某重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻性能的優(yōu)化設(shè)計

李文尚，龍芋宏，劉均亮，蔡 杰

（桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，桂林 541004）

某重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻性能的優(yōu)化設(shè)計

李文尚，龍芋宏，劉均亮，蔡 杰

（桂林電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，桂林 541004）

0 引言

隨著重型車載重量的不斷提高，使得發(fā)動機轉(zhuǎn)速和功率也相應(yīng)地提高。而作為車輛的重要組成部分冷卻系統(tǒng)是保障發(fā)動機正常穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的重要輔助系統(tǒng)之一。有數(shù)據(jù)顯示，燃油燃燒后產(chǎn)生的熱量分配大約為：30%用于推動活塞做功，30%通過排氣散發(fā)掉，而30%的熱量需要通過冷卻系統(tǒng)散發(fā)掉。這就對發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求，要求冷卻系統(tǒng)能夠具有更好的散熱效果，使發(fā)動機在高功率下能夠正常的運轉(zhuǎn)[1,2]。而與此同時，現(xiàn)在很多汽車廠商在汽車設(shè)計過程中，為了保證駕駛室有足夠的空間而縮小了發(fā)動機艙的空間。因此，在有限的發(fā)動機艙空間里，散熱條件惡劣的情況下，設(shè)計出既能保證有足夠散熱能力和強度又能提高效率降低能耗已成為冷卻系統(tǒng)未來發(fā)展的必然趨勢[3～5]。

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的開發(fā)和實驗通常需要在風(fēng)洞中做大量試驗，其理論設(shè)計涉及傳熱學(xué)和流體力學(xué)等學(xué)科，計算量大，這無疑加大了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計周期和昂貴的試驗費。KULI軟件是由斯太爾工程技術(shù)中心研發(fā)的汽車熱管理的設(shè)計和仿真的一維軟件[6]。它系統(tǒng)地考慮零部件與零部件，零部件與系統(tǒng)間的性能配置。運用KULI汽車熱管理一維軟件可以方便快速地設(shè)計出某個發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型，縮短設(shè)計周期降低開發(fā)成本。本文利用該軟件對某重型車?yán)鋮s系統(tǒng)進行優(yōu)化并與實驗數(shù)據(jù)對比，從而得到該冷卻系統(tǒng)配置的優(yōu)化方案。

1 冷卻系統(tǒng)模型的建立

本文是以某重載車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)為研究對象，該冷卻系統(tǒng)主要采用閉式強制水冷循環(huán)的方式，主要由冷卻水套、水泵、風(fēng)扇、散熱器、進氣中冷器、節(jié)溫器、機油冷卻器以及循環(huán)管路等組成。

1.1 冷卻系統(tǒng)的散熱量 wQ

該重載車使用的發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

冷卻系統(tǒng)散出的熱量wQ，受許多復(fù)雜因素的影響，很難精確計算，一般采用經(jīng)驗公式估算[7]：

式中：Qw為冷卻系統(tǒng)散走的熱量，單位：KJ.s-1；k為發(fā)動機傳給冷卻系的熱量占燃料總熱量的百分?jǐn)?shù)；ge為發(fā)動機燃料消耗率，單位：kg· (kw·h)?1；Ne為發(fā)動機標(biāo)定功率，單位：kw；hn為燃料低熱值，單位：KJ·kg?1。

表1 發(fā)動機主要技術(shù)參數(shù)

上式中：k取0.2；ge取0.32；hn取41870。求出冷卻系統(tǒng)散出的熱量Qw為205KJ·s?1。

1.2 冷卻水的循環(huán)量 Vw

式中：Δtw為冷卻水在發(fā)動機內(nèi)循環(huán)是的容許溫升，對現(xiàn)代強制循環(huán)冷卻系，可取Δtw=6～12℃；rw為水的比重，取1000kg/m3；cw為水的比熱，取4.187KJ/kg·℃。

求得冷卻水的循環(huán)量為380L/min。

1.3 冷卻系統(tǒng)模型建立

根據(jù)該重型車發(fā)動機艙結(jié)構(gòu)形式，在KULI中建立進口壓降（KULI軟件中為CP閥）、格柵阻力、中冷器、散熱器、機械風(fēng)扇、內(nèi)部壓降（KULI軟件中為內(nèi)部阻力）以及出口壓降的仿真模型。其中中冷器、散熱器以及風(fēng)扇的性能特性由供應(yīng)商提供。散熱量與循環(huán)水量由上面計算得出。建立的冷卻系統(tǒng)模型如圖1和圖2所示。

圖1 內(nèi)循環(huán)回路

2 模擬計算參數(shù)

2.1 模擬計算參數(shù)設(shè)定

根據(jù)臺架模擬運行實驗數(shù)據(jù)和零部件模型參數(shù)設(shè)置，確定數(shù)字模型模擬計算參數(shù)，主要包括發(fā)動機轉(zhuǎn)速、有效壓力均值、模擬行駛車速、空氣濕度和壓力等。對發(fā)動機最大轉(zhuǎn)速、最大扭矩等三種工況進行分析研究。如表2所示。

圖2 外循環(huán)回路

表2 模擬計算參數(shù)設(shè)定

2.2 模擬計算結(jié)果

通過KULI的仿真分析，得到以下主要結(jié)果數(shù)據(jù)，包括散熱器的進、出水溫度及進出水溫差、散熱器的進、出水壓力及進出水壓差、中冷器的進、出氣溫度及進出氣溫差、中冷器的進、出氣壓力及進出氣壓差。如表3所示。

從表3中可以看出，在最大扭矩工況(工況2)和額定轉(zhuǎn)速工況（工況3）下，散熱器出水溫度都保持在85℃～95℃以內(nèi)，在發(fā)動機允許的溫度范圍內(nèi)；中冷器出氣溫度（即發(fā)動機進氣溫度）保持在50℃左右，在發(fā)動機最佳進氣范圍內(nèi)。因此可以認(rèn)為，在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計前期，運用KULI軟件和供應(yīng)商提供的性能參數(shù)可以初步確定發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的各參數(shù)。為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計和匹配提供參考依據(jù)。

表3 模擬計算結(jié)果

3 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化配置

通過以上方法可指導(dǎo)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計者正確進行散熱器、中冷器以及風(fēng)扇的選型和計算。但是考慮到發(fā)動機功率的提高及發(fā)動機艙空間的縮小，有必要對冷卻系統(tǒng)整體布局進行優(yōu)化使其具有更好的散熱能力。

針對該重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中散熱器與中冷器的迎風(fēng)面積不同，兩者不能完全重疊。根據(jù)流體力學(xué)理論，冷卻空氣在散熱器和中冷器組件中流動時，在中冷器進口截面和散熱器出口截面之間的各個部分壓力降都是相同的，所以冷卻空氣流過重疊部分和非重疊部分的流速是不同的，流過重疊部分因阻力大其流速較小，而流過非重疊部分因阻力小其流速較高。所以散熱器上水室冷卻水溫受到中冷器安裝位置的影響[8]，本文分別用KULI軟件仿真和理論計算的方法對中冷器位于散熱器上部、中部、下部這三種情況展開研究。三種位置關(guān)系如圖3所示。

3.1 模型仿真

根據(jù)上面設(shè)計出的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，在KULI中建立該發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中冷器的三種不同布置的模型，保持其他參數(shù)不變，只改變中冷器的位置參數(shù)。其位置參數(shù)如表4所示。

為了能夠分析中冷器三種不同位置時散熱器表面散熱量的分布，將散熱器分成若干個50×50的小模塊，這樣在后處理KULI lab中可以直觀的反映出散熱器表面溫度的分布情況。

3.2 仿真結(jié)果

本論文以額定功率為研究工況，通過KULI的仿真分析，得到散熱器進、出水溫度及中冷器進、出氣溫度等主要結(jié)果數(shù)據(jù)。如表5所示。

圖3 中冷器的布置

表4 各部件位置參數(shù)

表5 模擬計算結(jié)果

由仿真計算結(jié)果可以看出，當(dāng)散熱器內(nèi)部冷卻水自上往下，中冷器內(nèi)部冷卻水自左往右流動時，中冷器的三種布置方式對散熱器的散熱效果具有一定的影響。中冷器上置時散熱效果要優(yōu)于中冷器中置和下置。

將仿真結(jié)果導(dǎo)入KULI lab軟件中，可以看出不同布置對散熱器表面散熱能力均勻性有一定的影響。分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 中冷器不同布置時散熱器溫度分布

對比圖4三種不同布置散熱器溫度分布圖可以直觀的看出，圖(a)中散熱器自上而下溫度分布差值較大，圖(c)的溫度分布差值較小，而圖（b）的溫度分布介于這兩者之間。由此說明在這三種不同布置中，當(dāng)中冷器上置時散熱器的散熱更均勻，溫度過渡平順，散熱效果要更好。

3.3 理論分析

根據(jù)車輛冷卻傳熱理論，散熱器散走的熱量可通過下面兩個表達式來計算。如式（3）、式（4）所示。

式中：Qw為冷卻系統(tǒng)散走的熱量；F為散熱器的迎風(fēng)面積；twm為散熱器的平均溫度；t2為中冷器出口處冷卻空氣溫度；Gw為水泵的流量；Cpw為冷卻水的等壓比熱；qs為比冷卻能力，其物理意義是冷卻器（散熱器或中冷器）單位迎風(fēng)面積、單位溫差（冷卻器平均溫度與冷卻空氣溫度之差）所散走的熱量。

結(jié)合圖3所示三種中冷器的布置結(jié)構(gòu)，將中冷器下置、中置和上置時的散熱器分為重疊部分和非重疊部分來討論，并分別將各參數(shù)帶入式（3）～式（5）組成如下方程組。

中冷器下置時方程組為：

式中：Fa為散熱器與中冷器非重疊部分面積；Fb為散熱器與中冷器重疊部分面積。

同理，可以得出中冷器上置時方程組為：

聯(lián)合上面各式可以解得散熱器上水室冷卻水溫twu的計算式如下。

其中：t2?t1=?t ，?t為中冷器進出口冷卻空氣的溫升。

由上式結(jié)果可知，當(dāng)中冷器上置時，散熱器的散熱性能更好。這與在KULI中仿真結(jié)果一致。

所以對于中冷器和散熱器不完全覆蓋的情況時，可以把中冷器安裝成與散熱器等高，這樣既可以提高散熱器的冷卻效率，也能使散熱器內(nèi)部的散熱分布更均勻，延長散熱器的使用壽命。理論分析進一步驗證了仿真結(jié)果。

4 結(jié)論

本文以某重型車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)為研究對象，運用KULI軟件對該重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型進行優(yōu)化設(shè)計。重點研究在散熱器與中冷器不完全覆蓋的情況下，探討中冷器的安裝位置對整體散熱性能的影響。理論和仿真結(jié)果表明：對于中冷器與散熱器的迎風(fēng)面積不是全覆蓋的情況，為了使冷卻水得到有效的冷卻，中冷器芯子安裝高度應(yīng)盡量與散熱器芯子的高度一致，有助于提供散熱器的冷卻效果。運用KULI汽車熱管理一維軟件可以方便快速的設(shè)計出某個發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型，縮短設(shè)計周期降低開發(fā)成本，可為重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計前期提供參考。

[1]尉慶國,蘇鐵熊,董小瑞.汽車發(fā)動機構(gòu)造及原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2012:139-151.

[2]戴繁榮.內(nèi)燃機車?yán)鋮s裝置[M].北京:中國鐵道出版社,1993:1-5.

[3]Fortunato Francesco,Damiano Fulvio, Matteo Luigi Di,etal. Underhood Cooling Simulation for Development of New Vehicles[C].SAE Paper 2005-01-2046.

[4]?？?重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)優(yōu)化匹配與機艙熱管理研究[D].湖南:湖南大學(xué),2011.

[5]成曉北,潘立,周祥軍.車用發(fā)動機冷卻系統(tǒng)工作過程與匹配計算[J].汽車工程.2008,30(9):758-763.

[6]顧寧,倪計民,仲韻,等.基于KULI的發(fā)動機熱管理瞬態(tài)模型的參數(shù)設(shè)置與仿真[J].計算機應(yīng)用,2009,29(7):1963-1965.

[7]金磊.重型商用車柴油發(fā)動機冷卻系統(tǒng)數(shù)字建模及試驗驗證[D].上海:上海交通大學(xué),2009.

[8]王兆煖.散熱器、中冷器和風(fēng)扇的選型校核計算[J].柴油機設(shè)計與制造,2009,16(4):20-31.

Optimal design of the cooling performance on a cooling system of heavy vehicle engine

LI Wen-shang, LONG Yu-hong, LIU Jun-liang, CAI Jie

以某重型車發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)為研究對象，根據(jù)供應(yīng)商提供的熱交換器的風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)，運用KULI軟件對該重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型進行優(yōu)化設(shè)計。重點研究在散熱器與中冷器不完全覆蓋的情況下，探討中冷器的安裝位置對整體散熱性能的影響。結(jié)論是對于中冷器與散熱器的迎風(fēng)面積不是全覆蓋的情況，中冷器芯子與散熱器芯子的安裝高度應(yīng)盡量一致，有助于提供散熱器的冷卻效果。該方法可為重型車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設(shè)計前期提供參考。

重型車；冷卻系統(tǒng)；KULI；優(yōu)化配置

李文尚（1988 -），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向為汽車動力學(xué)。

U463

A

1009-0134(2014)06(上)-0024-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2014.06(上).07

2014-02-27

桂林市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)研究項目（20120102-1）；柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)研究項目（2013H020401）；廣西制造系統(tǒng)與先進制造技術(shù)重點實驗室主任課題（桂科能11-031-12_009）