中形成散熱器外部流動（冷空氣）特性曲線，如圖3所示。

2.1.4 散熱器熱傳導(dǎo)特性

散熱器熱傳遞特性，根據(jù)試驗測試數(shù)據(jù)，在定義散熱器熱傳遞特性時，將其輸入KULI軟件，在軟件中形成其特性曲線如圖4所示。

2.2 中冷器模型

2.2.1 中冷器物理參數(shù)

按照車輛設(shè)計參數(shù)，確定中冷器外形尺寸：寬度為780 mm，高度為465 mm，厚度為50 mm；位置坐標(biāo)按照車輛設(shè)計總布置，確定中冷器位置坐標(biāo)為：(X,Y,Z)=(-150,50,0)；按照車輛實際安裝使用條件，確定內(nèi)部流動方向為-Z方向；根據(jù)車輛設(shè)計布置確定中冷器入口位置為左上方；內(nèi)布置管道參數(shù)根據(jù)車輛中冷器設(shè)計參數(shù)，確定管道總數(shù)為24，管道排數(shù)為1，管道截面積為390 mm2，浸潤周長為433 mm。

2.2.2 中冷器內(nèi)部流動特性

中冷器內(nèi)部流動入口絕對壓力為102.7 kPa，水箱壓力損失比為30%。

在定義中冷器內(nèi)部熱側(cè)流動特性時，將中冷器風(fēng)洞性能試驗中內(nèi)部熱側(cè)的流量-壓力損失對應(yīng)數(shù)值輸入到KULI軟件中冷器特性參數(shù)界面下，在軟件中形成中冷器內(nèi)部熱側(cè)流動壓力損失特性曲線，如圖5所示。

2.2.3 中冷器外部流動特性

中冷器外部流體為從汽車格柵進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙的空氣，入口絕對壓力為102.7 kPa，空氣濕度為33%，相對溫度為28℃。

同樣根據(jù)中冷器風(fēng)洞性能試驗數(shù)據(jù)，在KULI軟件中形成中冷器外部流動（冷空氣）特性曲線，如圖6所示。

2.2.4 中冷器熱傳導(dǎo)特性

中冷器熱傳遞特性，根據(jù)試驗測試數(shù)據(jù)，在定義中冷器熱傳遞特性時，將其輸入KULI軟件，在軟件中形成其特性曲線如圖7所示。

2.3 風(fēng)扇模型

2.3.1 風(fēng)扇物理參數(shù)

風(fēng)扇外形參數(shù)：直徑為646 mm，葉片寬度為70 mm，厚度為94 mm，葉片數(shù)為9；按照車輛設(shè)計總布置，確定中冷器位置坐標(biāo)為：(X,Y,Z)=(200,400,340)；采用機(jī)械直接式風(fēng)扇，風(fēng)扇與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳輸比為1。

2.3.2 風(fēng)扇特性

風(fēng)扇特性邊界條件：冷空氣入口溫度為20℃，入口壓力為101.3 kPa，空氣濕度為50%。

將冷卻風(fēng)扇性能試驗中風(fēng)扇轉(zhuǎn)速-冷卻流量-壓力損失對應(yīng)數(shù)值輸入到KULI軟件的冷卻風(fēng)扇特性參數(shù)界面下，在軟件中形成冷卻風(fēng)扇的特性曲線如圖8所示。

2.4 水泵模型

2.4.1 水泵物理參數(shù)

水泵與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速傳輸比為1.867。

2.4.2 水泵特性

水泵特性邊界條件：冷卻液進(jìn)入溫度為80℃，入口絕對壓力為201.3 kPa。

將水泵性能試驗中水泵轉(zhuǎn)速-冷卻液流量-壓力損失三者的對應(yīng)值輸入到KULI軟件的水泵特性參數(shù)界面下，在軟件中形成水泵的特性曲線如圖9所示。

2.5 其他模型

2.5.1 進(jìn)出口壓降

空氣流道特性引起的壓差由式(1)所示：

式中，△p為壓差，kPa；CP為空氣流道特性值；ρ為冷空氣密度，kg/m3；vinlet為冷空氣流速，km/h。

前端空氣流道特性用進(jìn)口CP閥模塊表示，按照車輛設(shè)計總布置確定位置坐標(biāo)為：(X,Y,Z)=(-400,400,340)；特性值設(shè)定：入口區(qū)域面積=0.40 m2，CP=0.9。

后端空氣流道特性用出口CP閥模塊表示，按照車輛設(shè)計總布置確定位置坐標(biāo)為：(X,Y,Z)=(450,400,340)；特性值設(shè)定：出口區(qū)域面積=1 m2,CP=-0.1。

2.5.2 內(nèi)部壓降

內(nèi)部壓降在KULI軟件里面通過內(nèi)部阻力模塊表示，其位置按照車輛設(shè)計總布置為：(X,Y,Z)=(400,400,340)；根據(jù)試驗時候的大氣溫度，預(yù)設(shè)入口溫度為20℃，空氣濕度為10%，入口壓力為101.3 kPa。

模擬行駛車速=15 km/h，參數(shù)化壓降由式(2)表示：

式中，y為壓降；x為流量；a、b、c為常系數(shù)。流動方向的常系數(shù)設(shè)定為：a=45，b=0，c=0。邊界限值設(shè)定：最小值=-1，最大值=1。

2.5.3 格柵區(qū)域阻力

外形參數(shù)：寬度為550 mm，高度為630 mm，厚度為26 mm；位置坐標(biāo)按照車輛設(shè)計總布置，確定格柵區(qū)域位置坐標(biāo)為：(X,Y,Z)=(-300,50,0)；根據(jù)試驗時候的大氣溫度，預(yù)設(shè)入口溫度為20℃，空氣濕度為10%，入口壓力為101.3 kPa。

參數(shù)化壓降由式(2)表示，流動方向的常系數(shù)設(shè)定為：a=25，b=0，c=0。邊界限值設(shè)定：最小值=0.1，最大值=4.6。

3 循環(huán)定義

3.1 內(nèi)循環(huán)定義

內(nèi)循環(huán)包括散熱器冷卻液回路和中冷器流體回路，如圖10所示。

3.2 外部循環(huán)定義

外部循環(huán)主要針對冷卻系統(tǒng)外部冷卻空氣的流動路徑，定義了空氣流經(jīng)路線的5個節(jié)點，每個節(jié)點前后分別為部件參數(shù)模型，以此來表示冷卻空氣流經(jīng)各個部件模型的先后次序，如圖11所示。

4 模擬計算與分析

根據(jù)臺架模擬運(yùn)行試驗數(shù)據(jù)和發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)模型參數(shù)設(shè)置，確定仿真模型模擬計算工況，主要包括發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、平均有效壓力、行駛車速、大氣濕度和壓力等，研究針對發(fā)動機(jī)最大轉(zhuǎn)速、最大扭矩等幾個典型工況進(jìn)行分析，具體工況如表2所示。

表2 模擬計算工況

通過分析計算，得到包括散熱器的進(jìn)出水溫度及溫差、散熱器進(jìn)出水壓力及壓力差、中冷器的進(jìn)出氣溫度及溫差、中冷器的進(jìn)出氣壓力及壓差等結(jié)果，如表3所示。

表3 模擬計算結(jié)果

5 仿真結(jié)果與試驗對比

通過重型商用車柴油機(jī)臺架試驗獲得發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)性能數(shù)據(jù)。試驗過程中，測量參數(shù)有溫度測量點，壓力測量點和水流量測量點，同時控制發(fā)動機(jī)輸出扭矩和轉(zhuǎn)速。最大扭矩工況(工況2)和額定轉(zhuǎn)速工況(工況4)下所有參數(shù)試驗數(shù)據(jù)和仿真模擬數(shù)據(jù)對比如圖12、13所示。

從圖12、13中可以看出，除了中冷器進(jìn)出氣壓差和散熱器進(jìn)出水溫差，其誤差超過了8%，其他試驗數(shù)據(jù)和仿真模擬數(shù)據(jù)結(jié)果誤差很小，最大不超過5%，最小的誤差在1%以內(nèi)。造成誤差偏大的原因是：模型選取的是部件的理想情況，沒有充分考慮熱交換器部件內(nèi)部介質(zhì)的流動和換熱損失；試驗過程中各種參數(shù)測量存在有測量誤差；誤差較大的這兩項基數(shù)偏小，與此對應(yīng)的誤差百分比就比較大。因此可以認(rèn)為，基于KULI軟件進(jìn)行該重型商用車發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)分析具有非常高的準(zhǔn)確度，為發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計與匹配能夠提供理論依據(jù)。

6 結(jié)論

a. 利用數(shù)值計算方法可以在車輛開發(fā)前期對其發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，縮短開發(fā)時間，降低開發(fā)成本。

b. 基于一維熱管理仿真軟件KULI建立發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)模型，計算了冷卻系統(tǒng)各部件的散熱情況，為發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計匹配提供理論依據(jù)和新的解決方案。

c. 數(shù)值模擬與臺架試驗相結(jié)合，為發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)集成優(yōu)化開發(fā)提供平臺和流程方面支持，從而減少大量試驗，節(jié)省大量的人力和物力成本，縮短開發(fā)周期。

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