客車熱管理仿真與試驗研究

陳彥夫

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023）

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測試試驗

客車熱管理仿真與試驗研究

陳彥夫

（廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023）

摘 要：利用試驗測試與KULI、CFD軟件相結合，通過試驗測試提供準確的仿真輸入條件，對熱管理系統(tǒng)進行仿真分析，優(yōu)化匹配，并通過試驗對仿真結果進行驗證，建立熱管理系統(tǒng)仿真平臺。結果表明，該熱管理仿真平臺可以為后續(xù)的整車熱管理系統(tǒng)性能改善提供依據(jù)，同時縮短整車開發(fā)周期，減少試驗費用成本。

關鍵詞：客車；熱管理；仿真；試驗

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.04.034

CLC NO.: U467.3Document Code: AArticle ID: 1671-7988 (2016)04-100-03

引言

車輛熱管理是提高車輛經(jīng)濟性和動力性、保證關鍵部件安全運行和車輛行駛安全的重要途徑[1]。目前客車企業(yè)這方面工作只是基于冷卻角度，而不是熱管理的角度，一般以要求發(fā)動機冷卻系統(tǒng)不過熱為目的[2]，普遍存在冷卻能力過剩問題。

如圖1所示，對全國配置電磁離合風扇和直連風扇的某款8米車型，分別抽取133輛和466輛進行比對，配直連風扇的冷卻液溫度基本在80℃以下，配電磁離合風扇的冷卻液溫度僅20%在85℃以上。而根據(jù)該車所配發(fā)動機的臺架試驗結果，發(fā)動機冷卻液溫度在90℃左右的經(jīng)濟性最佳。

圖1　某車型冷卻液溫度分布情況

因此，在客車整車開發(fā)過程中，如何從系統(tǒng)集成和整體角度，控制和優(yōu)化客車的熱量傳遞過程，設計一個可靠而高效率的發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，用合理的冷卻系統(tǒng)將發(fā)動機產生的熱量散發(fā)到外界空氣中，在汽車整車開發(fā)過程中變的越來越重要[3,4]。

傳統(tǒng)方法是制作物理樣機，通過試驗分析各個子系統(tǒng)之間的相互影響，試驗周期長，費用昂貴。同傳統(tǒng)的試驗相比，本文利kuli軟件配合三維CFD工具（Star-CCM+），建立熱管理系統(tǒng)仿真平臺，研究車輛外流場、發(fā)動機艙內流場、溫度場分布，同時車輛通過底盤測功機進行發(fā)動機熱平衡試驗，配合溫度傳感器、風速傳感器、流量計、皮托管、熱成像儀等設備，為仿真提供準確的輸入條件，并可驗證仿真結果的準確性，最后達到改善整車熱管理系統(tǒng)性能的目標。

1、發(fā)動機熱管理仿真平臺建立

如圖2所示，根據(jù)客車結構形式，設計了氣流入口壓力系數(shù)、中冷器、散熱器、風扇、水泵、系統(tǒng)阻力（BIR）和氣流出口壓力系數(shù)等仿真模型[5]，如圖3所示。

圖2　車輛布置圖

圖3　仿真模型及循環(huán)回路

其中仿真部件的外形尺寸和位置參數(shù)按車輛設計參數(shù)輸入；中冷器和散熱器等熱交換器部件的傳熱特性按供應商提供數(shù)據(jù)輸入；內部流動流體和外部流動流體的壓力損失特性等流體模型由試驗測試及CFD、kuli仿真軟件綜合計算獲取。

1.1 散熱量計算

通過車輛在底盤測功機進行熱平衡試驗，測得發(fā)動機在扭矩點1400rpm工況下進出水管路冷卻液溫差Δt為5.5℃，通過流量計測得扭矩點工況下的冷卻水流量為11.71m3/h，根據(jù)熱量公式：

Qw= C水×m水×Δt

式中：C水為水比熱容，4.2 kJ / kg?℃；m水為水流質量kg/s；Δt進出水的溫差。

計算得到扭矩點工況冷卻水帶走的熱量值為75.13 kJ，而發(fā)動機廠家提供的散熱量為85 kJ，KULI仿真采用根據(jù)試驗結果計算出的散熱量更為準確。

1.2 系統(tǒng)阻力（BIR）及進出口處CP值確定

如圖4所示，通過試驗測得不同車速下的側圍散熱器格柵處風速以及散熱器表面有效進風量，與CFD流場仿真計算數(shù)值進行對比，試驗結果與仿真數(shù)值誤差最大為4%，驗證CFD仿真計算流場有較好的精確度。

圖4　試驗與CFD仿真驗證

車速31km/h扭矩點1400rpm工況下通過已試驗驗證的CFD仿真計算散熱器背風面質量流量為1.732kg/s，調整系統(tǒng)阻力BIR值至335時， kuli絕熱模擬仿真計算的空氣流量為1.7315kg/s，與CFD計算近似，確定BIR值為335。這種采用系統(tǒng)阻力Bir正向計算的方法，有效解決了系統(tǒng)阻力求取的難題。

依據(jù)CFD軟件獲取冷卻空氣入口及出口的CP值，求得散熱器格柵表面冷卻氣流入口壓力系數(shù)平均CP值為-0.37，發(fā)動機底部冷卻氣流出口壓力系數(shù)平均cp值為-0.069，如圖5所示。

圖5　CFD計算獲取冷卻空氣入口及出口的CP值

圖6　系統(tǒng)阻力（BIR）及進出口處CP值確定

2、仿真系統(tǒng)試驗驗證

根據(jù)《GB T 12542-2009 汽車熱平衡能力道路試驗方法》，冷卻風扇直連，發(fā)動機節(jié)溫器全開狀態(tài)，利用底盤測功機控制使發(fā)動機工作于最大扭矩點1400rpm和最大功率點2300rpm，直至發(fā)動機熱平衡。

同時，利用kuli軟件進行了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的仿真計算，并與試驗對比分析。

發(fā)動機熱平衡試驗與仿真結果對比結果如表一所示，仿真結果與試驗數(shù)值吻合較好，進出水溫度試驗數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)誤差很小，最大誤差為1.9%，最小誤差為0.1%，進出水溫差在4%左右。

表1　發(fā)動機熱平衡試驗與仿真結果對比

通過試驗驗證，在發(fā)動機熱管理系統(tǒng)開發(fā)匹配過程中，該方法是可行，有效的，避免了后期改進、完善、試驗驗證的時間和成本浪費，對發(fā)動機熱管理系統(tǒng)的成功開發(fā)和設計帶來非常顯著的作用。

3、發(fā)動機熱管理系統(tǒng)性能改善

影響散熱量的主要因素是冷卻水循環(huán)量和冷卻空氣量，決定這兩個因素的關鍵是水泵、風扇及散熱器等。提高冷卻水循環(huán)量需提高水泵轉速，會使功率消耗急增，且容易形成低壓。所以，一般從增加冷卻空氣流速入手。

冷卻氣流從進氣格柵，經(jīng)過導流罩、中冷器、散熱器，最后由風扇抽吸進發(fā)動機艙。進氣格柵和導流罩的優(yōu)化改進、冷卻模塊風阻的下降、風扇進風量提高都有利于冷卻空氣流速的增加。

針對該車型之前配備某發(fā)動機水溫過高問題，利用已建立的發(fā)動機熱管理仿真平臺進行改善，備選的四個方案有：散熱器芯體加厚、散熱器與中冷器均加厚、風扇改為風量更大的霍頓風扇、更換進氣效率更高的導流罩。將四個方案分別在最大扭矩點1500rpm和最大功率點2300rpm進行發(fā)動機冷卻系統(tǒng)仿真計算，結果如圖7和圖8所示。

圖7　最大扭矩點工況不同方案發(fā)動機水溫對比

圖8　最大功率點工況不同方案發(fā)動機水溫對比

在改善發(fā)動機冷卻效果方面，更換冷卻風扇方案效果最佳，其次是更換導流罩，最后為更換散熱器，更換中冷器效果并不明顯。考慮到成本控制等問題，最終選擇更換導流罩方案應用于實車。

4、結論

利用試驗測試與KULI、CFD軟件相結合，通過試驗測試提供準確的仿真輸入條件，對發(fā)動機周邊系統(tǒng)進行仿真分析，優(yōu)化匹配，并通過試驗對仿真結果進行驗證，建立發(fā)動機熱管理系統(tǒng)仿真平臺，為后續(xù)的整車發(fā)動機熱管理系統(tǒng)性能改善提供依據(jù)，同時縮短整車開發(fā)周期，減少試驗費用成本。

參考文獻

[1] 鄧義斌,黃榮華,王兆文,程偉.車輛熱管理系統(tǒng)及其研究[J].汽車工程師.2011(1):52-56,62.

[2] 田紅霞.發(fā)動機熱管理試驗技術研究[J].內燃機與動力裝置.2010. 118(4):17-19.

[3] 陳家瑞.汽車構造[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4] 劉惟信.汽車設計[M].北京:清華大學出版社,2001.

[5] Magna Powertrain Engineering Center Steyr GmbH & Co KG.KULI V9.1 Tutorial[M], 2014-2015.

中圖分類號：U467.3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)04-100-03

作者簡介：陳彥夫，碩士，工程師，就職于廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司。主要從事：客車動力系統(tǒng)相關試驗研究。

Research on Thermal Manage System Simulation and Test of Bus

Chen Yanfu
( Xiamen King Long United Automotive Industry Co., Ltd., Fujian Xiamen 361023 )

Abstract:Combined test and KULI,CFD software, through tests provide accurate input conditions of simulation, the simulation analysis is carried out on the thermal manage system, matching optimization, and through the test, the simulation results are verified, the thermal manage system simulation platform is established. It is proved by the results that it can provide the basis for the thermal manage system performance improvement, while reducing the vehicle development cycle, reduce test costs.

Keywords:bus; thermal manage system; simulation; test