基于AMESim發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配仿真分析*

徐立平

(廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510900)

基于AMESim發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配仿真分析*

徐立平

(廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510900)

討論發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配的基本思路和方法，以AMESim為仿真平臺輸入發(fā)動機(jī)、風(fēng)扇、散熱器等冷卻系統(tǒng)相關(guān)部件模型，系統(tǒng)分析冷卻系統(tǒng)工作狀況。分析結(jié)果為冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化匹配提供依據(jù)。

冷卻系統(tǒng)、匹配、仿真分析

1 引 言

隨著發(fā)動機(jī)升功率的不斷提高,熱流密度也隨之增大,易出現(xiàn)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度過高過低的問題。 特別是由于系統(tǒng)匹配不當(dāng)造成此類問題時, 此類故障就很難簡單解決, 從而影響整車的正常使用, 因此, 整車廠以及相關(guān)零部件供應(yīng)商對冷卻系統(tǒng)的匹配研究給予越來越多的關(guān)注[1]。

汽車?yán)鋮s系統(tǒng)主要由以下部件組成: 發(fā)動機(jī)、風(fēng)扇、節(jié)溫器、散熱器(水箱) 、中冷器、空調(diào)系統(tǒng)、變矩器油散熱器、取暖器以及相應(yīng)的管路、液壓油散熱器、溫度傳感器及儀表等。如何進(jìn)行冷卻系統(tǒng)配置和評價, 近而縮短產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)周期, 提高設(shè)計成功率, 是設(shè)計師追求的目標(biāo)。傳統(tǒng)的做法是按照類似整車經(jīng)驗(yàn),選擇一些冷卻部件進(jìn)行組合, 然后樣機(jī)裝車直接試驗(yàn)考核, 因此, 在一次成功率和系統(tǒng)優(yōu)化能力方面相對欠缺[2]。

筆者以LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)為平臺[3]，對車輛的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行建模，包括所有的部件、相關(guān)的換熱器、以及發(fā)動機(jī)罩下其他子系統(tǒng)之間的影響。計算冷卻液流量分布，預(yù)測回路上壓力和溫度的變化，研究單個部件(水泵、節(jié)溫器、散熱器等)和整體系統(tǒng)的匹配性。在駕駛循環(huán)工況下對部件間熱影響和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)修改(前艙換熱器布置)的影響進(jìn)行研究，并測試新的控制策略(風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、水泵)。

2 模型建立

在AMESim軟件中冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析模型應(yīng)與實(shí)際冷卻系統(tǒng)物理模型結(jié)構(gòu)保持一致。系統(tǒng)中部件的連接應(yīng)與實(shí)際冷卻系統(tǒng)連接方式一樣。選用系統(tǒng)中的TFL02帶有壓縮、摩擦和換熱的管道模型(R-C-R)直接連接，如圖1所示。

圖1 冷卻系統(tǒng)分析模型

2.1 整車模型建立

整車模型主要用來設(shè)定整車動力傳動系統(tǒng)在不同工況下的工作狀態(tài)，整車模型選用CSES0模型，所需參數(shù)：胎壓(MPa)、車輛整備質(zhì)量(kg)、發(fā)動機(jī)參考轉(zhuǎn)速(r/min)、發(fā)動機(jī)在參考轉(zhuǎn)速時，不同車速對應(yīng)的檔位、發(fā)動機(jī)怠速(r/min)、空調(diào)開啟時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加量(r/min)、發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速(r/min)、在不同轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)的最大功率(kW)、迎風(fēng)面積(m2)。

2.2 風(fēng)扇控制策略模型

風(fēng)扇控制策略主要根據(jù)發(fā)動機(jī)冷卻液的溫度來控制一級及二級風(fēng)扇的開啟和關(guān)閉，風(fēng)扇控制模型選取control3控制模型，所需參數(shù)如下：一級風(fēng)扇開啟溫度、一級風(fēng)扇關(guān)閉溫度、二級風(fēng)扇開啟溫度、二級風(fēng)扇關(guān)閉溫度。

2.3 空調(diào)控制策略模型

空調(diào)控制策略與風(fēng)扇控制策略相同，只在空調(diào)開啟的狀態(tài)下才起作用，選取control3控制模型，所需參數(shù)如下：空調(diào)切斷溫度、空調(diào)重新開啟溫度。

2.4 發(fā)動機(jī)換熱模型

(1) 發(fā)動機(jī)換熱模型選用CSEN00模型，需求參數(shù)：冷卻液入口等效面積(m2)、發(fā)動機(jī)缸體和缸蓋中冷卻液的體積(L)、發(fā)動機(jī)和冷卻液換熱量=f(發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，發(fā)動機(jī)有效功率)數(shù)據(jù)文件。

(2) 發(fā)動機(jī)換熱曲線，需要輸入不同轉(zhuǎn)速下，不同有效功率對應(yīng)的發(fā)動機(jī)所需換熱量，如圖2所示。

2.5 水泵模型

(1) 根據(jù)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，水泵為離心式水泵，選取CSCP0模型，需求參數(shù)如下：水泵轉(zhuǎn)速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速之間的傳動比、水泵壓差和水泵轉(zhuǎn)速流量曲線、水泵中冷卻液的體積(L)、水泵工作的總效率。

(2) 水泵壓差曲線，需要輸入不同轉(zhuǎn)速下，水泵出口流量與水泵進(jìn)出口壓差曲線，如圖3所示。

圖2 發(fā)動機(jī)有效功率和換熱量曲線 圖3 水泵壓差曲線

2.6 散熱器模型

(1) 散熱器模型選取CSRA022帶有簡單風(fēng)扇的模型，需求參數(shù)如下：散熱器冷卻液進(jìn)口的等效面積(m2)、散熱器中冷卻液的體積(L)、散熱器中空氣和冷卻液之間的熱交換量(kW)、散熱器的長度(m)、散熱器的高度(m)、散熱器風(fēng)扇的內(nèi)徑(m)、散熱器風(fēng)扇的外徑(m)、散熱器進(jìn)風(fēng)溫度(℃)、散熱器前平均風(fēng)速(m/s)、風(fēng)扇開啟溫度(℃)

(2) 散熱器換熱曲線，輸入不同散熱器前風(fēng)速下，不同冷卻液流量對應(yīng)散熱器換熱量，如圖4所示。

2.7 其他參數(shù)輸入

分析系統(tǒng)除輸入以上模型以為，還需其他模型具體參數(shù)。選取不同的分析模型，參數(shù)需求略有不同。具體參數(shù)模型如下：機(jī)油冷卻器模型膨脹箱體積(L)、冷卻液在膨脹箱中所占膨脹箱總體積的百分比(%)、空氣和冷卻液之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)(W/℃)、膨脹箱開啟壓力(MPa)、節(jié)溫器最大開啟面積(m2)、初始開啟溫度和全開溫度(℃)、節(jié)溫器中冷卻液體積(L)、暖風(fēng)機(jī)中冷卻液入口等效面積(m2)、暖風(fēng)機(jī)中冷卻液的體積(L)、暖風(fēng)機(jī)中空氣和冷卻液的換熱量曲線、暖風(fēng)機(jī)最大功率(kW)、暖風(fēng)機(jī)最大散熱器前速度及溫度場匹配、鼓風(fēng)量(kg/s)、暖風(fēng)機(jī)工作效率、傳動系傳動效率、冷凝器功率(kW)、冷卻液類型。

圖4 散熱器換熱曲線

3 運(yùn)算求解

3.1 分析工況設(shè)定

冷卻系統(tǒng)匹配選取使用過程中最為惡劣的散熱工況。一般車用發(fā)動機(jī)的危險工況為長距離爬坡且車速較低, 而對應(yīng)的發(fā)動機(jī)處于全油門最大扭矩工況，設(shè)為車速30 km/h，坡度10%，滿載的低速大扭矩工況；高速爬坡工況設(shè)為車速120 km/h，坡度3%，滿載。最大扭矩工況、最大功率工況。冷卻性能分析工況設(shè)置為以上4個工況。

3.2 系統(tǒng)求解

選用AMESim Regular求解器，仿真時間為190 s，通信步長一般選擇0.2 s，選擇標(biāo)準(zhǔn)積分器，其他參數(shù)采用默認(rèn)設(shè)置。求解輸出曲線圖:發(fā)動機(jī)進(jìn)出水溫度(℃)與時間(s)如圖5所示；散熱器進(jìn)水流量(L/min)與時間(s)如圖6所示；發(fā)動機(jī)進(jìn)出口壓力(MPa)與時間(s) 如圖7所示；散熱器進(jìn)風(fēng)量(m3/min) 與時間(s) 如圖8所示。

圖5 發(fā)動機(jī)進(jìn)出水溫度與時間 圖6 散熱器進(jìn)水流量與時間

3.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

系統(tǒng)模擬得到的發(fā)動機(jī)出水溫度為120 ℃ , 進(jìn)水溫度為100 ℃。發(fā)動機(jī)會發(fā)生開鍋現(xiàn)象,不能夠滿足發(fā)動機(jī)冷卻要求。系統(tǒng)壓力0.22 MPa,高于預(yù)設(shè)0.13 MPa,需要調(diào)節(jié)水泵相關(guān)參數(shù)。由此可見當(dāng)前冷卻系統(tǒng)配置不合理，應(yīng)選用散熱效率更高、散熱能力更大的散熱器，需對應(yīng)增加散熱器進(jìn)風(fēng)量。調(diào)整參數(shù)后系統(tǒng)仿真結(jié)果都在合理范圍內(nèi)[4]。

圖7 發(fā)動機(jī)進(jìn)出口壓力圖 圖8 散熱器進(jìn)風(fēng)量與時間

4 結(jié) 語

以AMESim軟件為平臺，優(yōu)化發(fā)動機(jī)整個冷卻系統(tǒng)的匹配, 利用對影響冷卻系統(tǒng)的諸多因素進(jìn)行詳細(xì)分析, 為各部件之間的良好匹配提供了優(yōu)化依據(jù)。

通過仿真分析發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)進(jìn)出水口溫度過高，系統(tǒng)壓力過高，通過改變散熱器結(jié)構(gòu)和效率、調(diào)整水泵參數(shù)加以解決。結(jié)合冷卻系統(tǒng)的仿真計算的詳細(xì)分析, 對所匹配冷卻系統(tǒng)的冷卻性能存在的問題, 提出了改進(jìn)方案。

[1] 盛明星.整車?yán)鋮s系統(tǒng)優(yōu)化匹配方法淺談[J].柴油機(jī)設(shè)計與制造,2006(2):9-13.

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

[3] 付永領(lǐng).AMESIM系統(tǒng)建模和仿真[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2006.

[4] 黃 堅.淺談發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化[J].南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2013(4):93-96.

Simulation Analysis of Matching Cooling System in Engine Based on AMESim

XU Li-ping

(GuangzhouInstituteofTechnology，GuangzhouGuangdong510900,China)

This article discusses the basic ideas and methods of engine cooling system matching, and systematically analyzes the working conditions of cooling system by inputting models of engine, fans, radiators and other cooling system related components based on AMESim simulation platform. The results provide the basis for optimal matching of the cooling system.

cooling system; matching; simulated analysis

2013-11-22

徐立平(1981-)， 男，黑龍江大慶人，講師，碩士，主要從事發(fā)動機(jī)及傳動控制技術(shù)方面的教學(xué)工作。

TH128

A

1007-4414(2014)01-0042-02