基于GT-Suite的重型載貨車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)仿真及匹配設(shè)計(jì)

馬書(shū)亮，陳濤，姜軍，張慶輝，范文峰

（一汽解放汽車(chē)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130011）

基于GT-Suite的重型載貨車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)仿真及匹配設(shè)計(jì)

馬書(shū)亮，陳濤，姜軍，張慶輝，范文峰

（一汽解放汽車(chē)有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130011）

基于GT-Suite軟件建立了某重型載貨車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的一維-準(zhǔn)三維混合仿真模型，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)極限工況下出水溫度、出水流量等計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比分析，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。最后在此模型基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)扇選型匹配，實(shí)現(xiàn)了滿足整車(chē)?yán)鋮s性能要求的前提下，減小了其消耗功率，從而提高了整車(chē)經(jīng)濟(jì)性。

準(zhǔn)三維；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)；匹配GT-Suite

CLC NO.: U464.138 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-07-04

引言

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的主要功能是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行適當(dāng)?shù)睦鋮s，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在正常溫度范圍內(nèi)工作。同時(shí)為了提高整車(chē)的經(jīng)濟(jì)性，在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要求滿足其主要功能的前提下，需要最小化其消耗功率。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的主要耗功元件是風(fēng)扇和水泵[1][2]，因此，冷卻系統(tǒng)的匹配設(shè)計(jì)中，需要盡量降低風(fēng)扇和水泵的消耗功率。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)日益取代傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)成為汽車(chē)產(chǎn)品的研究主流。冷卻系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)驗(yàn)證及方案選型階段，一般都建立其一維仿真模型進(jìn)行分析[3][4] [5]。Alexey Vdovin[6]利用GT-Suite建立了Volvo FH Truck的冷卻系統(tǒng)的一維-準(zhǔn)三維混合模型和傳統(tǒng)一維模型進(jìn)行仿真分析，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明由于一維-準(zhǔn)三維混合模型能夠考慮空氣側(cè)各零部件對(duì)于系統(tǒng)阻力的影響和氣體回流情況，其計(jì)算結(jié)果比一維仿真模型更符合試驗(yàn)結(jié)果。本文應(yīng)用GT-Suite軟件建立了某重型載貨車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的一維-準(zhǔn)三維混合仿真模型，通過(guò)對(duì)比兩種極限工況下計(jì)算結(jié)果與環(huán)境倉(cāng)整車(chē)轉(zhuǎn)轂臺(tái)架熱平衡試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了模型的合理性。并在此基礎(chǔ)上對(duì)某款重型載貨車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)扇匹配選型，提出了改進(jìn)方案。

1、冷卻系統(tǒng)準(zhǔn)三維仿真模型建立及驗(yàn)證

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)計(jì)算中，通常只針對(duì)冷卻能力要求最苛刻的極限工況來(lái)進(jìn)行分析。為了與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比并驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，選擇了環(huán)境倉(cāng)整車(chē)轉(zhuǎn)轂臺(tái)架熱平衡試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的兩種工況，工況具體定義如下：環(huán)境溫度35℃，空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉，最大扭矩點(diǎn)工況下，迎面風(fēng)速為20km/h；環(huán)境溫度35℃，空調(diào)系統(tǒng)關(guān)閉，額定功率點(diǎn)工況下，迎面風(fēng)速為30km/h。

1.1 仿真分析模型建立

一般重型載貨車(chē)整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)分為空氣側(cè)和發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)兩大部分，空氣側(cè)由進(jìn)氣格柵、冷凝器、中冷器、散熱器、風(fēng)扇及其他機(jī)艙內(nèi)阻力元件構(gòu)成，而發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、水泵、散熱器等冷卻液循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)及冷卻系統(tǒng)主要參數(shù)

以某重型載貨車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)為研究對(duì)象，其系統(tǒng)主要參數(shù)如表1。利用GT-Suite軟件的GT-Cool模塊搭建的冷卻系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的一維仿真分析模型圖1所示，其中水泵的性能參數(shù)由供應(yīng)商提供，發(fā)動(dòng)機(jī)水套散熱量及阻力特性數(shù)據(jù)由發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架熱平衡試驗(yàn)獲得。同時(shí)為了能夠較準(zhǔn)確的模擬進(jìn)氣格柵、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件相對(duì)布置關(guān)系帶來(lái)的阻力及氣流回流情況，利用GT-Suite軟件的Cool-3D模塊建立的冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)準(zhǔn)三維分析模型如圖2，模型中包含了發(fā)動(dòng)機(jī)艙的主要元件。其中冷凝器的阻力特性、中冷器的換熱及阻力特性、散熱器的換熱及阻力特性、以及風(fēng)扇的性能參數(shù)由供應(yīng)商臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)提供。

1.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖3為迎面風(fēng)速為0km/h、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速1750r/min工況下冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)某一截面的速度分布。從圖3可以看出進(jìn)氣格柵及發(fā)動(dòng)機(jī)艙零部件的相對(duì)布置對(duì)于空氣側(cè)的氣流分布（如熱風(fēng)回流）及阻力影響較大，而這類(lèi)計(jì)算一維仿真是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)在最大扭矩點(diǎn)和額定功率點(diǎn)工況下，仿真分析結(jié)果和整車(chē)轉(zhuǎn)轂熱平衡臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果。發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度仿真分析預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值最大偏差不超過(guò)3%，冷卻系統(tǒng)冷卻液流量仿真計(jì)算與試驗(yàn)值圖最大偏差不超過(guò)10%，可以滿足工程計(jì)算精度的需要，證明所建模型是合理的。

2、風(fēng)扇匹配仿真分析及選型改進(jìn)

風(fēng)扇消耗功率約占發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率的3%～10%（電動(dòng)風(fēng)扇除外），如果設(shè)計(jì)優(yōu)良及匹配合理，則風(fēng)扇在工作時(shí)其消耗功率僅為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率的3%～5%[1]。風(fēng)扇的性能匹配要求風(fēng)扇消耗功率要小，并且要盡可能在高效區(qū)域工作[1][2]。

通過(guò)對(duì)標(biāo)分析發(fā)現(xiàn)同級(jí)別車(chē)型風(fēng)扇所用型號(hào)不同，為了對(duì)比現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)和對(duì)標(biāo)車(chē)型所用的風(fēng)扇性能，基于前面建立的冷卻系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)匹配兩種型號(hào)風(fēng)扇的冷卻系統(tǒng)冷卻能力及風(fēng)扇功率消耗進(jìn)行對(duì)比分析及評(píng)價(jià)。仿真計(jì)算所需風(fēng)扇相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 原方案、改進(jìn)方案風(fēng)扇及風(fēng)扇離合器參數(shù)

車(chē)型原方案和改進(jìn)方案仿真計(jì)算的風(fēng)扇匹配特性曲線如圖5，圖中虛線為冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)阻力特性曲線。通過(guò)對(duì)比可以得出以下結(jié)論：

（1）圖5（a）顯示了原方案風(fēng)扇在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1200r/min、1500r/min、1800r/min時(shí)風(fēng)扇的流量與靜壓關(guān)系曲線，圖5（b）顯示了改進(jìn)方案風(fēng)扇在風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1500r/min、1800r/min、2000r/min時(shí)風(fēng)扇的流量與靜壓關(guān)系曲線，同時(shí)還顯示了兩方案風(fēng)扇在各個(gè)流量下的靜壓效率等值曲線。

（2）原方案風(fēng)扇運(yùn)行大部分工況點(diǎn)位于0.22-0.28效率區(qū)內(nèi)，并未分布在風(fēng)扇特性曲線上的效率最高區(qū)域，改進(jìn)方案風(fēng)扇運(yùn)行大部分工況點(diǎn)位于0.26-0.30效率區(qū)內(nèi)，運(yùn)行高效區(qū)域明顯增加。

該車(chē)型原方案和改進(jìn)方案在最大扭矩點(diǎn)和額定功率點(diǎn)工況發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度對(duì)比如圖6所示，改進(jìn)后最大扭矩點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度升高1℃，額定功率點(diǎn)升高2.4℃，但滿足車(chē)輛許用環(huán)境溫度≥42℃的使用要求。車(chē)型原方案和改進(jìn)方案在最大扭矩點(diǎn)和額定功率點(diǎn)風(fēng)扇消耗功率對(duì)比如圖7所示，改進(jìn)后在發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩點(diǎn)工況風(fēng)扇消耗功率降低0.36kw，額定功率點(diǎn)工況降低1.36kw。

3、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)冷卻系統(tǒng)的一維-準(zhǔn)三維混合建模，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度和冷卻液流量，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型可以滿足工程精度需要。并在此基礎(chǔ)上對(duì)兩種型號(hào)風(fēng)扇進(jìn)行了選型對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)最小功率消耗下風(fēng)扇的性能匹配。本文所用方法適用于冷卻系統(tǒng)的水泵、風(fēng)扇等部件的選型匹配和優(yōu)化。

[1] 李豐軍等.汽車(chē)設(shè)計(jì)手冊(cè)（發(fā)動(dòng)機(jī)﹒附件卷）長(zhǎng)春：長(zhǎng)春汽車(chē)研究所，1998.

[2] 劉曉東，石秀勇，倪計(jì)民.基于最小耗功的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究.汽車(chē)科技，2012（3）：42～45.

[3] 王海航，段耀龍，胡惠祥，上官文斌.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇與冷卻系統(tǒng)的匹配.車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2012（2）：1～6.

[4] 齊斌.載重車(chē)熱管理系統(tǒng)仿真.柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2008(3)：32-35.

[5] 張翔，王佳，楊建中，蔡志標(biāo).仿真技術(shù)在設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的應(yīng)用.天津汽車(chē)，2008（11）：33～35.

[6] Alexey Vdovin，Cooling performance simulations in GT-Suite [Master's thesis] G?tebor Sweden Chalmers University Of Technology，2010.

The Simulation and Matching of Heavy-Duty Truck Cooling System Based on GT-Suite

Ma Shuliang, Chen Tao, Jiang Jun, Zhang Qinghui, Fan Wenfeng
(Faw Jiefang Automotive Company, Ltd., Jilin Changchun 130011)

A 1d-Quasi 3d hybrid simulative model of a heavy-duty truck engine cooling system is built based on GT-Suite, The accuracy of the simulation model is verified through comparing calculation results such as engine water temperature and water flow under extreme operating conditions with test results. The fan type of the engine cooling system is matched based on this model，the result shows that the power consumption is reduced with meeting the requirement of the vehicle cooling performance. Thus the fuel economy of the vehicleis improved.

Quasi 3dm；engine cooling system；Matching, GT-Suite

U464.138

A

1671-7988(2015)01-07-04

馬書(shū)亮，就職于就職于一汽解放汽車(chē)有限公司，負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。