匹配大馬力發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)性能分析

支保京（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

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匹配大馬力發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)性能分析

支保京
（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

摘要：重型卡車柴油發(fā)動機冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機整體性能及可靠性、耐久性有很大影響。文章針對大馬力發(fā)動機進行正向匹配研究，后期建立數(shù)字模型，能在產(chǎn)品前期開發(fā)匹配過程中，就得到發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻效率初步分析結(jié)果，避免了后期改進、完善、試驗驗證的時間消耗和成本浪費。通過使用數(shù)字建模模擬計算的方式來部分取代、甚至完全取代整車冷卻系統(tǒng)性能試驗驗證的工作，不但能降低試驗研發(fā)的費用，更能縮短整個開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：重型卡車；冷卻系統(tǒng)；匹配計算；數(shù)字模型

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U464.138Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)05-167-03

引言

汽車冷卻系統(tǒng)是汽車發(fā)動機產(chǎn)生的部分熱量與空氣進行熱交換的換熱設備，其散熱器性能的好壞對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和可靠性有很大的影響。散熱器的散熱能力太小或過高對發(fā)動機的性能都有影響。隨著發(fā)動機日益強化，其機械負荷和熱負荷問題越發(fā)突出[1]。

對于現(xiàn)有的發(fā)動機，可以通過熱平衡試驗，確定其燃燒放熱的總熱量中傳給冷卻液和潤滑油的那部分熱量。國內(nèi)外的熱平衡計算和試驗結(jié)果表明，柴油發(fā)動機傳給冷卻介質(zhì)的總熱量約占燃料燃燒所釋放熱量的20％～30％，汽油機為20％～28％。同時，由于機械運動產(chǎn)生的摩擦等機械損失也帶走一部分的能量[2]。

如何選擇散熱器型式，確定散熱器面積，合理布置多個散熱器組合以及在動態(tài)的負荷下實現(xiàn)散熱性能優(yōu)化等都必須從系統(tǒng)的角度加以考慮。本文應用車輛熱管理方法從系統(tǒng)和集成的角度，綜合考慮整車、發(fā)動機和冷卻系統(tǒng)的關(guān)系，通過研究車輛的能量轉(zhuǎn)換、流動與傳熱等過程，以及各子系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系，確保散熱系統(tǒng)正常工作，保障發(fā)動機的正常性能，使冷卻系統(tǒng)與發(fā)動機、整車的匹配最優(yōu)化。

1、性能計算

1.1風扇性能

首先進行風扇的選型，根據(jù)發(fā)動機廠家提供的數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到風扇需要使用大直徑系列。風扇：外徑φ750，輪轂直徑φ328，葉片投影寬度105，葉片個數(shù)11，嚙合溫度90℃，分離溫度90℃。

計算風扇的壓力如下公式所示：

式中：?PR—散熱器的阻力，?PR=100-700Pa，取10m/s風速下各個散熱器對應的系統(tǒng)風阻，1P?—除散熱器以外的所有空氣通道的阻力，1P?=(0.4～1.3) ?PR，取1P?=1.0?PR，將相關(guān)參數(shù)代入式(1)可得系統(tǒng)的阻力。

風扇存在兩種構(gòu)型如圖1所示，通過試驗得到兩種風扇的空氣流量如圖2所示。得到帶加強筋的風扇在同樣轉(zhuǎn)速下風量較大，故選設計B為冷卻系統(tǒng)風扇。

圖1　風扇外形對比圖

1.2散熱器性能

1.2.1散熱器的散熱量等于冷卻系統(tǒng)的散熱量QW，冷卻空氣量Va等于流過散熱器的空氣量，其計算公式如下：

式中：Va——冷卻空氣理論需要量，m3/s；

?ta——空氣進入散熱器以前與通過散熱器以后的溫度差，℃，取?ta=25℃；γa——空氣的重度，γa=1.01 kg/m3； CP——空氣定壓比熱，CP=1.047 kJ/kg·℃。

1.2.2根據(jù)冷卻空氣量Va，計算散熱器的正面積：

式中：FR——散熱器的理論正面積，m2；

Va—散熱器正面前的空氣流速，Va=8m/s～10m/s，取Va=10m/s。

1.2.3散熱器的散熱表面積

式中：F—散熱器的理論散熱表面積m2，KR—傳熱系數(shù)，KR=0.069 kJ/ m2·s·℃～0.117kJ/ m2·s·℃，KR=0.099kJ/m2·s·℃；?t—散熱器中冷卻液和冷卻空氣的平均溫差，取?t=41℃。

表1　散熱器性能參數(shù)

表2　中冷器性能參數(shù)

通過以上計算得到冷卻系統(tǒng)散熱器的需求尺寸，如表1所示，通過相關(guān)軟件可模擬出散熱器的散熱量，表2為匹配散熱器的中冷器尺寸及散熱性能。

1.3匹配計算

基于熱管理軟件進行車輛熱管理數(shù)據(jù)的整理及模擬計算，后期將在軟件中建立車型對應的冷卻系統(tǒng)。前期依據(jù)加寬冷卻模塊進行簡單數(shù)據(jù)建模，模型建立對加寬冷卻模塊進行冷卻能力驗證，在發(fā)動機散熱量170KW，冷卻水流量6.7kg/s，環(huán)境溫度40℃[3]。計算得到發(fā)動機出水溫度為91℃，符合發(fā)動機散熱性能要求，為了匹配高溫地區(qū)散熱系統(tǒng)，在原散熱系統(tǒng)上進行加大風扇速比，得到發(fā)動機出水溫度為86℃（計算如圖2所示）。通過計算得到了在兩種風扇速比下的散熱參數(shù)，正常匹配完成后才能進行高溫地區(qū)的冷卻系統(tǒng)匹配。在保證一個系類發(fā)動機的最大冷卻能力后，不在進行散熱器及中冷器的開發(fā)，通過改變風扇的速比或直徑來達到發(fā)動機的合適出水溫度。

圖2　計算結(jié)果

2、流動計算

2.1冷卻模塊外流動

汽車發(fā)動機艙是一個半封閉的空間，艙內(nèi)主要包括冷卻系統(tǒng)、發(fā)動機及進氣排氣系統(tǒng)、傳動裝置，結(jié)構(gòu)布置緊湊，文中考慮了散熱元件的散熱量、高溫元件熱源、空氣的對流傳熱等因素，建立了發(fā)動機艙模型，利用CFD軟件對汽車發(fā)動機艙流場進行數(shù)值仿真，通過穩(wěn)態(tài)計算得到了發(fā)動機艙內(nèi)部氣流的速度、溫度分布、重要元件的表面溫度等參數(shù)。

確定散熱器及中冷器的性能后進行帶風扇的機艙氣流流動計算，風扇尺寸按照本文確定尺寸φ750。圖3為風扇在大轉(zhuǎn)速情況下氣流通過散熱器及中冷器的速度分布，由于風扇上置，故在中冷器和散熱器上部流動速度比較高，流量較大。在中冷器及散熱器被冷凝器阻擋區(qū)域，速度較低，流量較小。通過以上計算及分析認為需要抬高散熱器及中冷器位置，使風扇的氣流面積盡量多的覆蓋散熱器表面積，提高散熱效率[4]。

圖3　氣流經(jīng)過中冷器及散熱器速度分布云圖

2.2機艙內(nèi)流動

計算機艙內(nèi)部氣流流動，工況及溫度：中低速40 km/h爬坡，坡10°；進風環(huán)境溫度40℃；排氣管、發(fā)動機等表面溫度均為冷卻熱害試驗結(jié)果參數(shù)；參數(shù)設置：多孔介質(zhì)阻抗系數(shù)的設置要根據(jù)實驗得到的冷凝器、空冷器、油冷器、散熱器的壓力-流速曲線獲取[5]。

圖4　機艙速度流線云圖

圖4中可以清楚的看到在發(fā)動機前艙上方存在較大的漩渦流，這是由于加熱氣體回流到發(fā)動機前艙與流經(jīng)格柵的冷卻氣體相遇而造成的，渦流的存在嚴重的影響了發(fā)動機冷卻模塊的進氣量，提高了進氣溫度，這給發(fā)動機散熱帶來了更大的困難。

從圖4中清楚地顯示出冷卻氣體在發(fā)動機艙內(nèi)流動的情況：冷卻空氣從進氣格柵進入發(fā)動機前艙，在風扇的吸力作用下，依次通過中冷器、散熱水箱和冷卻風扇，然后吹向發(fā)動機體，帶走機體表面多余熱量。由于冷卻風扇與發(fā)動機前端之間的間距較小以及機艙空間較為緊湊，導致流經(jīng)風扇后的受熱氣體在機艙內(nèi)流通不暢，不能順暢的向機艙出口流出，再加上冷卻模塊前后壓力差的作用下，最終流進導致冷卻模塊的受熱氣體回流到發(fā)動機前艙，再次進入中冷器和散熱器，回流的受熱氣體反復受到中冷器和散熱水箱的加熱，從而導致冷卻模塊散熱性能下降，致使發(fā)動機的出水溫度偏高；進氣口溫度明顯高于環(huán)境溫度，這勢必影響發(fā)動機艙的散熱，導致機艙溫度過高。方框內(nèi)區(qū)域存在小范圍回流，但范圍僅位于護風罩以上及散熱器后部。針對以上計算進行管路更改及導流板及止流板的加裝。

3、結(jié)論

本文主要針對大馬力發(fā)動機進行正向匹配研究，后期建立數(shù)字化模型。重型商用車柴油發(fā)動機冷卻系統(tǒng)對發(fā)動機整體性能及可靠性、耐久性有很大影響。利用數(shù)字建模進行模擬計算分析，能在產(chǎn)品前期開發(fā)匹配過程中，就得到發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻效率初步分析結(jié)果，避免了后期改進、完善、試驗驗證的時間消耗和成本浪費。

本文主要對發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的數(shù)字建模模擬計算進行研究，但對于整車開發(fā)來說，還有很多系統(tǒng)都是可以運用數(shù)字建模的方式來模擬計算的。隨著企業(yè)數(shù)字化開發(fā)平臺的不斷深入和完善，相信今后能更多更好的用數(shù)字建模模擬計算的方式來取代傳統(tǒng)的整車系統(tǒng)性能試驗驗證的工作。

參考文獻

[1]盧廣鋒,郭新民,孫運柱,尹克榮,牟曉玉.汽車冷卻系統(tǒng)水溫對發(fā)動機性能的影響.山東內(nèi)燃機.2002 年3 月第1 期(總第71期).

[2]錢蘭等. 壁溫對內(nèi)燃機缸內(nèi)傳熱影響的試驗研究. 內(nèi)燃機學報.1999(1).

[3]沈希杰. 發(fā)動機冷卻水溫度的影響. 汽車運輸,1991(11) :20-21.

[4]劉毅. 內(nèi)燃機工作溫度對使用壽命的影響. 汽車技術(shù),2000(4).

[5]赫強,梁鋒,楊林,卓斌.基于Simulink 的柴油機冷卻水溫度實時仿真模型.車用發(fā)動機.2004年4月第2 期(總第150期).

The Analysis performance of matching high-powered engine cooling system

Zhi Baojing
( Shaanxi Automoblie Group Co.Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

Abstract:Truck diesel engine cooling system on engine performance and overall reliability and durability have a great impact. Wenwen be a positive match for the study of high-powered engines, the latter established digital model, the product can match the pre-development process, you get the cooling efficiency of the engine cooling system of the preliminary results of the analysis, avoiding late to improve, improve, test verification and time consuming and the cost of waste. Way through the use of digital modeling simulation to replace part of, or even completely replace the vehicle cooling system performance test verification work, not only to reduce test development costs, shorten the development cycle more.

Keywords:heavy duty truck; cooling system; matching calculation; digital model

中圖分類號：U464.138

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988 （2016）05-167-03

作者簡介：支保京，就職于陜西汽車股份有限公司。