某國IV發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王次安，王宏大，張 蕾

(1.安徽江淮汽車股份有限公司 合肥 230601;2.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 合肥 230601)

隨著汽車保有量的增加，柴油機(jī)排出的廢氣對(duì)環(huán)境影響越來越大［1］，嚴(yán)格的排放法規(guī)使國IV柴油機(jī)應(yīng)用更加廣泛.冷卻系統(tǒng)做為柴油機(jī)重要組成部分對(duì)排放性影響很大［2］，并且冷卻系統(tǒng)對(duì)柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性也有很大影響［3］.國IV柴油機(jī)在工作中需要向SCR系統(tǒng)額外供給冷卻液，這要求冷卻系統(tǒng)必須有足夠的性能保證車輛的正常工作，所以柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理也就尤為重要.如果通過建立實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，這會(huì)大大增加研發(fā)成本，所以現(xiàn)在計(jì)算機(jī)輔助工程的應(yīng)用可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行冷卻系統(tǒng)評(píng)估，有效的縮短研發(fā)時(shí)間和降低研發(fā)成本.

文中利用流體分析軟件Star-CD和一維分析軟件Flowmaster對(duì)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并將分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真準(zhǔn)確性，依據(jù)計(jì)算結(jié)果分析冷卻系統(tǒng)布置合理性，并對(duì)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)意見.

1 冷卻系統(tǒng)仿真分析

1.1 柴油機(jī)水套CFD分析

冷卻系統(tǒng)仿真分析計(jì)算流程如圖1所示，首先進(jìn)行水套的CFD分析，然后將得到的水套流阻數(shù)據(jù)和其他部件流阻特性、模型管路數(shù)據(jù)共同作為輸入邊界輸入到Flowmaster一維冷卻系統(tǒng)模型中，最后計(jì)算得到冷卻系統(tǒng)中流量分配和壓力分布情況.

對(duì)柴油機(jī)水套進(jìn)行CFD分析首先應(yīng)進(jìn)行水套幾何模型的前處理，水套三維模型中有許多小倒角和褶皺，不利于網(wǎng)格的劃分，所以首先將模型導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行前處理，如圖2所示為處理過的模型，模型中只有一個(gè)水套進(jìn)口和一個(gè)水套出口，最后在HyperMesh中完成面網(wǎng)格劃分.

圖1 冷卻系統(tǒng)仿真分析流程

圖2 水套幾何模型

將HyperMesh中得到的面網(wǎng)格導(dǎo)入Star-CD前處理工具Pro-AM中劃分體網(wǎng)格，采用Trim網(wǎng)格類型，最終體網(wǎng)格中六面體單元約占95%，保證計(jì)算的精度.計(jì)算過程中冷卻液類型為50%的乙二醇溶液，冷卻液為不可壓縮穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，湍流模型采用精度和穩(wěn)定性更好的k－zeta－f模型，壓力和速度耦合采用SILMPLE算法［4］，采用復(fù)合壁函數(shù)來處理接觸壁面［5］.將不同流量作為邊界輸入進(jìn)行水套的CFD分析，圖3為水套絕對(duì)壓強(qiáng)分布云圖，柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速工況下最大壓強(qiáng)為2.8 bar.

圖3 水套絕對(duì)壓強(qiáng)分布云圖

由柴油機(jī)水套CFD分析結(jié)果可以得到不同流量所對(duì)應(yīng)的壓降，由流量和壓降關(guān)系得到如圖4所示柴油機(jī)水套流阻特性.

圖4 柴油機(jī)水套流阻特性曲線

2.2 冷卻系統(tǒng)一維分析

2.7L柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖5所示.

散熱器從缸蓋前端取水，回水至缸體水套，SCR和暖風(fēng)并聯(lián)從缸蓋前端取水，最終回水至水泵前端，油冷器從水泵后端取水，回水至水泵前端，尿素噴嘴加熱器從SCR回路取水，回水至SCR回路.

圖5 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

冷卻系統(tǒng)一維分析數(shù)據(jù)輸入包括4部分:水泵性能、柴油機(jī)水套阻尼、冷卻部件阻尼、管路阻尼參數(shù).其中，水套流阻通過CFD分析得到，如圖4所示;水泵性能數(shù)據(jù)由水泵廠家提供，擬合曲線如圖6所示;暖風(fēng)流阻數(shù)據(jù)、散熱器流阻數(shù)據(jù)、SCR系統(tǒng)和油冷器流阻數(shù)據(jù)如圖7所示;管路的長(zhǎng)度和內(nèi)徑通過CAD模型獲得，計(jì)算中管路模型采用Colebrook－White模型，該模型在不同雷諾數(shù)時(shí)的損失系數(shù)如公式 (1)、(2)、(3)所示［6］.

圖6 水泵性能特性曲線

圖7 其他冷卻部件流阻特性曲

設(shè)置鋼管表面粗糙度為0.025 mm，塑料管和橡膠軟管粗糙度為0.0025 mm.建立冷卻系統(tǒng)一維模型如圖8所示，該計(jì)算模型包括散熱器循環(huán)水路、油冷器循環(huán)水路、暖風(fēng)循環(huán)水路、SCR循環(huán)水路和尿素噴嘴冷卻器循環(huán)水路.計(jì)算中冷卻液為50%乙二醇溶液，計(jì)算工況為柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速工況和最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速工況，水泵與柴油機(jī)轉(zhuǎn)速比為1.6，各柴油機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的水泵轉(zhuǎn)速為5120 r/min和3520 r/min，根據(jù)水泵性能曲線，計(jì)算中取水泵轉(zhuǎn)速為5760 r/min，流量為191.99 L/min，水泵揚(yáng)程為27.01 m.各參數(shù)設(shè)置完成后進(jìn)行冷卻系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)計(jì)算，計(jì)算得到冷卻系統(tǒng)流量分配和壓力分布情況，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為3200 r/min和2200 r/min時(shí)的系統(tǒng)冷卻液流量分配如表1所示.

表1 冷卻系統(tǒng)流量分配表

圖8 冷卻系統(tǒng)一維計(jì)算模型

由表1知在柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速下散熱器流量值最大為155.17 L/min，由圖7可知在幾個(gè)主要冷卻部件中，散熱器的流阻較小，而且散熱器為主要對(duì)外散熱結(jié)構(gòu)，所以要求散熱器的流量較大;額定工況下SCR流量與設(shè)計(jì)值較接近，但在低轉(zhuǎn)速下流量值偏低，所以應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化以提高其流量.根據(jù)冷卻系統(tǒng)壓力分布圖可知，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為3200 r/min和2200 r/min時(shí)系統(tǒng)整體壓力損失為1.55 bar和0.81 bar，主要壓力損失出現(xiàn)在柴油機(jī)水套位置，系統(tǒng)壓力較高，發(fā)生氣蝕的可能性較小.

2 冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)

2.1 冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)一維仿真的準(zhǔn)確性，進(jìn)行2.7L柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)，評(píng)價(jià)柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求.根據(jù)試驗(yàn)方案布置整車的冷卻系統(tǒng)，有散熱器、流量計(jì)、膨脹水箱等相關(guān)部件，試驗(yàn)過程中節(jié)溫器全開，柴油機(jī)最大轉(zhuǎn)速3200 r/min工況，整車防凍液，按照要求布置壓力傳感器，并且壓力傳感器的測(cè)量的量程和測(cè)量參數(shù)點(diǎn)的數(shù)值變化范圍要適當(dāng).如圖9為該型號(hào)柴油機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)上的試驗(yàn)狀態(tài)，通過該試驗(yàn)可測(cè)得不同工況下冷卻系統(tǒng)流量分配情況.

圖9 柴油機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)

2.2 冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

額定轉(zhuǎn)速下各部件試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，該表進(jìn)行模擬結(jié)果與試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)的對(duì)比.

表2 仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

試驗(yàn)數(shù)據(jù)中系統(tǒng)總壓力損失為1.703 bar，模擬數(shù)據(jù)系統(tǒng)總壓力損失為1.55 bar，兩者總壓力損失偏差為8.9%.考慮到計(jì)算誤差與測(cè)量誤差的必然存在，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常認(rèn)為冷卻系統(tǒng)流量分布的模擬分析值與試驗(yàn)值誤差小于10%即可，由偏差對(duì)比知，各冷卻部件流量模擬值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較好符合，這也驗(yàn)證了冷卻系統(tǒng)一維仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性.

3 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)一維冷卻系統(tǒng)分析結(jié)果可知，在柴油機(jī)額定轉(zhuǎn)速 (3200 r/min)和柴油機(jī)最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速(2200 r/min)下，流過SCR尿素箱的流量分別為4.17 L/min和2.85 L/min，該部分的冷卻液主要是實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下尿素結(jié)晶的及時(shí)解凍.根據(jù)BOSCH經(jīng)驗(yàn)，零下25℃時(shí)，要求尿素溶液在40～50 min內(nèi)解凍，柴油機(jī)中高速，尿素箱水流流量能夠滿足尿素箱加熱需求，但柴油機(jī)低速水流量偏低，影響尿素解凍時(shí)間.通過一維分析可知在柴油機(jī)最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速 (2200 r/min)下通過尿素箱的流量偏低，特別柴油機(jī)怠速工況下 (750 r/min)通過SCR尿素箱的流量?jī)H為1.24 L/min，柴油機(jī)低速工況下冷卻液流量不滿足尿素結(jié)晶及時(shí)解凍的條件，進(jìn)而影響國IV柴油機(jī)性能，造成低速工況下排放性較差，所以應(yīng)適當(dāng)提高柴油機(jī)低速條件下通過尿素箱的冷卻液流量.

為了提高SCR系統(tǒng)冷卻液流量，應(yīng)適當(dāng)降低SCR系統(tǒng)回路流阻，通過分析SCR系統(tǒng)冷卻液循環(huán)回路發(fā)現(xiàn)為了給尿素噴嘴供給冷卻液，管路中連接兩個(gè)主直徑為10 mm的三通接頭，如圖10所示，其中管路1為高溫冷卻液流進(jìn)尿素箱的管路，管路2為冷卻液流出尿素箱的管路，這兩條管路的直徑均為14 mm，而三通主直徑為10 mm，小直徑起到較大的節(jié)流作用，增加管路流阻，所以，應(yīng)適當(dāng)增大直徑.

圖10 尿素箱管路

將與三通接頭連接的軟管管路直徑擴(kuò)大為16 mm，三通接頭主直徑擴(kuò)大為14 mm，并將管路系統(tǒng)中其他金屬管路直徑由12 mm擴(kuò)大為14 mm，再次進(jìn)行冷卻系統(tǒng)分析，計(jì)算得到在怠速工況下流過尿素箱的流量為1.76 L/min，與原結(jié)構(gòu)相比，流量提升了42%，最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速下流量為3.71 L/min，流量的增加保證低溫環(huán)境下尿素結(jié)晶的及時(shí)解凍.流過尿素箱的冷卻液增加的原因是SCR系統(tǒng)回路流阻降低，進(jìn)而整個(gè)冷卻系統(tǒng)流阻降低，所以對(duì)其他冷卻部件流量影響不大.

4 結(jié)論

對(duì)某國IV柴油機(jī)進(jìn)行一維、三維聯(lián)合仿真，分析典型工況下的冷卻系統(tǒng)流量分配和壓力分布情況，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，基于分析結(jié)果提出SCR管路系統(tǒng)優(yōu)化方案，以提高流過尿素箱冷卻液的量，保證在寒冷地區(qū)尿素結(jié)晶的及時(shí)解凍，有利于SCR系統(tǒng)在最短的時(shí)間內(nèi)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證國IV柴油機(jī)排放性能，降低污染物的排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)具有積極意義.

［1］麻友良.汽車電器與電子控制系統(tǒng) ［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］陳家瑞.汽車構(gòu)造 ［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］王 剛，李云清，梁新月，等.對(duì)某型柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與匹配研究 ［J］.車輛與動(dòng)力技術(shù)，2007(4):32-35.

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［5］AVL fire user＇s guide version 3.3［R］.AVL LIST GmbH，2000.

［6］Flow master V7中文技術(shù)手冊(cè) ［R］.27-28.